Аксиальные двигатели внутреннего сгорания. Аксиальный электрический двигатель Пекин обвалил Уолл-стрит

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http :// www . allbest . ru /

Линейные электродвигатели. Общий обзор

На сегодняшний день во многих узлах машин и механизмов возникает потребность в приводах поступательного движения. Реализация таких приводов доступна множеством возможных способов в зависимости от требований технического задания к разрабатываемой конструкции, а также параметрам самого привода. По способу преобразования энергии поступательные приводы можно разделить на 3 большие категории: электрические, пневматические и гидравлические. У каждого вида есть свои преимущества и недостатки, которые будут более подробно рассмотрены далее в этой статье. Общая черта распространённых на сегодняшний день «готовых решений» в области линейного позиционирования - это большое количество узлов и деталей, составляющих конструкцию привода, что в последствии сказывается на эффективности работы, простоте настройки и обслуживания, а также долговечности этого механизма. В связи с этим активно разрабатываются линейные машины непосредственного действия. В конструкции таких машин, как правило, отсутствуют редукторы и механические преобразователи вращательного движения в поступательное. Таким образом, движение приводящего и приводимого элемента осуществляются в одной и той же координате. Именно этим требованиям и отвечает получивший в последнее время широкое распространение такой класс электрических машин, как линейные электродвигатели. Цель данной работы - представить обзор данного класса двигателей в удобном для читателя виде, путём систематизирования информации из различных источников. Также, в статье будет рассмотрен принцип действия линейных электродвигателей, области их применения, их сравнение с иными приводами поступательного движения, и разновидности их конструкций.

Из истории создания линейных электродвигателей

Самое раннее упоминание об электрической машине, взаимодействие электромагнитных полей в которой заставляло один элемент продольно перемещаться относительно другого, связано с именем Чарльза Уитстоуна (Charles Wheatstone), английского учёного и изобретателя. Ещё в 1840-х годах им была описана модель подобного двигателя, правда конструкция его была примитивна и неэффективна . Описание же более приближённой к реальным условиям модели было задокументировано в 1905 году изобретателем Альфредем Зеденом (Alfred Zehden) . Первые функционирующие модели были произведены на 30 лет позже, лишь только в 1935-1940 годах.

С тех пор многое изменилось в конструкции линейных электродвигателей: вошли в применение новые материалы (в том числе постоянные магниты с содержанием редкоземельных металлов), были спроектированы различные модификации приводов для самых разнообразных отраслей применения, а номенклатура номинальных мощностей разрослась в диапазоне от 0.5 (мВт) до 1200 (кВт) .

Принцип действия линейного электродвигателя.

Линейный электродвигатель представляет из себя электрическую машину, активные поверхности взаимодействующих элементов магнитной системы которой разомкнуты. Первичный элемент, как правило, называют индуктором или же «forcer», в англоязычной литературе . Первичный элемент является прямым аналогом статора электродвигателя вращательного движения. В индукторе размещаются обмотки возбуждения, подключённые к сети переменного тока. В большинстве случаев индуктор является неподвижным. Хотя, впрочем, в специализированных технических областях встречаются конструкции обращённой линейной машины, например тяговый двигатель составов монорельсовой транспортной системы. К сложности создания двигателя с подвижным индуктором можно отнести необходимость в скользящем контакте для передачи энергии в обмотки двигателя.

Название вторичного элемента, как правило, используется без изменения, хотя в некоторой литературе встречается термин «якорь», в качестве обозначения подвижного элемента линейного двигателя. Вторичный элемент по аналогии можно сравнить с ротором. Технологическое исполнение вторичного элемента зависит от типа проектируемой электрической машины: это может быть металлический лист, покрытый слоем материала высокой электропроводности для случая асинхронной машины или же набор постоянных магнитов, уложенных в плоскости разными полюсами друг за другом в случае синхронной. Применение редкоземельных магнитов в конструкции вторичного элемента привело к значительному увеличению силовых показателей электродвигателей.

Рис. 1. Общая идея конструкции линейного электродвигателя

На рис. 1 изображено общее представление о конструкции линейного электродвигателя. Это есть ничто иное, как развёртка обоих элементов бесколлекторного вращательного двигателя. На данном конкретном примере - развёртка трёхфазной синхронной обращённой машины.

Рассмотрим взаимодействие магнитных полей в двигателе, приводящее к появлению продольной силы на примере двухфазной синхронной машины. На рис. 2 представлена эквивалентная схема, поясняющая принцип работы. Индуктор неподвижно закреплён на основании. Вторичный элемент может перемещаться вдоль прямой, параллельной основанию на опорах скольжения. Обмотки индуктора представлены в виде цилиндрических катушек, подключённых к сети переменного тока. В общем случае, для обеспечения непрерывности сообщаемого вторичному элементу усилия необходимо, чтобы разность фаз коммутации обмоток индуктора удовлетворяла уравнению:

где Т И - расстояние между геометрическими центрами соседних обмоток, м;

Т ВЭ - расстояние между геометрическими центрами двух ближайших одинаково ориентированных магнитов.

Таким образом, в воздушном зазоре будет формироваться бегущее магнитное поле.

Можно показать, что для машины, изображённой на рис. 2 разность фаз

Как известно, одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноимённые - притягиваются. Сложив вектора всех действующих сил в системе получим результирующий вектор силы F, направленный вдоль оси вторичного элемента.

Рис. 2. Эквивалентная схема

Принцип действия линейного коаксиального двигателя.

Существует довольно много конструкций и разновидностей линейных электродвигателей. Одной из них является модификация линейной машины из плоского форм-фактора в цилиндрический. Такая конструкция получила название «коаксиальной» (в дословном переводе - соосная). Также, в некоторой литературе встречаются названия «трубчатая», «цилиндрическая» , а в английском языке «tubular linear motor» . В данном случае оба элемента имеют форму вытянутых цилиндров, продольные оси которых совпадают. Причём вторичный элемент находится непосредственно внутри индуктора. Цилиндрический форм-фактор может являться более приветственным для некоторых технических задач ввиду его компактности. К примеру, если требуется заменить гидро или пневмоцилиндры в некотором устройстве электрическим приводом.

Существует принципиальная разница между ранее рассмотренной схемой линейного двигателя и его коаксиальной модификацией. Разница эта заключается в способе замыкания магнитного потока двигателя. В первом случае поток замыкается поперечно, относительно вектора действующей силы. В коаксиальном же варианте магнитный поток замыкается продольно. Рассмотрим подробно устройство обеих частей коаксиального двигателя.

Индуктор состоит из магнитопровода, который, как правило, набирается из отдельных стальных шайб. В пазы шайб укладываются дисковые катушки, являющиеся обмотками возбуждения . Контакты для подключения к сети выводятся наружу, за периметр шайбы. Схематический чертёж элемента магнитопровода представлен на рис. 3.

Вторичный элемент коаксиального двигателя может быть выполнен в трёх различных вариантах: стержень, в котором постоянные магниты цилиндрической формы уложены одноимёнными полюсами друг к другу; стержень или же полая труба из ферромагнитного материала. В конструкции корпуса индуктора должны быть предусмотрены подшипники скольжения в торцевых крышках, необходимые для опоры и центрирования вторичного элемента. Также разработчиком должны быть предусмотрены уплотнения подвижного соединения, если того требуют условия эксплуатации. Цилиндрическая форма вторичного элемента удобна для использования его в качестве поршня в различных устройствах, например, компрессорах или даже линейных дизель-генераторах.

Рис. 3. Элемент магнитопровода коаксиального двигателя

Рассмотрим принцип функционирования коаксиального двигателя. На рис. 4 изображена упрощённая схема трёхфазной синхронной машины. Зелёным цветом показаны силовые линии магнитного поля штока. Как видно из рисунка, в плоскости соединения одноимённых полюсов соседних магнитов линии магнитной индукции направленны вертикально вверх. Соответственно пересекать обмотку дисковой катушки они будут перпендикулярно. Значит, подавая в каждую из фаз двигателя требуемое напряжение можно заставить вторичный элемент перемещаться в продольном направлении (в случае, если индуктор неподвижно закреплён).

Рис. 4. Пояснительная схема .

Заметим, что каждая фаза двигателя воздействует на «соседний» относительно своей катушки магнит, т.к. на магнит, находящийся непосредственно в месте геометрического центра дисковой катушки не будет действовать продольная сила, а значит сдвинуть его без начального импульса не представляется возможным.

Трубчатый форм-фактор даёт существенные преимущества, т.к. продольное замыкание магнитного потока между обмотками индуктора и магнитным штоком обеспечивает математически идеальную ориентацию магнитного поля.

Области применения линейных двигателей

Автоматические ленты (конвейеры)

В классической схеме конвейера лента должна быть натянута между двумя валиками, которые будут передавать ей движение. Причём передаваемое усилие будет зависеть от натяжения ленты между валиками, что вносит довольно существенные ограничения в конструкцию, а также дополнительные требования к прочности материала самой ленты . Ещё стоит отметить, что при непреднамеренном попадании в пятно контакта валиков и ленты различных рассыпчатых или смазочных материалов сцепление поверхностей существенно снизится. В случае использования линейного электродвигателя сообщаемое усилие не будет зависеть от натяжения ленты и сцепления поверхностей, а валики потребуется использовать только лишь в качестве опор. В этом случае на ленте должна быть закреплена полоса из проводящего материала, которая будет играть роль вторичного элемента двигателя.

