V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Введение

В настоящее время, в качестве исполнительных элементов электроприводов специального назначения, все большее распространение получают линейные двигатели, используемые в различных областях техники.

Линейный двигатель это электродвигатель, у которого один из элементов магнитной системы разомкнут, и имеет развёрнутую обмотку, создающую магнитное поле, а другой взаимодействует с ним и выполнен в виде направляющей, обеспечивающей линейное перемещение подвижной части двигателя. На самом деле линейный двигатель – это стандартный двигатель, но компоненты его расположены так, что электромагнитные катушки перемещают плоский статор. Неподвижную часть линейного электродвигателя, получающую электроэнергию из сети, называют статором, или индуктором. Часть двигателя, получающая энергию от статора, называют вторичным элементом или якорем [1].

В настоящее время разработано множество разновидностей (типов) линейных электродвигателей. Например, линейные асинхронные электродвигатели, линейные синхронные электродвигатели, линейные электромагнитные двигатели, линейные магнитоэлектрические двигатели, линейные магнитострикционные двигатели, линейные пьезоэлектрические (электрострикционные) двигатели и другие. Многие типы линейных двигателей, такие как асинхронные электродвигатели, синхронные электродвигатели или двигатели постоянного тока, повторяют по принципу своего действия соответствующие двигатели вращательного движения, в то время как другие типы линейных двигателей (магнитострикционные, пьезоэлектрические и др.) не имеют практического исполнения как двигатели вращательного движения.

Линейные электродвигатели постоянного тока состоит из якоря с расположенной на нём обмоткой, служащей одновременно коллектором (направляющий элемент), и разомкнутого магнитопровода с обмотками возбуждения (подвижная часть), расположенными так, что векторы сил, возникающих под полюсами магнитопровода, имеют одинаковое направление. Кроме того, линейные двигатели постоянного тока (как и двигатели вращательного движения) позволяют при необходимости просто регулировать скорость движения рабочих органов [3].

Линейный двигатель с активным пакетным элементом

Одним из вариантов исполнения линейного двигателя постоянного тока является линейный двигатель с активным пакетным элементом. Основное его отличие заключается в том, что во всех остальных электродвигателях токи протекают по обмоткам, выполненных из обмоточного провода. В этом же электродвигателе применяется новый вид активного элемента, в основе которого используется намотка (пакет) из тонкой электропроводящей ленты. Предполагаемая конструкция двигателя может пропускать необходимый ток в заданных габаритах машины. При этом основным преимуществом данного двигателя является то, что активный элемент не будет столь сильно перегреваться, так как пластины расположены друг над другом и связаны с корпусом, что дает возможность относительно простого отвода тепла на корпус двигателя, так как поверхности соприкосновения большие, и тепло будет рассеиваться в окружающую среду.

Техническую реализацию данного электродвигателя можно представить следующим образом (рисунок 1). Верхний магнитопровод 2, к которому присоединен источник магнитного поля – постоянные магниты 1, имеет возможность перемещаться по направляющим 3. К основанию прибора закреплен нижний магнитопровод 4, с которым неподвижно связан активный элемент(пакет проводящих пластин) 5, поверхности которого параллельны поверхностям полюсов магнита. Пакетный элемент изготавливается из ленты методом сгиба ее в «гармошку». Между пластинами находятся слои электроизолирующего материала. Пластины при этом соединены последовательно в электрическую цепь при помощи перемычек 6 (выполненных из той же ленты), которые соединяют контакты смежных пластин, находящиеся в противоположных углах пластин. Верхний и нижний магнитопроводы, изготовленные из стали, обеспечивают пронизывание пакета пластин постоянным магнитным полем. При наличии магнитного потока и тока в пластинах пакета возникает механическая сила.

Рисунок 1 Линейный электродвигатель с активным пакетным элементом

Особенность конструкции

Источник магнитного поля смонтирован на подвижном узле прибора - узле каретки, который состоит из основания, на котором закреплен узел постоянных магнитов и узлы роликов. Узлы роликов дают возможность перемещения источника в горизонтальном направлении вдоль активного пакетного элемента.

Активный элемент представляет собой прямоугольный пакет из электропроводящей ленты. В качестве основы для изготовления пакетного элемента была выбрана лента из алюминиевой фольги толщиной 0,07 мм, на которой с одной стороны нанесена с помощью клея бумажная изоляция. Толщина ленты с учетом изоляции составляет 0,15 мм. Ширина ленты - 50 мм. Пакетный элемент изготавливается из этой ленты методом сгиба ее в «гармошку», образуя пакет из 60 пластин.

