Aklaypart.ru

Авто Журнал
10 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электромагнитный линейный двигатель своими руками

Применение линейных двигателей — Достоинства и недостатки линейного двигателя

Назначение и типы линейных электродвигателей

Ротационные электродвигатели обычно предназначены для реализации вращательного движения рабочего механизма. Иногда эти двигатели осуществляют поступательные или возвратно-поступательные движения. Достигается это при помощи кинематических передач усложняющих конструкцию и снижающих коэффициент полезного действия привода. Применение линейных электродвигателей позволяет устранить эти недостатки.

В ротационных электродвигателях индуктор представляет собой цилиндр, внутри которого вращается ротор. В плоских линейных электродвигателях индуктор развернут на плоскости. Индуктор цилиндрического линейного электродвигателя — цилиндр, внутри которого линейно перемещаются вторичные элементы.

Основные типы линейных электродвигателей: линейные асинхронные электродвигатели, линейные синхронные электродвигатели, линейные электродвигатели постоянного тока, линейные шаговые электродвигатели. Наибольшее применение получили линейные асинхронные электродвигатели. Первичная обмотка асинхронного линейного электродвигателя возбуждает бегущее электромагнитное поле. В результате взаимодействия первичного поля и индуктируемых токов во вторичном элементе возникает тяговое усилие. Вторичный элемент прямолинейно перемещается. В линейных асинхронных электродвигателях имеют место ухудшающие характеристики краевые эффекты. Разомкнутость магнитной цепи в продольном направлении вызывает продольный краевой эффект. Увеличение числа полюсов индуктора снижает продольный краевой эффект. Наличие на краях вторичного элемента продольных составляющих токов, не создающих полезное тяговое усилие — поперечный краевой эффект. Увеличение ширины вторичного элемента снижает влияние поперечного краевого эффекта. Итак, принцип действия как ротационных, так и линейных электродвигателей имеет одну и ту же физическую природу.

Применение линейных электродвигателей

Линейные электродвигатели применяются там, где они упрощают конструкцию, повышают производительность машин и оборудования, или в тех случаях, когда использование ротационных электродвигателей по их характеристикам невозможно. Применение линейных электродвигателей наиболее перспективно в промышленном и пассажирском транспорте. В конвейерных поездах индукторы электропривода расположены вдоль рельсового пути, вторичный элемент электродвигателя находится на подвижном составе. Такие поезда удобны при транспортировке угля, руды и строительных материалов. На примере системы городского эстакадного пассажирского транспорта показан другой вариант исполнения линейного электродвигателя, где вторичный элемент установлен вдоль пути в виде токопроводящей вертикальной полосы. А индукторы установлены в движущемся вагоне. Линейные асинхронные электродвигатели широко применяются в приводах различных исполнительных механизмов и устройств. В приводах разъединителей тяговых подстанций цилиндрический линей электродвигатель существенно упрощает конструкцию, повышает быстродействие и эксплуатационную надежность оборудования.

В ряде случаев, вторичным элементом двигателя может быть и деталь рабочего механизма. Привод поворотного стола манипулятора осуществлен на базе плоских линейных электродвигателей, что обеспечивает высокую точность углового позиционирования стола и существенно упрощает механическую часть устройства. В отдельных случаях, линейные асинхронные электродвигатели могут эффективно выполнять сразу несколько целевых функций. Литейная карусельная машина. Ее привод реализован на линейных электродвигателях плоского исполнения. Он может перемещать и при технологической необходимости подогревать из ложницы. Коэффициент полезного действия таких приводов значительно выше, чем КПД приводов с одной целевой функцией.

Принцип работы линейного асинхронного электродвигателя может быть использован при создании других электромагнитных устройств, например в сепараторах цветных металлов. Линейные электродвигатели успешно применяются в различных системах внутрицехового транспорта. Основными преимуществами линейных электродвигателей являются возможность получения непосредственного прямолинейного движения, больших скоростей и ускорений, простота конструкции, бесшумность и надежность работы. Развитие микропроцессорной техники и разработка новых средств управления позволяют постоянно расширять области эффективного применения линейных электродвигателей.