Станкостроение

Широкое распространение получили линейные серводвигатели в отечественном и зарубежном станкостроении. Напомним, что сервоприводом называется система, состоящая из электромеханического привода, задачей которой является отслеживание заданного положения. Именно поэтому сервоприводы так востребованы в станкостроении. Во многих современных обрабатывающих комплексах требуется обеспечить поступательное движение рабочего органа по трём осям в пространстве. Работа ведётся именно в декартовых координатах. В качестве примера можно привести такое новое направление в развитии станкостроении как 3D принтеры. Так чем же линейный двигатель лучше традиционных решений в этой области, таких как ременные, реечные передачи, или же передачи типа «винт-гайка»? Подробно этот вопрос будет рассмотрен в следующем разделе данной статьи, а пока что кратко перечислим основные преимущества:

· отсутствие промежуточных узлов между двигателем и рабочем органом;

· увеличенная долговечность привода;

· простота обслуживания;

· повышенная точность позиционирования;

· высокие показатели скорости и ускорения .

Немного поясним вопрос точности позиционирования. Абсолютная точность, разрешающая способность, а также повторяемость привода поступательного движения зависит от устройства обратной связи. На сегодняшний день в свободной продаже доступны множества различных датчиков линейного перемещения, скорости и ускорения, а также необходимые для их работы контроллеры. В связи с этим вопрос о точности позиционирования, в основном, упирается в бюджет, закладываемый на разработку и производство привода. Помимо этого, требуется высокая полоса пропускания системы управления линейным приводом, но, опять же, ввиду распространённости высококачественной цифровой электроники, данная проблема вполне решаема.

Упаковочные, раздаточные механизмы на производстве.

Все вышеперечисленные преимущества линейных сервоприводов могут быть полезны в случае использования его не только лишь в составе обрабатывающего комплекса, но также и в качестве основного приводного механизма иного специализированного оборудования на производстве. Рассмотрим, в качестве примера, в составе каких устройств предлагает немецкая компания «Dunkermotoren» использовать свои коаксиальные сервоприводы (Рис. 5) .

А) Розлив жидкости по бутылкам;

Б) Транспортировка с одного конвейера на другой;

В) Упаковка продукта в тару;

Г) Толкатели для карусельного буфера.

Делая выводы из вышеперечисленных примеров, можно заключить, что применение линейного двигателя на производстве ограничено лишь разнообразием оснастки, устанавливаемой на подвижный элемент.

Рис. 5. Линейныйе двигатели на производстве .

Перспективные виды путевого транспорта

К таким видам транспорта можно отнести маглев (поезд на магнитной подушке), а также монорельсовую транспортную систему. В августе 2001 года в Москве началось строительство первой и единственной в городе ветки монорельсовой транспортной системы. Поскольку подвижный состав такой системы эксплуатируется на подвесной путевой балке, перед разработчиками встал вопрос минимизации массы данного состава. Учитывая, что монорельс эксплуатируется на открытом воздухе, в холодное время года может возникать проблема обледенения опорной балки, а вес лёгкого подвижного состава может оказаться недостаточным для обеспечения надёжного зацепления микровыступов. Кроме того, следует заметить, что маршрут линии проходит через густонаселённую городскую застройку, значит на транспорт накладываются ограничения по уровню издаваемого шума. Анализ этих задач приводит к выводу, что недопустимо на данном виде транспорта использовать классические поворотные тележки со стальными колёсами. Опоры было решено выполнить в виде прорезиненных катков, а в качестве движителя разработчиками инженерно-научного центра «ТЭМП» был спроектирован тяговый линейный асинхронный двигатель . В случае поезда на магнитной подвесной системе дело обстоит, в некотором роде, более однозначно, поскольку в данном случае колёсный движитель исключается по определению. Остаётся несколько возможных вариантов: реактивный двигатель, или же бесконтактный движитель, основанный на силовом взаимодействии электромагнитных полей. Реактивный двигатель отбрасывается по причине большого потребления топлива, а также недопустимо высокого уровня шума. Таким образом, линейный электродвигатель закрепил за собой право называться традиционным решением в качестве элемента, обеспечивающего движение поездов на магнитной подушке. В качестве примера можно привести японскую систему JR-Maglev, экспериментальный состав которой в 2003 году установил абсолютный рекорд скорости для железнодорожного транспорта в 581 км/ч с пассажирами на борту . Конкретно в данной системе, на корпус состава устанавливаются сверхпроводящие постоянные магниты, а благодаря электромагнитам, помещаемым вдоль трассы генерируется бегущее магнитное поле. Иллюстрация принципа действия системы приведена на рис. 6.

Рис. 6. JR-Maglev

Тяжёлая строительная техника

В и авторами рассматривается возможность создания ударного электромолота на базе линейного двигателя. Подобное устройство планируется применять для дробления горных пород, а также при дорожных и строительных работах для забивания свай. Конструкция такого рода установки приведена на рис. 7, где 1 - индуктор линейного двигателя, 2 - стрела молота, 3 - лебёдка, 4 - ударная часть молота. При забивании сваи, ударная часть молота может опускаться как под действием собственной силы тяжести, так и под действием суммы силы тяжести и силы, получаемой от линейного электродвигателя. Стрела молота опускается вниз при помощи лебёдки, по мере заглубления сваи. К преимуществам электромолота перед стандартными решениями, такими как дизельный молот и гидромолот, можно отнести возможность быстрого реверса, а также широкий диапазон регулирования выходного усилия.

Лифты, элеваторы

В 2014 году немецким концерном «ThyssenKrupp» было объявлено о начале работ по проектированию безтросовой лифтовой системы, получившей имя «MULTI» . В рамках данной системы предполагается, что кабина будет оснащена двумя линейными электродвигателями - для вертикального и горизонтального перемещения соответственно. Данный подход может кардинально изменить представления о стандартной архитектуре высотных зданий. Также предполагается движение нескольких кабин внутри одной лифтовой шахты одновременно. Скорость движения кабины, по заявлениям разработчиков, будет составлять 5 (м/с), а линейный двигатель обеспечит его плавность. Идея о вышесказанном концепте звучит довольно авантюристично. Тем не менее, патент на схожую систему (вертикального перемещения) был зарегистрирован в 1993 году . Запатентованный безтросовый лифт имеет в составе своей конструкции один плоский линейный электродвигатель, индуктор которого неподвижно закреплён относительно лифтовой шахты, а вторичный элемент выполнен в виде полосы, закреплённой на кабине лифта. В неподвижном состоянии система не расходует энергию на удержание веса, вместо этого активизируется тормозной механизм. Помимо вышесказанного, известны патенты на стандартные тросовые лифты, в качестве тяговых приводов которых используются линейные двигатели плоского (1992 год) и коаксиального (1994 год) исполнения. В обоих перечисленных случаях вторичный элемент двигателя устанавливается непосредственно на противовесе.

Рис. 7. Линейный двигатель для сваезабивного молота .

Магнитогидродинамический (МГД) насос

МГД-насос - это устройство для перекачки электропроводящего вещества в жидком состоянии. Конструктивное исполнение такого устройства существенно отличается от рассмотренных выше схем линейных двигателей, тем не менее, принципиальная схожесть физических процессов, благодаря которым функционируют обе эти машины позволяют косвенным образом классифицировать МГД-насосы как отдельное подразделение линейных электродвигателей. Магнитогидродинамические насосы могут быть как постоянного, так и переменного тока. Кратко поясним принцип работы подобного устройства на примере МГД-насоса постоянного тока. На рис. 8 имеется: 1 - С-образный электромагнит, 2 - трубопровод с жидким металлом, 3 - электроды, приваренные к стенкам трубопровода. Через электроды подаётся постоянный ток, и, в области протекания этого тока формируется сила электромагнитного взаимодействия, проталкивающая металл далее по трубопроводу. Причём направление действия этой силы легко определить по известному правилу «левой руки». Преимуществами МГД-насосов являются: отсутствие вращающихся и трущихся деталей, возможность плавной регулировки расхода в широком диапазоне, простота эксплуатации и обслуживания, надёжность и безопасность в работе ввиду герметизации канала транспортируемой жидкости.

Рис. 8. МГД-насос постоянного тока .

Оружие

В следующих двух пунктах будут рассмотрены, так называемые, линейные двигатели больших ускорений. К данному классу двигателей не предъявляется таких стандартных требований как продолжительная работа в номинальном режиме, точность позиционирования, или же широкий диапазон регулировочных характеристик. Главный критерий качества таких машин - это то, какое максимальное ускорение они могут сообщить объекту управления. Несомненно, стрелковое оружие - одна из тех областей, где этот параметр играет немаловажную роль. Если представить линейный коаксиальный двигатель, вторичным элементом которого является кинетический снаряд, то мы получим ничто иное как электромагнитное орудие . Разница лишь в том, что снаряд, в отличие от типового вторичного элемента линейного асинхронного двигателя имеет меньшую длину, чем индуктор. Это накладывает определённые требования к управлению обмотками подобного ускорителя, а именно следующие - ток в дисковой катушке должен падать до нуля именно в тот момент, когда снаряд находится в её геометрическом центре. И в этот же момент должна включаться следующая по ходу движения снаряда катушка. Таким образом снаряд в стволе будет разгоняться непрерывно, а кроме того - центрироваться, благодаря известной форме силовых линий магнитного поля катушки. К преимуществам такого вида оружия можно отнести бесшумность и беспламенность.