Необходимый характер протекания по отдельным пластинам электрического тока достигается соответствующими вырезами в ленте в местах ее перегиба. Эти места представляют собой перемычки, площади сечения, которых существенно меньше основной части пластин, и в которых ожидается существенное увеличение плотности тока. Участки сужения площади сечения представляют собой зоны повышенного тепловыделения, а оставшиеся участки поверхности пластин считаются зонами охлаждения. Расстояние между центрами получившихся боковых пазов равно полюсному делению магнита [5].

По конструктивным соображениям, на пакете, в верхней и нижней поверхности, закреплены плоские пластины. Пластины выполняются из алюминиевого сплава – дюралюминия, толщиной 0,5 мм, служащие, как для поддержания геометрической конфигурации пакета, так и для организации токоподвода. Для этого в двух диагонально расположенных вершинах углов пластин имеются контакты, которые на нечетных пластинах расположены на диагоналях одного направления, а на четных – на диагоналях другого направления [5].

Общие размеры пластины 450x220 мм. Механический зазор между постоянными магнитами и пакетным элементом 1 мм.

Особенность конструкции, отличающая ее от всех предыдущих, заключается в том, что постоянные магниты расположены не друг под другом, как рассматривалось ранее [5], а на одной стороне. Магнитная система получилась более сложной. Каждая пластина пакета будет находиться под действием поля с измененными характеристиками, так как площадь воздействия магнитного поля будет увеличиваться, а индукция уменьшаться. Причем в местах, находящихся в зоне действия плоскопараллельного поля, индукция во всех точках примерно одинаковая - максимальная, а где магнитный поток разветвляется, на пластину действует индукция другой величины (рисунок 3).

На рисунке 2 представлен элемент ленты, из которого выполняется активный элемент.

Рисунок 2 Фрагмент активного элемента

Поперечные вырезы, выполненные на боковых сторонах ленты, заставляют ток J протекать по диагоналям участков ленты, лежащих между вырезами. При этом ток J имеет две компоненты: Jn – продольную, направленную вдоль ленты, и Jo – поперечную (осевую), направленную поперек ленты. Взаимодействие компонент тока Jo с магнитным полем полюсов N и S, приводит к появлению сил F, действующих на магниты – источник магнитного поля. Сила, которая создается взаимодействием магнита N с пластиной, будет суммироваться с силой, которая создается взаимодействием магнита S с пластиной [4].

Основными источниками тепла, выделяемого при протекании тока, будут места сужения ленты, образованные вырезами. Однако указанные участки будут охлаждаться за счет оттока тепла в те зоны ленты, где плотность тока невысока, а поверхности охлаждения имеют достаточные размеры.

Магнитный поток в данном случае происходит через немагнитный зазор. Прохождение потока через воздушный зазор под постоянным магнитом N, механическим воздушным зазором, пакетом, нижней частью магнитопровода, пакетом, механическим воздушным зазором, постоянным магнитом S, верхней частью магнитопровода показана на рисунке 3.

Рисунок 3 Распределение силовых линий

В этом случае магнитный поток, проходящий через пакет, не будет плоскопараллельным, а будет распределенным. Поэтому взаимодействие каждой пластины с этим магнитным потоком будет отличаться от взаимодействия с пластинами, которые расположены выше или ниже.

Принцип работы двигателя

Принцип работы можно пояснить следующим образом. Линейный двигатель с постоянными магнитами состоит из подвижной части и элементов электрической цепи управления, расположенных на его неподвижной части. Элементы цепи управления представляют собой узел пакета, поверхности пластин которого параллельны поверхностям полюсов постоянных магнитов.

Предположим, что источник магнитного поля смонтирован на подвижном узле прибора, опоры подвеса которого дают возможность перемещаться в направлении оси X. При этом источник магнитного поля создает индукцию B в пределах прямоугольника со сторонами a – по оси X и b – по осиY (рисунок 4).

Рисунок 4 Компоненты тока и силы

Зона действия магнитного потока на рисунке 4 выделена пунктирной линией. Если по направлению диагонали указанного прямоугольника проложить тонкий проводник и пропустить по нему ток силой I, то на него будет действовать сила F [5].

F=I×B×l=I×B×c×a2+b2a ,

где l – длина проводника в пределах действия магнитного поля

с – ширина источника магнитного поля.

Эта сила будет иметь две компоненты:

Fx=I×B×l×sinα;

Fy=I×B×l×cosα .