Электромагнитное орудие не требует периодичной замены ствола так, как этого требует огнестрельное оружие. Отдача от выстрела меньше, чем у огнестрельного ввиду отсутствия дополнительного импульса, связанного с выходом пороховых газов. При условии герметизации электрических цепей стрельба может вестись практически в любой среде, так как для произведения выстрела не требуется наличие кислорода. Да и сам снаряд стоит дешевле. Но несмотря на все вышеперечисленные преимущества электромагнитное орудие данного типа так никогда и не было выпущено серийно. Основная причина этого - низкий КПД подобной машины, и, как следствие, высокое энергопотребление. Именно отсутствие компактного, но мощного источника электропитания и по сей день является «камнем преткновения» в вопросе применения электродвигателей любых типов на мобильных автономных устройствах. На сегодняшний день известно применение линейного двигателя в качестве разгонного устройства для снарядов только лишь в экспериментальных, любительских установках. Хотя не отрицается перспектива использования подобного оружия в условиях космического пространства.

Стартовые катапульты

Задачей такого устройства является обеспечение максимальной начальной скорости вылета летательного аппарата с направляющей установки. Подобные системы, как правило, используются на авианосцах, а также в качестве переносного устройства запуска БПЛА. Наличие стартовой катапульты для БПЛА снимает необходимость во взлётной полосе, что является существенным преимуществом в плане мобильности аппарата. Как правило, приводы таких катапульт либо пороховые, либо основаны на применение упругих элементов. Недостатком порохового заряда является высокий уровень шума, издаваемого при воспламенении. Сила, сообщаемая от упругого элемента разгоняемому БПЛА, линейно уменьшается по мере прохождения дистанции разгона. Линейный электродвигатель лишён подобных недостатков, хотя его использование требует соответствующего энергоснабжения. Когда подобная система используется в составе авианесущего судна с ядерной силовой установкой указанная проблема энергоснабжения перестаёт быть проблемой.

Начиная с 2010 года ВМФ США проводит успешные испытания электромагнитной катапульты «EMALS» (ElectroMagnetic Aircraft Launch System), установленной в составе авианосца «Gerald R. Ford» . В ходе испытаний, тестовая тележка массой 3,6 тонны была разогнана до скорости в 333 (км/ч). Учитывая длину разгонной полосы в 91 метр, нетрудно посчитать, что сообщаемое ускорение примерно равняется 4,7g. Преимущества электромагнитной катапульты перед традиционной паровой заключаются в её лучших масса-габаритных параметрах, большей надёжности и меньшем энергопотреблении.

Элемент подвески транспортного средства

В 2004 году компания Bose® представила прессе результат своей 24-летней исследовательской работы - систему электромагнитной подвески для автомобиля . Особенность данной системы заключается в том, что функции упругого элемента, демпфера, а также системы обеспечения поперечной жёсткости были возложены на один единственный элемент - линейный электродвигатель (рис. 7).

Рис. 7. Линейный электродвигатель системы Bose® .

Благодаря своему форм-фактору, привод удачно интегрируется в конструкцию автомобиля, заменяя собой стандартный телескопическтий амортизатор. Таким образом обеспечивается независимая подвеска каждого колеса, благодаря чему имеется возможность регулировать поворачиваемость транспортного средства. Отработка неровностей дорожного полотна реализуется благодаря управляющим сигналам, сформированным быстродействующем контроллером, но помимо этого имеется возможность устранить продольные «клвеки» автомобиля при разгоне и торможении, а также ограничить боковой крен. Динамическая подвеска не требует точной ручной настройки. Все её рабочие параметры программируются управляющим контроллером. К основным преимуществам электромагнитной подвески перед другими системами адаптивного шасси относятся быстродействие и возможность рекуперации энергии. К примеру, пружинно-гидравлическая система «ABC» (Active Body Control) седанов Mercedes S-класса работает под высоким гидравлическим давлением (около 150 бар), которое поддерживается гидронасосом, отбирающим от двигателя мощность, порядка 20-25 кВт . Заметный перерасход горючего - в конечном счете на обогрев атмосферы.

Электромагнитная подвеска требует примерно такой же мощности, но и возвращает в бортовую сеть порядка 16-20 кВт. Разумеется, есть у данной системы и недостатки - энергия расходуется не только лишь во время движения, но и в статике на поддержание веса автомобиля. Следовательно, применять подобную систему рационально в условиях непрерывной работы амортизаторов, там, где действительно требуется динамика. Пока что серийный выпуск адаптивной подвески не запущен, но компания прогнозирует востребованность подобных систем на автомобилях класса «люкс». линейный двигатель электромеханический привод

Сравнение приводов поступательного движения

Рассмотрим преимущества и недостатки основных типов приводов поступательного движения, таких как: гидравлические, пневматические, линейные электродвигатели и механические передачи, преобразующие вращательное движение электромотора в поступательное. Под последним типом будут подразумеваться: ременная передача, реечная передача, а также шариковинтовая (ШВП) и роликовинтовая (РВП) передачи. Относительное сравнение приводится для механизмов возвратно-поступательного действия.

Для начала чуть подробнее остановимся на механических передачах. Известно, что высокооборотные машины обладают существенно лучшими массогабаритными показателями, чем их аналоги с низкими частотами вращения. Но большинство механизмов, для которых создаётся электропривод как правило требуют много меньших частот вращения или же скоростей перемещения. Механические передачи в составе электроприводов поступательного движения выполняют как минимум 2 функции - редуктора и преобразователя координаты. В свою очередь каждая из этих составляющих вносит негативные факторы в параметры привода. Редуктор значительно сказывается на массогабаритных параметрах привода. Масса редуктора составляет до 80% от общей массы исполнительного механизма. В автор приводит следующий пример: масса двигателя эскалатора метро М дв = 0.8 (т), редуктора - М ред = 18 (т). Кроме того, не стоит забывать, что чем сложнее механизм - тем большее количество изнашивающих элементов он в себя включает. Основную составляющую шума и вибраций даёт именно редуктор. Наличие редуктора ухудшает условия переходного процесса (Т эм). Механические передачи любого рода вносят кинематическую погрешность в систему привода. Несмотря на рассмотренные недостатки поступательные приводы, основанные на механических передачах, остаются распространённым решением в промышленности. Основная причина этого - относительная дешевизна и простота вышеупомянутых конструкций.

Перечисляя ниже преимущества и недостатки конкретных устройств учтём, что сравнение ведётся между системами поступательного движения в целом, а не между отдельными промежуточными элементами, такими как механические передачи. Следовательно, для справедливой оценки КПД такой системы, необходимо учесть в ней наличие движителя. Как правило, движителями механических передач возвратно-поступательного действия является электродвигатель вращения, среднестатистический КПД которого з = 85%. Данное значение перемножается на КПД механической передачи для получения общего значения КПД системы.

Таким образом:

1) Ременная передача. (общий КПД порядка 76%)

Преимущества:

· Высокая скорость;

· Низкая стоимость;

· Плавность и малошумность работы;

· Большой рабочий ход;

· Защита от перегрузок за счёт проскальзывания ремня;

Недостатки:

· Непостоянство передаточного отношения;

· Повышенная изнашиваемость;

· Значительные габариты;

· Необходимость защиты ремня от попадания масла;

2) Реечная передача (общий КПД порядка 82%)

Преимущества:

· Простота изготовления;

· Компактность;

· Большой рабочий ход;

· Надёжность;

Недостатки:

· Не осуществляет редукцию;

· Шум и вибрация;

· Вносит погрешности (кинематическую и мёртвого хода);

3) Шариковинтовая передача (общий КПД порядка 76%)

Преимущества:

· Высокое выходное усилие;

Недостатки:

· Требует смазки;

· Высокий уровень шума;

· Низкие скорости и ускорения;

· Мёртвый ход;

4) Роликовинтовая передача (общий КПД порядка 87%)

Преимущества:

· Высокое выходное усилие;

· Повышенная износостойкость;

· Высокая точность позиционирования;

Недостатки:

· Высокая стоимость и сложность изготовления элементов качения;

· Требует смазки;

5) Пневматический привод (общий КПД порядка 15%)

Преимущества:

· Низкая стоимость систем, работающих в релейном режиме;

· Высокие ускорения;

· Возможность применения в опасных средах;

· Большой срок службы;

Недостатки:

· Мягкая механическая характеристика;

· Малое быстродействие;

· Крайне низкий КПД;

· Высокий уровень шума.

6) Гидравлический привод (общий КПД порядка 81%)

Преимущества:

· Высокая удельная мощность;

· Большие выходные усилия;

· Жёсткие механические характеристики;

· Быстродействие;

Недостатки:

· Утечки рабочей жидкости;

· Требовательность к параметрам рабочей жидкости;

· Высокая стоимость;

· Повышенный износ;

7) Линейный электродвигатель (КПД может достигать 90-95%)

Преимущества:

· Высокие скорости и ускорения;

· Низкий уровень шума и вибраций;

· Высокое быстродействие;

· Не требует обслуживания;

· Всего один подвижный элемент во всей системе;

Недостатки:

· Небольшой рабочий ход;

· Небольшие выходные усилия;

· Требовательность к быстродействию управляющего контроллера.

Все вышесказанные достоинства и недостатки приводов поступательного движения можно свести в таблицу (табл. 1), сравнивая их по одноимённым параметрам. Ещё раз повторимся, что сравнение производится именно среди класса механизмов возвратно-поступательного движения, ибо нет смысла сравнивать между собой привод открытия/закрытия дверей железнодорожного вагона и тяговый двигатель самого состава. Это совершенно разные устройства, к которым предъявляются различные требования. На сегодняшний день производителями разработано огромное количество агрегатов в области линейного перемещения. Номенклатура их параметров крайне широка и в рамках обзорной работы не представляется возможным описать конкретные цифровые диапазоны для всех этих параметров. Кроме того, из года в год разработчики предлагают всё новые серии и модели своих устройств, тем самым расширяя разброс уже существующих параметров. Таким образом, данное в таблице 1 сравнение, базируется на общих преимуществах и недостатках каждого из видов приводов. Автор подчёркивает, что материалы таблицы 1 не являются пособием по выбору типа привода, но, в первую очередь, имеют демонстрационную, ознакомительную цель. Каждый параметр оценивается по шкале от 1 (*) до 5 (*****), где * - наихудшее значение и ***** - наилучшее значение соответственно.

Таблица 1. Сравнение приводов поступательного движения

Классификация линейных электродвигателей

Можно провести классификацию по общим признакам следующим образом:

· Синхронные/асинхронные;

· Малых/больших ускорений;

· Тяговые/позиционные;

· Пассивного/принудительного охлаждения;

· Нерегулируемые/управляемые;

· По конструкции.

В свою очередь, классификация по конструкции включает в себя обширную номенклатуру параметров. Обобщим ранее известные классификации, произведённые в , и приведём наиболее основополагающие из них (табл. 2).

Таблица 2. Классификация конструктивных параметров ЛД

Заключение

На сегодняшний день линейные электрические машины, являясь одной из наиболее перспективных ветвей развития приводов поступательного движения, успешно применяются в составе устройств общего и специального назначения. Несмотря на существенно более редкое использование линейных электродвигателей в промышленности по сравнению с двигателями вращательного движения, разновидности линейных машин крайне обширны, а новые модели непрерывно разрабатываются, постепенно вытесняя своих устаревших электромеханических конкурентов. Рассмотрев современные области применения, а также преимущества и недостатки линейных двигателей, можно сделать вывод о целесообразности их использования в нескольких случаях, а именно: в качестве основы для быстродействующего следящего привода малых усилий, или же в качестве тягового двигателя, в случае, когда использование иных движителей невозможно или же не рационально.

Список литературы

1. Козаченко Е.В. Линейные тяговые электродвигатели. М.: Информэлектро, 1984. 72с.

2. Москаленко В.В. Электродвигатели специального назначения. - М.: Энергоиздат, 1981. - 104 с., ил.- (Библиотека электромонтёра. Выпуск 522).

3. Servo Tube - Series ST Technology. Брошюра Dunkermotoren. DIN EN ISO 9001:2008

4. Черных И.В., Сарапулов Ф.Н. Основы теории и моделирование линейного асинхронного двигателя как объекта управления. Екатеринбург: УГТУ, 1999, 229с.

5. R. Luis, J.C.Quadrado. PM tubular synchronous motor modelling. ISEL R. Conselheiro Emнdio Navarro, 1950-072 LISBOA PORTUGAL.

6. Конструкция линейных электродвигателей [Видеозапись]: учебное пособие/режиссёр И.Дубинская; автор сценария Р.Тээметс - М.: Союзфильм, 1985. - .9 мин.

7. Конвейеры: Справочник/Р.А.Волков, А.Н.Гнутов, В.К.Дьячков и др. Под общ. ред. Ю.А.Пертена. Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1984. 367с.

8. Серебреницкий П.П. Линейные двигатели нового поколения // Двигатель. 2000. №3(9) май-июнь. С. 46-48.

9. John McBrewster, Frederic P. Miller, Agnes F. Vandome. JR-Maglev. 2011. ID: 1218782, P.124. ISBN: 978-6-1337-1270-6

12. Ernest P. Gagnon, Jerome F. Jaminet, Eric G. Olsen. Elevator driven by a flat linear motor: пат. US5086881 A США. 11 фев 1992

13. Yoshinori Nakanishi. Tubular linear motor driven elevator: пат. US5300737 A США. 5 апр 1994.

14. Michael R. Doyle, Douglas J. Samuel, Thomas Conway, Robert R. Klimowsk. Electromagnetic Aircraft Launch System - EMALS. Aircraft Div., Naval Air Warfare Center, Lakehurst, NJ. IEEE Transactions on Magnetics (Impact Factor: 1.39). 02/1995; 31(1):528 - 533. DOI: 10.1109/20.364638. Source: IEEE Xplore.

15. Свечарник Д.В. Электрические машины непосредственного привода: Безредукторный электропривод. - М.: Энергоатомиздат, 1988.- 208 с.:ил.

16. Соколов М.М., Сорокин Л.К. Электропривод с линейными асинхронными двигателями. - М.: «Энергия», 1974 -136 с.: ил.

17. Черногоров Е. Механические передачи. - Челябинск, 2013. - 87с.

18. Пневматические устройства и системы в машиностроении. Справочник. -- Под общ. редакцией Е.В. Герц. -- М.: Машиностроение, 1981. -- 408 с.

Аннотация

В статье представлен обзор линейных электрических машин. Сформулировано определение понятия линейного электродвигателя. Рассмотрены принципы действия плоского и коаксиального линейных двигателей. Перечислены их существующие отрасли применения. Дано сравнение линейных электродвигателей с другими электромеханическими, гидравлическими и пневматическими приводами возвратно-поступательного движения. В результате сравнения выявлены преимущества и недостатки линейных электрических машин. Также, приведена классификация различных типов и конструктивных исполнений линейных электродвигателей. По результатам сравнительного анализа даны рекомендации к использованию машин данного класса в различных областях промышленности.

Ключевые слова : линейные электродвигатели, приводы поступательного движения, бесколлекторные электрические машины.

The paper contains linear electric motors review. The definition of the linear motor concept has been formulated. Principles of action of a flat and tubular linear motors has been considered. Listed their existing usage areas. A comparison of linear electric motors with another electrico-mechanical, hydraulic and pneumatic reciprocating motion mechanisms has been given. In the result of comparison advantages and disadvantages of linear electric machines has been identified. Also, the classification of different types and designs of linear motors has been shown. In the result of comparative analysis recommendations for the use of existing type machines at various industries has been given.

Keywords: Linear electric motors, translational mechanisms, brushless electric machines.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Защита электродвигателей в процессе их эксплуатации. Аварийные режимы работы электродвигателей. Виды защиты асинхронных электродвигателей. Электрические аппараты, применяемые для защиты электродвигателей. Схема электроснабжения ГУП ППЗ "Благоварский".

отчет по практике , добавлен 13.08.2012


История открытия и создания двигателей постоянного тока. Принцип действия современных электродвигателей. Преимущества и недостатки двигателей постоянного тока. Регулирование при помощи изменения напряжения. Основные линейные характеристики двигателя.

курсовая работа , добавлен 14.01.2018


Принцип действия асинхронного двигателя. Устройство асинхронных электродвигателей с фазным ротором. Схемы присоединения односкоростных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Режимы работы электродвигателей, их монтаж и центровка.

презентация , добавлен 29.04.2013


Составление расчетных схем. Определение сил, действующих на гидродвигатель. Вычисление нагрузки на исполнительный гидравлический двигатель. Расход рабочей жидкости и полезных перепадов давлений для силовых цилиндров возвратно-поступательного движения.

курсовая работа , добавлен 26.10.2011


Характеристика цеха ООО "Статор". Расчет электрических сетей напряжением 0,4 кВ. Технология ремонта электродвигателей. Установка для пропитки статоров асинхронных электродвигателей. Пожарная опасность технологических процессов и меры профилактики.

дипломная работа , добавлен 11.07.2012


Основные цели проведения пуско-наладочных работ. Объемы, нормы и методика испытаний. Проверка возможности включения электродвигателей в работу без предварительной ревизии и сушки. Снятие электрических характеристик на холостом ходу и под нагрузкой.

отчет по практике , добавлен 13.11.2016


Параметры электродвигателей, предельная длительно допускаемая температура обмотки статора. Гидрозащита погружных электродвигателей, их маркировка. Устройства комплектные серии ШГС 5805. Определение глубины подвески c помощью кривых распределения.

презентация , добавлен 03.09.2015


Разработка лабораторной установки для исследования характеристик электродвигателей постоянного тока с различными видами возбуждения. Элементы конструкции тягового электродвигателя. Угловая скорость вращения якоря. Способы регулирования возбуждения.