Первая из них будет вызывать относительное движение источника магнитного поля и проводника вдоль оси X, а вторая будет вызывать нагрузку на опоры подвеса. На рисунке 4 направление векторов силы показано в предположении, что силовые линии магнитного поля направлены перпендикулярно плоскости графика. Сила Fx выталкивает проводник из магнитного поля. Но если проводник зафиксирован неподвижно относительно основания, то эта сила вызовет движение источника магнитного поля в положительном направлении оси X. На проявлении действия этой силы может быть построен линейный электродвигатель. Величина этой силы зависит от поперечной составляющей Iy тока Iy=I×cosα [5].

Величину силы, развиваемой электродвигателем можно увеличить как за счет увеличения индукции B, так и за счет соответствующего выбора геометрии двигателя, то есть размеров a,b,c. Увеличение тока, протекающего по проводнику, возможно до тех пор, пока плотность тока не достигнет критического значения, при котором происходит разрушение проводника вследствие его перегрева. Перегрев можно уменьшить, обеспечив его охлаждение за счет увеличения поверхности теплоотдачи. В данном случае наибольшую поверхность может иметь плоская токопроводящая пластина c размерами a и b.

Рассмотрим однородную электропроводящую пластину прямоугольной формы, подключенную к электрической цепи (рисунок 5).

Рисунок 5 Токи в пластине

При этом можно утверждать, что отдельные токи I_i , составляющие распределенный по пластине ток, в каждой точке будут иметь две компоненты Iix и Iiy. Пластину по нормали пересекает магнитный поток с индукцией B, зона действия которого выделена пунктиром. Просуммировав компоненты всех токов, протекающих в зоне действия магнитного потока, получим, что в этой зоне протекают две составляющие полного тока Ix и Iy. Соотношение между этими компонентами определяется геометрией проводящей пластины. Ток Ix, взаимодействуя с магнитным полем, создает силу Fy, направленную по оси Y, а ток Iy – силу Fx, действующую на источник магнитного поля и направленную по оси X. Эти силы будут действовать между пластиной и источником магнитного потока, вызывая их взаимное перемещение [5].

Предположим, что пластина неподвижна, а источник магнитного поля может перемещаться вдоль оси X. При этом действие силы Fy, создаваемой током Ix, будет компенсироваться в опорах подвеса источника магнитного потока, а сила Fx, вызванная током Iy, будет создавать полезный эффект.

Развиваемое двигателем усилие может быть увеличено последовательным электрическим подключением еще одной аналогичной платины, которая монтируется над (или под) первой пластиной таким образом, чтобы их поверхности были параллельны и разделены изолятором. Точки подсоединения (контакты) второй пластины к электрической цепи находятся в вершинах ее углов, связываемых другой диагональю получаемого пакета пластин (рисунок 6) [5].

Рисунок 6 Пакет пластин

В этом случае силы Fx создаваемые токами обеих пластин суммируются, а Fy вычитаются. Дальнейшее увеличение силы, направленной вдоль оси X осуществляется дополнительным монтажом и последовательным подключением к полученной цепи дополнительных пар аналогично связанных между собой пластин, которые окончательно в конструктивном отношении представляют единый пакет [5].

Увеличение количества пластин приведет к необходимости увеличения зазора магнитопровода, в котором устанавливается пакет пластин. Увеличение зазора приведет в свою очередь к увеличению сопротивления прохождению магнитного потока возбуждения, что уменьшает индукцию. Поддержание индукции на прежнем уровне требует существенного увеличения, потребляемого постоянными магнитами, тока.

Увеличение развиваемого усилия может быть организовано использованием активной структуры из тонкого провода, когда проводники лежат в диагональных направлениях каждого слоя. Однако необходимый воздушный зазор магнитопровода источника магнитного поля, который в данном случае должен быть не менее произведения диаметра провода на число слоев, будет больше, чем толщина пакета из аналогичного числа пластин (слоев) [5].

Разработка методики проведения исследования

Установка для исследования состоит из двух блоков – источника питания с элементами управления и исследуемого макета линейного двигателя.

Источник питания подключается к сети 220 В 50 Гц и его корпус должен быть обязательно заземлен. Источник содержит автотрансформатор, понижающий трансформатор, выпрямитель с фильтром. Амперметр позволяет измерять ток от 0 до 20 А.

Методика проведения экспериментальных исследований заключается в определении зависимости создаваемым усилием, развиваемого исполнительным элементом, по длине пакета.