курсовая работа , добавлен 16.03.2013


Расчет токов короткого замыкания. Расчет уставок токовых защит линии электропередач, защит трансформаторов и высоковольтных асинхронных электродвигателей. Самозапуск электродвигателей и защита минимального напряжения. Автоматическое включение резерва.

курсовая работа , добавлен 19.11.2013


Устройства релейной защиты и автоматики. Расчет токов короткого замыкания. Защита питающей линии электропередач. Защиты трансформаторов и электродвигателей. Самозапуск электродвигателей и защита минимального напряжения. Автоматическое включение резерва.

Проект аксиального двигателя внутреннего сгорания конструкции Г.И. Смоллбоуна никого не заинтересовал и остался в виде набора чертежей. Тем не менее, идея не пропала. Вскоре появились аналогичные проекты, оказавшиеся более успешными. В конце первого десятилетия прошлого века тематикой аксиальных двигателей занялся американский инженер У.Г. Макомбер. Благодаря удачной конструкции и рвению своего создателя новый аксиальный двигатель даже дошел до серийного производства и использования на практике.

Уолтер Гленн Макомбер с детства проявлял интерес к инженерному делу. К примеру, в 14 лет он из подручных материалов собрал простейший паровой двигатель, который, однако, развивал достаточно высокую для самоделки мощность. В дальнейшем Макомбер предложил несколько других изобретений, пригодных для использования в различных сферах. В конце первого десятилетия XX века изобретатель занялся созданием аксиального двигателя внутреннего сгорания. Макомбер видел ситуацию в области двигателестроения и, по-видимому, желал принять участие в развитии конструкций моторов.

Общая схема двигателя Макомбера

В 1909 году У.Г. Макомбер подготовил комплект чертежей и собрался патентовать свое изобретение. Кроме того, он основал собственную фирму, которая в дальнейшем должна была заниматься производством новых двигателей. Мастерские компании Macomber Rotary Engine Company расположились в Лос-Анджелесе. Планировалось освоить сборку новых моторов, и, в перспективе, заключить контракты на их поставку таких изделий производителям автомобильной или авиационной техники.

По некоторым данным, первая заявка на патент была подана Макомбером в 1909 году. Тем не менее, в большинстве материалов по этой теме фигурируют более поздние документы. К примеру, одна из заявок была подана в апреле 1911 года и привела к получению патента в октябре 1912-го. Кроме того, усовершенствованный вариант аксиального двигателя был запатентован в 1916 году. Таким образом, У.Г. Макомбер заботился о своих изобретениях, постоянно подавая заявки на патентование усовершенствованных версий нового двигателя.

Несмотря на добавление или изменение различных деталей, аксиальные двигатели Макомбера в целом имели схожую архитектуру. Дорабатывались различные узлы, но компоновка, количество цилиндров, способ управления мощностью и т.д. оставались одинаковыми. Изобретатель предложил использовать блок из семи цилиндров с воздушным охлаждением. Двигатель был построен по аксиальной схеме с вращающимся блоком цилиндров. Макомбер посчитал, что такая система позволит улучшить охлаждение цилиндров за счет постоянного обдува без использования дополнительных вентиляторов.

Чертежи из патента 1912 г. Изображения Theoldmotor.com

Конструкция аксиального двигателя Макомбера условно разделялась на две основные части: картер с шайбовым механизмом и блок цилиндров. Кроме того, в составе двигателя присутствовали некоторые другие агрегаты, закрепленные на основных узлах. За счет ряда оригинальных предложений автору проекта удалось значительно уменьшить размеры двигателя в сравнении с иными моторами того времени.

Аксиальный двигатель Макомбера оснащался семью цилиндрами, расположенными в одном блоке, параллельно с валом. Для лучшего охлаждения на внешней поверхности цилиндров предусматривалось оребрение. Такие «радиаторы» и постоянное вращение блока цилиндров, как ожидалось, должны были обеспечивать приемлемое охлаждение. Внутри цилиндров помещались поршни с шарнирно закрепленными шатунами. Применение шарниров было связано с оригинальной системой регулировки мощности двигателя путем изменения полного и рабочего объема цилиндра, а также степени сжатия.

Система впуска и выхлопа размещалась на головной части цилиндра. Для упрощения их конструкции Макомбер предложил использовать для подачи бензовоздушной смеси полый вал двигателя. Цилиндры соединялись с валом при помощи трубок, по которым происходила раздача смеси. Выхлоп производился через патрубки в окружающее пространство. На ранней версии двигателя общий выхлопной коллектор не предусматривался.

Попеременное открытие впускного и выхлопного клапана должно было осуществляться за счет специального механизма. Подпружиненные клапаны крепились в верхней части цилиндра, над ними имелось качающееся коромысло. На валу предусматривался кулачок сложной формы, который во время вращения должен был поднимать или опускать ближайший конец коромысла клапанов. При нажатии на коромысло утапливался впускной клапан, при подъеме – выхлопной.

При помощи шатунов поршни цилиндров были связаны с шайбовым механизмом. Основной деталью последнего была планшайба сложной формы. На шарнире, расположенном на продольной оси двигателя, крепилось опорное кольцо с подшипником для маховика с креплениями для шатунов. Во время работы двигателя шатуны должны были проворачивать и качать маховик. За счет жесткого закрепления некоторых деталей вращался не только маховик, но и блок цилиндров.

Возвратно-поступательное движение поршней преобразовывалось во вращение главного вала в соответствии с принципом работы механизма «планшайба-стержни». При этом, однако, с валом был жестко связан не качающийся маховик, а блок цилиндров. Таким образом, роль планшайбы в двигателе Макомбера фактически играли цилиндры. Тем не менее, как показала практика, подобная архитектура двигателя не оказывала серьезного влияния на его характеристики.

Большой интерес представляет система регулировки мощности и других параметров двигателя. Предполагалось, что новый мотор сможет работать в определенном диапазоне оборотов, мощности и крутящего момента. Для этого в его конструкцию был введен механизм изменения объема цилиндра. Примечательно, что на чертежах в патенте 1916 года подобные детали отсутствуют. Вероятно, было решено отказаться от специальных механизмов ввиду появления более совершенных коробок передач.

На главной раме двигателя или мотораме автомобиля/самолета предлагалось жестко крепить только картер шайбового механизма и систему изменения объема цилиндров. Блок цилиндров при этом связывался с последней. При необходимости водитель или пилот должен был сдвигать специальный рычаг. При этом две зубчатые передачи (в некоторых вариантах проекта – одна) должны были сводить друг к другу или разводить в стороны блок цилиндров и маховик шайбового механизма. За счет этого можно было изменить рабочий объем цилиндра, степень сжатия смеси и другие параметры. При разведении цилиндров и маховика в стороны мощность двигателя падала, при сведении – росла.

Аэроплан Ч. Уолша в полете, май 1911 г. Фото Cynthiashidesertblog.blogspot.ru

По чертежам, подававшимся вместе с заявкой на патент, был выполнен аксиальный двигатель Macomber Model A. Этот мотор предлагался для использования на автомобилях и самолетах. Следует отметить, что предложенный двигатель был интересен в первую очередь именно как силовая установка для летательных аппаратов. Он имел сравнительно малый вес и небольшие габариты при достаточно высокой мощности. При определенных обстоятельствах двигатель Макомбера вполне мог стать реальной альтернативой звездообразным ротативным двигателям того времени.

В рекламном буклете двигателя Model A сообщалось, что он развивает мощность до 50-60 л.с. при 800-1400 оборотах в минуту. Семь цилиндров двигателя имели внутренний диаметр 4,25 дюйма. Максимальный ход поршней составлял 4,25 дюйма. При необходимости последний мог изменяться. Отмечались крайняя простота клапанного механизма цилиндров, отсутствие движущихся деталей в системе подачи смазки и другие особенности конструкции. Также в качестве преимущества представлялись малые габариты и вес. Максимальный диаметр двигателя составлял 19 дюймов (48,25 см), длина – 34 дюйма (86,36 см), а масса с дополнительным оборудованием не превышала 250 фунтов (113,4 кг). Для установки воздушного винта имелся вал длиной 6 дюймов (15,24 см).

Фирма Macomber Rotary Engine Company планировала собирать новые двигатели под заказ. Цена одного комплекта составляла 2 тыс. долларов. При заказе моторов покупателю следовало внести четверть стоимости контракта. Остальная сумма передавалась производителю после сдачи заказа.

Объемы производства двигателей Model A неизвестны. По разным данным, было собрано не более нескольких десятков таких изделий. Известно, что, как минимум, один подобный двигатель использовался в авиации. В мае 1911 года американский пионер авиации Чарльз Уолш поднял в воздух очередной свой самолет, оснащенный двигателем Макомбера. Иные случаи использования подобных моторов на практике неизвестны.

В 1914 году У.Г. Макомбер занялся продвижением двигателя своей конструкции в автомобильной сфере. Уже в 1915-м появился первый автомобиль с аксиальным двигателем. Опытный образец имел классическую для машин того времени компоновку со сравнительно длинным моторным отсеком и сиденьями, расположенными над задней осью. При этом особая конструкция двигателя позволила заметно сократить размеры капота и придать ему характерную форму.

Первый автомобиль с двигателем Макомбера, 1915 г. Фото Cynthiashidesertblog.blogspot.ru

В дальнейшем Компания Macomber Rotary Engine разработала и предложила потенциальным покупателям несколько вариантов автомобиля с аксиальным двигателем. Дальнейшее совершенствование конструкции мотора позволило повысить характеристики без заметного роста габаритов. Более того, удалось даже сократить размеры двигателя. Так, в 1916 году был предложен автомобиль с нехарактерно небольшим моторным отсеком. При сохранении традиционных для того времени обводов капот вмещал двигатель необходимой мощности.

Автомобиль Eagle-Macomber, 1916 г. Фото Theoldmotors.com

На автомобиле с уменьшенным капотом использовался новый вариант двигателя с пятью цилиндрами. Патент на такую версию мотора был получен в ноябре 1916 года. Автомобильный вариант двигателя имел пять цилиндров, расположенных вокруг центрального главного вала. Общее строение и принцип работы остались прежними, однако были доработаны некоторые отдельные элементы. К примеру, маховик закрепили на опорном кольце, теперь жестко соединенном с картером механизма. Также были изменены некоторые другие узлы.

Пятицилиндровый двигатель Макомбера

Пятицилиндровый аксиальный двигатель получил новый кожух-корпус. Все агрегаты помещались в корпус, состоявший из нескольких цилиндрических поверхностей разного диаметра. Кроме того, со стороны блока цилиндров на корпусе имелся раструб воздухозаборника. Во время работы через него должен был поступать воздух, используемый для охлаждения цилиндров. К выхлопным патрубкам цилиндров добавили трубки, расположенные параллельно продольной оси двигателя. По этим трубкам газы должны были поступать в специальный коллектор, расположенный вокруг шайбового механизма. Нагретый цилиндрами воздух и выхлопные газы в итоге попадали в изогнутый канал и выбрасывались через специальный патрубок.

Чертежи из патента 1916 г. Изображения Theoldmotor.com

Автомобили с аксиальными двигателями выпускались под маркой Eagle-Macomber. В силу разных причин они не пользовались большой популярностью и производились исключительно под заказ. По имеющимся данным, в общей сложности было построено не более полусотни машин «Игл-Макомбер», вскоре переданных заказчикам. Количество выпущенных моторов вряд ли сильно отличается от числа автомобилей.

Фирма Macomber Rotary Engine Company работала до 1918 года. Из-за низкого спроса на свою продукцию, как на автомобили, так и на двигатели, она была вынуждена свернуть производство. К этому времени массовые попытки разработать новый тип двигателя почти полностью прекратились. В автомобильной сфере свое место прочно заняли рядные двигатели, а в авиации закрепились звездообразные. В дальнейшем в двигателестроении наблюдались разные тенденции, но аксиальные двигатели так и не смогли получить широкого распространения. Не видя перспектив, У.Г. Макомбер оставил это направление и занялся более перспективными проектами.

По материалам сайтов:
http://douglas-self.com/
http://theoldmotor.com/
http://cynthiashidesertblog.blogspot.ru/
http://american-automobiles.com/
http://freepages.genealogy.rootsweb.ancestry.com/

Мы привыкли к классическому дизайну двигателей внутреннего сгорания, который, по сути, существует уже целый век. Быстрое сгорание горючей смеси внутри цилиндра приводит к увеличению давления, которое толкает поршень. Тот, в свою очередь, через шатун и кривошип крутит вал. Если мы хотим сделать двигатель мощнее, в первую очередь нужно увеличивать объём камеры сгорания. Увеличивая диаметр, мы увеличиваем вес поршней, что отрицательно сказывается на результате. Увеличивая длину, мы удлиняем и шатун, и увеличиваем весь двигатель в целом. Или же можно добавить цилиндров - что, естественно, также увеличивает результирующий объём двигателя. С такими проблемами столкнулись инженеры ДВС для первых самолётов. Они, в конце концов, пришли к красивой схеме «звездообразного» двигателя, где поршни и цилиндры расположены по кругу относительно вала через равные углы. Такая система хорошо охлаждается потоком воздуха, но очень уж она габаритная. Поэтому поиски решений продолжались.

Первый аксиальный двигатель

Гениальный и слегка безумный инженер, изобретатель, конструктор и бизнесмен Джон Захария Делореан мечтал построить новую автомобильную империю в пику существующим, и сделать совершенно уникальный «автомобиль мечты». Все мы знаем машину DMC-12, которую называют просто DeLorean. Она не только стала звездой экрана в фильме «Назад в будущее», но и отличалась уникальными решениями во всём - начиная от алюминиевого кузова на плексигласовом каркасе и заканчивая дверями «крылья чайки». К сожалению, на фоне экономического кризиса производство машины не оправдало себя. А затем Делореан долго судился по подложному делу о наркотиках. Но мало кто знает, что Делореан хотел дополнить уникальный внешний вид машины ещё и уникальным мотором - среди найденных после его смерти чертежей были и чертежи аксиального ДВС. Судя по его письмам, он задумал такой двигатель ещё в 1954 году, а всерьёз принялся за разработку в 1979-м. В двигателе Делореана было три поршня, и они располагались равносторонним треугольником вокруг вала. Но каждый поршень был двусторонним - каждый из концов поршня должен был работать в своём цилиндре. По каким-то причинам рождение двигателя не состоялось - возможно, потому, что разработка автомобиля с нуля вышло достаточно сложным предприятием. На DMC-12 устанавливали 2,8-литровый двигатель V6 совместной разработки Peugeot, Renault и Volvo мощностью 130 л. с.

Экзотический вариант аксиального двигателя - «двигатель Требента»

Тем не менее, такие двигатели не получили широкого распространения - в большой авиации постепенно состоялся переход на турбореактивные двигатели, а в автомобилях по сию пору используется схема, в которой вал перпендикулярен цилиндрам. Интересно только, почему такая схема не прижилась в мотоциклах, где компактность пришлась бы как раз кстати. По-видимому, они не смогли предложить какой-либо существенной выгоды по сравнению с привычным нам дизайном. Сейчас такие двигатели существуют, но устанавливаются в основном в торпедах - благодаря тому, как хорошо они вписываются в цилиндр.

Главная отличительная черта аксиального ДВС - компактность. Кроме того, в его возможности входит изменение степени сжатия (объёма камеры сгорания) просто путём изменения угла наклона шайбы. Шайба качается на валу благодаря сферическому подшипнику.

Сейчас компания доводит двигатели до коммерческого применения. В наш век отработанных технологий, диверсификации, экономии на масштабе и т.п. сложно представить, как можно серьёзно повлиять на индустрию. В Duke Engines, по-видимому, это тоже представляют, поэтому намереваются предлагать свои двигатели для моторных лодок, генераторов и малой авиации.

Аксиальный ДВС Duke Engine

Мы привыкли к классическому дизайну двигателей внутреннего сгорания, который, по сути, существует уже целый век. Быстрое сгорание горючей смеси внутри цилиндра приводит к увеличению давления, которое толкает поршень. Тот, в свою очередь, через шатун и кривошип крутит вал.

Классический ДВС

Если мы хотим сделать двигатель помощнее, в первую очередь нужно увеличивать объём камеры сгорания. Увеличивая диаметр, мы увеличиваем вес поршней, что отрицательно сказывается на результате. Увеличивая длину, мы удлиняем и шатун, и увеличиваем весь двигатель в целом. Или же можно добавить цилиндров — что, естественно, также увеличивает результирующий объём двигателя.

С такими проблемами столкнулись инженеры ДВС для первых самолётов. Они, в конце концов, пришли к красивой схеме «звездообразного» двигателя, где поршни и цилиндры расположены по кругу относительно вала через равные углы. Такая система хорошо охлаждается потоком воздуха, но очень уж она габаритная. Поэтому поиски решений продолжались.

В 1911 году Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса представила первый из аксиальных (осевых) ДВС . Их ещё называют «бочковыми», двигателями с качающейся (или косой) шайбой. Оригинальная схема позволяет разместить поршни и цилиндры вокруг основного вала и параллельно ему. Вращение вала происходит за счёт качающейся шайбы, на которую поочерёдно давят шатуны поршней.

У двигателя Макомбера было 7 цилиндров. Изготовитель утверждал, что двигатель был способен работать на скоростях от 150 до 1500 об/мин. При этом на 1000 об/мин он выдавал 50 л.с. Будучи изготовлен из доступных в то время материалов, он весил 100 кг и имел размеры 710×480 мм. Такой двигатель был установлен в самолёт авиатора-первопроходца Чарльза Фрэнсиса Уолша «Серебряный дротик Уолша».

Гениальный и слегка безумный инженер, изобретатель, конструктор и бизнесмен Джон Захария Делореан мечтал построить новую автомобильную империю в пику существующим, и сделать совершенно уникальный «автомобиль мечты». Все мы знаем машину DMC-12, которую называют просто DeLorean. Она не только стала звездой экрана в фильме «Назад в будущее», но и отличалась уникальными решениями во всём — начиная от алюминиевого кузова на плексигласовом каркасе и заканчивая дверями «крылья чайки». К сожалению, на фоне экономического кризиса производство машины не оправдало себя. А затем Делореан долго судился по подложному делу о наркотиках.