Механическая нагрузка прикладывается к подвижному элементу посредством тарированного груза на нити, соединенной со штангой и проходящей по желобу ролика. Выставка необходимого взаимного расположения источника магнитного поля и пакетного элемента осуществляется при помощи регулируемого ограничителя, представляющего собой винт в закрепленном на основании упорном кронштейне. Винт является элементом электрической цепи сигнализации, разрываемой в случае превышения исполнительным устройством усилия, развиваемого подвешенным на нити грузом.

Задача 1. Перед началом проведения эксперимента определяется величина индукции. Измерение проводится с помощью магнитометрического зонда на основе датчика Холла. Для этого необходимо убирать пакетный элемент. В образованный воздушный зазор помещается щуп зонда. Напряжение, снимаемое с прибора, будет пропорционально величине измеряемой магнитной индукции.

Задача 2.Узел каретки выставляется в начальное положение. К подвижному элементу подвешивается груз массой m₁. На ленточную намотку подается постоянный ток, медленно изменяющийся от нуля до величины, при которой происходит преодоление двигателем усилия нагрузки, т.е. создавшееся усилие будет больше, чем усилие нагрузки. Величина тока фиксируется при заданной нагрузке, и в дальнейшем используется для определения характеристик двигателя.

Осуществить аналогичные измерения при ряде нагрузок (например, 10г, 20г, 30г, 50г, 75г, 100г, 150г, 200г).По результатам исследования, построить зависимость между усилием и током.

Результатом эксперимента, приведенным на рисунке 7, подтверждается линейная зависимость между нагрузкой и током. Приток I_i создается усилии F_i.

Рисунок 7 Зависимость усилия от тока

Задача 3. Узел каретки выставляется в начальное положение – начало пакета. К подвижному элементу подвешивается груз массой m₁. На ленточную намотку подается постоянный ток, медленно изменяющийся от нуля до величины, при которой происходит преодоление двигателем усилия нагрузки. Фиксируется величина тока.

Исследование проводится с одним грузом. Узел каретки перемещается вдоль пластины на определенные расстояния с помощью узла кронштейна. Возможно грубое перемещение на 40 мм, и точное – внутри этого диапазона, используя регулировочной винт.

По результатам исследования, построена зависимость между усилием и длиной пластины. Полученные результаты нормируются – приводятся к току в 1 А и к одной пластине. Для этого определяют отношение между известным значением нагрузки и полученным значением тока, F/I – усилие которое создается током в 1А (рисунок 8).

Рисунок 8 Зависимость усилия по длине пакета

На рисунке зависимость усилия, развиваемого исполнительным элементом, показана кривой 1. Необходимо учесть, что по краям пакета усилия могут иметь большие значения, так как в данной конструкции в этих точках происходит уменьшение взаимного перекрытия пакета и магнитопровода, а также проявляется влияние тока, протекающего по перемычкам, соединяемым пластины пакета.

Прямая 2 на этом графике представляет собой зависимость усилия, которое могло быть создано током силой в 1 А, протекающим по единичному тонкому проводнику, расположенному вдоль диагонали пакета.

Заключение

Разработанная установка для исследования линейного двигателя с пакетным элементом, обеспечивает поступательное перемещение подвижного элемента без применения механических преобразователей движения. Для уменьшения перегрева активного элемента, использован новый вид активного элемента, в основе которого используется тонкая электропроводящая лента. Такое выполнение активного элемента позволяет избежать перегрева, а соприкосновение поверхности пакет с корпусом позволяет отводить тепло на корпус при повышенной плотности тока в ленте.

В случае увеличение количества пластин в конструкции предусмотрен вариант приподнимания узла каретки на необходимую высоту за счет дополнительных регулировочных прокладок, что дает возможность исследования активного пакетного элемента различной толщины.

Список литературы

1 Кавалёв Ю.М. Электрические машины, – М.: Энергия, 1989. - 312 с.

2 Москаленко В. В. Электродвигатели специального назначения –М.: Энергоиздат, 1981. - 104 с.

3 Арипов Р. С. Линейные электрические машины и приводы на их основе: Учебное пособие. – Уфа: БГАУ, 2003. – 201с.

4 Иванова А.Г. Моментный двигатель с ленточной намоткой // Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 6-ти частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011.

5 Иванова А.Г., Мартемьянов В.М., Плотников И.А.. Линейный двигатель с активным пакетным элементом // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2010. №11

6 О.Ю. Екимова, А.Г. Иванова, К.А. Татарникова. Экспериментальные исследования моментного двигателя с ленточной намоткой // Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 6-ти частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011

Код для цитирования: Скопировать