Но мало кто знает, что Делореан хотел дополнить уникальный внешний вид машины ещё и уникальным мотором — среди найденных после его смерти чертежей были и чертежи аксиального ДВС. Судя по его письмам, он задумал такой двигатель ещё в 1954 году, а всерьёз принялся за разработку в 1979-м. В двигателе Делореана было три поршня, и они располагались равносторонним треугольником вокруг вала. Но каждый поршень был двусторонним — каждый из концов поршня должен был работать в своём цилиндре.

Чертёж из тетради Делореана

По каким-то причинам рождение двигателя не состоялось — возможно, потому, что разработка автомобиля с нуля вышло достаточно сложным предприятием. На DMC-12 устанавливали 2,8-литровый двигатель V6 совместной разработки Peugeot, Renault и Volvo мощностью 130 л. с. Пытливый читатель может изучить сканы чертежей и заметок Делореана на этой странице .

Экзотический вариант аксиального двигателя - «двигатель Требента»

Тем не менее, такие двигатели не получили широкого распространения — в большой авиации постепенно состоялся переход на турбореактивные двигатели, а в автомобилях по сию пору используется схема, в которой вал перпендикулярен цилиндрам. Интересно только, почему такая схема не прижилась в мотоциклах, где компактность пришлась бы как раз кстати. По-видимому, они не смогли предложить какой-либо существенной выгоды по сравнению с привычным нам дизайном. Сейчас такие двигатели существуют, но устанавливаются в основном в торпедах — благодаря тому, как хорошо они вписываются в цилиндр.

Вариант под названием "Цилиндрический энергетический модуль " с двусторонними поршнями. Перпендикулярные штоки в поршнях описывают синусоиду, двигаясь по волнистой поверхности

Главная отличительная черта аксиального ДВС — компактность. Кроме того, в его возможности входит изменение степени сжатия (объёма камеры сгорания) просто путём изменения угла наклона шайбы. Шайба качается на валу благодаря сферическому подшипнику.

Однако новозеландская компания Duke Engines в 2013 году представила свой современный вариант аксиального ДВС. В их агрегате пять цилиндров, но всего лишь три форсунки для впрыска топлива и — ни одного клапана. Также интересной особенностью двигателя является тот факт, что вал и шайба вращаются в противоположных направлениях.

Внутри двигателя вращаются не только шайба и вал, но и набор цилиндров с поршнями. Благодаря этому удалось избавиться от системы клапанов — движущийся цилиндр в момент зажигания просто проходит мимо отверстия, куда впрыскивается топливо и где стоит свеча зажигания. На стадии выпуска цилиндр проходит мимо выпускного отверстия для газов.

Благодаря такой системе количество необходимых свечей и форсунок получается меньшим, чем количество цилиндров. А на один оборот приходится в сумме столько же рабочих ходов поршня, как у 6-цилиндрового двигателя обычного дизайна. При этом вес аксиального двигателя на 30% меньше.

Кроме того, инженеры из Duke Engines утверждают, что и степень сжатия их двигателя превосходит обычные аналоги и составляет 15:1 для 91-го бензина (у стандартных автомобильных ДВС этот показатель равен обычно 11:1). Все эти показатели могут привести к уменьшению расхода топлива, и, как следствие — к уменьшению вредного воздействия на окружающую среду (ну или к увеличению мощности двигателя — в зависимости от ваших целей).

Сейчас компания доводит двигатели до коммерческого применения. В наш век отработанных технологий, диверсификации, экономии на масштабе и т.п. сложно представить, как можно серьёзно повлиять на индустрию. В Duke Engines, по-видимому, это тоже представляют, поэтому намереваются предлагать свои двигатели для моторных лодок, генераторов и малой авиации.

Демострация малых вибраций двигателя Duke

Владельцы патента RU 2477559:

Изобретение относится к области электротехники и энергетического машиностроения, а именно - к асинхронным электрическим двигателям с короткозамкнутым ротором, и может быть использован, например, для привода мощных насосов. Предлагаемый аксиальный электрический двигатель выполнен стационарным, открытым на участке земли, корпус его составлен из нижнего пояса, включающего фундаментную плиту с нижним опорным узлом, и верхнего пояса, включающего скрепленную с фундаментом звездообразную сферическую ферму, составленную симметрично из упорных балок, стянутых в центре осевым опорно-центровочным узлом. Между нижним опорным узлом и осевым опорно-центровочным узлом установлено рабочее колесо большого диаметра, на торце которого закреплен собственно короткозамкнутый ротор, отделяемый воздушным зазором от магнитопровода статора, сооруженного на фундаментной плите на подиуме. Вал рабочего колеса вверху соединяют с нагрузкой посредством муфты. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в обеспечении вращающих моментов большой величины в диапазоне угловых скоростей вращения 50-500 об/мин аксиального электрического двигателя при одновременном упрощении его конструкции. 3 ил.

Изобретение относится к нетрадиционной электроэнергетике, а более конкретно к электрическим асинхронным двигателям переменного тока с короткозамкнутым ротором.

Известен аксиальный электрический двигатель переменного тока, содержащий закрытый корпус с узлами крепления к опоре, размещенный в нем неподвижный статор, состоящий из сердечника с обмоткой и подвижный (вращающийся) короткозамкнутый ротор с горизонтальной осью вращения, установленный в подшипниках фланцев с обеих сторон статора, скрепленных с корпусом. Такой двигатель может быть установлен в любом положении в пространстве и не привязан к одному месту. Такие электрические двигатели хорошо освоены промышленностью, выпускаются различной номенклатуры и широко применяются. См., например, книгу Проектирование электрических машин, авторы И.П.Копылов, Б.К.Клоков и др. изд. «Высшая школа», 2002 г., Москва, стр.29-32.

Недостаток таких двигателей - малые высоты оси вращения роторов, ограничивающие наружный диаметр сердечника статора и не позволяющего достигать большей мощности.

Близкого прототипа к заявляемой конструкции в специальной технической литературе и патентном фонде не найдено.

Цель изобретения - создание специального электрического аксиального двигателя переменного тока простой конструкции с ротором большого диаметра (порядка нескольких метров и более) с частотой вращения 50-300 об/мин, развивающего момент вращения большой величины.

Поставленная цель достигается тем, что двигатель выполнен на участке земли недвижимым стационарным открытым с неподвижным статором и подвижным (вращающимся) рабочим колесом с вертикальной осью вращения, корпус его с нижним и верхним опорными узлами выполнен горизонтальным фундаментом в виде круга, по окружности которого сооружен кольцевой подиум с укрепленной на нем сверху выверенной горизонтальной установочной плитой, на которой собран кольцевой сердечник магнитопровода статора высотой h из шихтованной электротехнической стали, спрессованный прижимной плитой и стянутый рядами шпилек с установочной плитой, в пазы сердечника уложена обмотка статора, рабочее колесо состоит из вертикального вала и радиально-последовательно скрепленных с ним в горизонтальной плоскости ступицы, диска-фермы и собственно короткозамкнутого ротора, нижняя часть вала установлена в центре окружности фундамента в нижнем опорном узле в подшипниках масляной ванны, верхняя часть вала установлена в верхнем опорном узле, состоящем из упорных колонн, упорных балок и осевого опорно-центровочного узла, в котором упорные колонны сооружены симметрично вокруг подиума с равным промежутком между ними с усиленным фундаментом, соединенным монолитно с фундаментом, вверху снабжены крепежными элементами, которыми скреплены внешними концами упорные балки, а внутренние концы их скреплены с осевым опорно-центровочным узлом, снабженным радиальными подшипниками, в котором установлена верхняя часть вала рабочего колеса, соединенная посредством муфты сцепления с потребителем, ступица выполнена в виде диска и соединена в центральной части с валом посредством узла передачи момента вращения, а с внешней с диском-фермой диаметром несколько метров и более, состоящего из радиально-кольцевого объемного жесткого каркаса с верхней и нижней обшивкой, снабженного в периферийной торцевой части собственно короткозамкнутым ротором, выполненным из цилиндра алюминиевого сплава радиальной толщины z с наружным радиусом R от оси вала, высотой h, снабженного внедренными в него через равный интервал «заподлицо» с наружной торцевой поверхностью стержнями из медного сплава, соединенными монолитно сверху и снизу медными шинами в виде обручей, жестко соединенными с радиально-кольцевым каркасом, рабочее колесо по высоте установлено так, что его собственно короткозамкнутый ротор находится напортив сердечника статора и совпадает с ним по высоте, при этом их разделяет по всей окружности цилиндра воздушный зазор величиной δ, обмотку статора соединяют с внешним источником тока.

Конструкция асинхронного электрического двигателя показана на представленных чертежах. На фиг.1 показана схематически конструкция аксиального электрического двигателя, общий вид, разрез по вертикальной диаметральной плоскости («А-А»). На фиг.2 показана схематически конструкция аксиального электрического двигателя, вид сверху. На фиг.3 схематически показана активная индуктивная часть рабочего колеса аксиального электрического двигателя, разрез по вертикальной радиальной плоскости.

Условные обозначения в тексте.

R - (м) радиус ротора аксиального электрического двигателя, расстояние от оси вала до наружной поверхности цилиндра из алюминиевого сплава,

z - (мм) радиальная толщина цилиндра из алюминиевого сплава,

h - (мм) высота сердечника статора, высота цилиндра из алюминиевого сплава собственно ротора (в технической литературе эта величина обозначается символом, т.к. направлена вдоль оси машины),

δс - (мм) величина воздушного зазора между статором и ротором в длительном стояночном положении при низкой температуре окружающей среды.

δр - (мм) величина воздушного зазора между статором и ротором в рабочем состоянии (длительный установившийся режим работы при номинальных оборотах, номинальном токе, номинальной или повышенной температуре).

Позиции на чертежах.

Аксиальный электрический двигатель устроен (см. фиг.1, 7). На некотором участке 1 земли подготавливают горизонтальную площадку, размером порядка 1,5 R, на ней выполняют горизонтальный фундамент 2. В соответствии с документацией под будущим фундаментом прокладывают технологические туннели, трубопроводы, кабели и т.п., а в самом фундаменте устанавливают люки, анкеры, датчики оборудования. По окружности фундамента сооружают подиум 3, который снабжен анкерами для крепления установочной плиты 4, которая по всей ее наружной поверхности должна быть строго выверена в горизонтальной плоскости. На установочной плите 4 сооружают статор 5, кольцевой сердечник магнитопровода которого высотой h собирают из пластин шихтованной электротехнической стали и спрессовывают прижимной плитой 6 двумя рядами стягивающих шпилек 7. При сборке статора 5 выполняют условия: отсутствие заусенцев на пластинах статора и точное, в пределах 1-2 мм, соответствии внутреннего диаметра магнитопровода статора размеру (R+δp) мм, после чего в его пазы укладывают обмотку 8 статора, провода от которой подводят к источнику трехфазного тока.

Рабочее колесо 10 состоит из вертикального вала 9 и радиально-последовательно скрепленных с ним в горизонтальной плоскости ступицы, диска-фермы и собственно короткозамкнутого ротора. Ступица выполнена в виде диска и соединена в центральной части с валом 9 посредством узла передачи момента вращения, например, шпоночного или шлицевого соединения, а с внешней стороны с диском-фермой, выполненной радиально-кольцевым объемным каркасом с верхней и нижней обшивкой. Диск-ферма и ступица соединены посредством разъемного болтового соединения.

В периферийной торцевой части рабочее колесо 10 снабжено собственно короткозамкнутым ротором, который выполнен из цилиндра алюминиевого сплава 11 (см. фиг.3) радиальной толщины z, внешний радиус которого R от оси вала 9, высотой h, снабженного внедренными в него через равный интервал «заподлицо» с наружной торцевой поверхностью стержнями 12 из медного сплава, соединенными монолитно, например сваркой, сверху и снизу медными шинами 13 в виде обручей, жестко соединенными с радиально-кольцевым каркасом.

Рабочее колесо 10 аксиального электрического двигателя может быть выполнено разного размера, от диаметра порядка 1,5-2,5 м до десятков метров. От величины диаметра зависит его конструкция, применяемые материалы, технология изготовления, сборки и методы доставки потребителю. При малых размерах рабочего колеса 10 (фиг.1), его выполняют единым неразъемным узлом и транспортируют в специальной таре к месту сооружения аксиального электрического двигателя. При больших размерах рабочего колеса 10 его конструкция и технология изготовления усложняются в связи с необходимостью выполнения ряда противоречивых требований, что является предметом отдельных технических решений.

Рабочее колесо 10 устанавливают в центре круга фундамента 2. Нижняя часть его вала 9 установлена в нижнем опорном узле 14 в подшипниках опорно-масляной ванны. Верхний опорный узел с валом 9 выполнен следующим образом. На том же участке 1 земли за подиумом 3 по окружности с равным интервалом сооружают упорные колонны 15, которые выполняют монолитно с фундаментом 2, верхняя часть их снабжена крепежными элементами, например болтами, с которыми они соединяются с внешними концами упорных балок 1-6, внутренние концы которых также посредством болтового соединения скреплены с осевым опорно-центровочным узлом 17, снабженным радиальными подшипниками, в которые устанавливают верхнюю часть вала. 9. Количество упорных балок 16 зависит от диаметра рабочего колеса 10 и определяется в результате прочностного расчета корпуса, верхний опорный узел должен обеспечить жесткость всей конструкции аксиального электрического двигателя при максимальных вращающих моментах рабочего колеса 10.

Рабочее колесо 10 устанавливают так, чтобы его короткозамкнутый ротор высотой h был точно установлен напротив сердечника статора 5 и совпадал с ним по высоте h, при этом внешнюю поверхность короткозамкнутого ротора рабочего колеса 10 и внутреннюю поверхность магнитопровода статора 5 по всей окружности должен разделять установочный (стояночный) воздушный зазор δ с постоянной величины, ориентировочно 6-9 мм.

При создании рабочего колеса 10 на определенную частоту вращения и заданный вращающий момент необходимо выполнить не только расчет прочности в статике, но и динамический расчет, при этом учесть, что механические напряжения во всех узлах не должны превосходить предела прочности материала, а в наиболее опасных и важных конструктивных элементах - короткозамкнутых медных шинах-ободах не должны превосходить предела текучести меди.

Кроме того, радиальная деформация от махового момента центробежных сил (упругая деформация растяжения), суммированная с продольной деформацией от теплового удлинения в установившемся рабочем режиме при номинальной нагрузке, не должна превышать определенной величины, являясь в то же время полезной деформацией, уменьшающей воздушный зазор до величины δр, положительно влияющей на характеристики асинхронного электрического двигателя.

Аксиальный электрический двигатель работает: при включении обмотки 8 статора к источнику переменного электрического тока, в магнитопроводе сердечника статора 5 возникает вращающееся электромагнитное поле, которое взаимодействует с собственно короткозамкнутым ротором рабочего колеса 10 и вращает его с расчетной угловой частотой. Окружная сила, действуя на расстоянии R создает непрерывный момент вращения расчетной величины валу 9, который через муфту сцепления 18 приводит в действие нагрузку - насос большой производительности для подачи пульпы (тяжелая горная порода с водой) на агрегаты обогатительной фабрики.

Техническая эффективность изобретения в том, что создана конструкция экономичного аксиального электрического двигателя переменного тока, передающего нагрузке момент вращения значительной величины.

Аксиальный электрический двигатель переменного тока, содержащий закрытый корпус с узлами крепления к опоре, размещенный в нем неподвижный статор, состоящий из сердечника с обмоткой, и подвижный (вращающийся) короткозамкнутый ротор с горизонтальной осью вращения, установленный в подшипниках фланцев с обеих сторон статора, скрепленных с корпусом, отличающийся тем, что двигатель выполнен на участке земли недвижимым, стационарным открытым с неподвижным статором и подвижным (вращающимся) рабочим колесом с вертикальной осью вращения, корпус его, с нижним и верхним опорными узлами, выполнен горизонтальным фундаментом в виде круга, по окружности которого сооружен кольцевой подиум с укрепленной на нем сверху выверенной горизонтальной установочной плитой, на которой собран кольцевой сердечник магнитопровода статора высотой h из шихтованной электротехнической стали, спрессованный прижимной плитой и стянутый рядами шпилек с установочной плитой, в пазы сердечника уложена обмотка статора, рабочее колесо состоит из вертикального вала и радиально-последовательно скрепленных с ним в горизонтальной плоскости ступицы, диска-фермы, и собственно короткозамкнутого ротора, нижняя часть вала установлена в центре окружности фундамента в нижнем опорном узле в подшипниках масляной ванны, верхняя часть вала установлена в верхнем опорном узле, состоящем из упорных колонн, упорных балок и осевого опорно-центровочного узла, в котором упорные колонны сооружены симметрично вокруг подиума с равным промежутком между ними с усиленным фундаментом, соединенным монолитно с фундаментом, вверху снабжены крепежными элементами, которыми скреплены внешними концами упорные балки, а внутренние концы их скреплены с осевым опорно-центровочным узлом, снабженным радиальными подшипниками, в котором установлена верхняя часть вала рабочего колеса, соединенная посредством муфты сцепления с потребителем, ступица выполнена в виде диска и соединена в центральной части с валом посредством узла передачи момента вращения, а с внешней - с диском-фермой диаметром несколько метров и более, состоящим из радиально-кольцевого объемного жесткого каркаса с верхней и нижней обшивкой, снабженным в периферийной торцевой части собственно короткозамкнутым ротором, выполненным из цилиндра алюминиевого сплава радиальной толщины z с наружным радиусом R от оси вала высотой h, снабженного внедренными в него через равный интервал «заподлицо» с наружной торцевой поверхностью стержнями из медного сплава, соединенными монолитно сверху и снизу медными шинами в виде обручей, жестко соединенными с радиально-кольцевым каркасом, рабочее колесо по высоте установлено так, что его собственно короткозамкнутый ротор находится напротив сердечника статора и совпадает с ним по высоте, при этом их разделяет по всей окружности цилиндра воздушный зазор величиной δ, обмотку статора соединяют с внешним источником тока.