Сравнение: планарные линейные двигатели и штоковые линейные двигатели

Компания Sodick начала разработку линейных двигателей (ЛД) для электроискровых (ЭИ) станков в начале 90-х. Разработчики перепроверили и испытали ряд схем ЛД. Все схемы линейных двигателей были отбракованы из-за их недостатков, и только планарная схема ЛД оказалась идеальной. Планарные линейные двигатели Sodick полностью изготавливаются на заводах компании.
Штоков-цилиндрические двигатели разрабатывались для замены пневмо-, гидро- и ШВП-приводов в роботах-манипуляторах, штабелеукладчиках, сборочных платформах, а также мед- и спецоборудовании. Электроискровые станки — первое известное применение штоковых ЛД в станках вообще. Штоково-цилиндрические двигатели производятся рядом специализированных компаний. Станочники стали покупать и встраивать штоковые двигатели в свои станки лишь после 2010 года.

ПЛАНАРНЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ vs

ШТОКОВО-ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ

Shaft Motor — штоковые двигатели. Покупные штоково-цилиндрические двигатели в электроискровых станках некоторых станочных фирм

Linear Motor — линейные двигатели. Разработка электроискровых станков с линейными двигателями (ЛД) стартовала в компании Sodick в начале 1990-х

Первый показ ЭИ станка со штоково-цилиндрическими двигателями — JIMTOF-2010

Штоково-цилиндрические двигатели (ШЦД) производятся рядом компаний . Например, японской фирмой JMC Hillstone совместно с Nippon Pulse Company. Начало производства — 2005 г. Другие изготовители штоковых ЛД: LinMot, PBA Systems, Orientalmotor, Parker, Ametek…

Помимо названия shaft motor (штоковые двигатели) такие устройства известны как tubular (трубчатые), а также цилиндрические двигатели. Отметим, что сотрудники японской станкостроительной компании, которая первой начала применять такие двигатели в своих электроискровых (электроэрозионных) станках в 2010 году, не называют их LINEAR — только SHAFT MOTOR.

Штоково-цилиндрические двигатели разрабатывались для замены пневмо-, гидро- и ШВП-приводов в роботах-манипуляторах, штабелеукладчиках, сборочных платформах, а также мед- и спецоборудовании. ЭИ станки — первое известное применение штоковых двигателей в станках вообще.

Штоково-цилиндрические двигатели имеют бессердечниковые катушки и, как результат, — недостаточную тягу. Такими двигателями можно оснащать лишь малые и средние модели ЭИ вырезных станков — для больших электрискровых вырезных станков такие двигатели мало пригодны из-за дефицита тяги. По этой же причине их не ставят в электроискровые прошивные станки — штоковый двигатель попросту не поднимет тяжелый электрод!

Читать еще:  Датчик температуры для пуска двигателя

Серийное производство ЭИ станков с планарными линейными двигателями — с 1998 года.

До 2000 г. производились лишь электроискровые (электроэрозионные) прошивные станки с линейными двигателями (ЛД) только по оси Z.

С 2000 г. появились электроискровые (ЭИ) проволочно-вырезные станки с ЛД по осям XY и прошивные с ЛД по осям XYZ.

С 2001 г. линейные двигатели устанавливаются в электроискровые станки Sodick в сервоприводы по всем осям:

  • ЭИ координатно-прошивные — по XY и Z
  • ЭИ проволочно-вырезные — XY и UV

Планарные линейные двигатели станков Sodick — собственной разработки и собственного производства , включая редкоземельные Ne-Fe-B магниты. Линейный двигатель Sodick — это по сути всего 2 части: плоская панель постоянных магнитов и плоскый блок электромагинтных (ЭМ) катушек (большей частью сердечниковых), которые разделяет константный зазор 0,4 мм и установлены параллельно плоскости перемещений. Такие двигатели можно условно назвать “плоско-параллельными” или «плоскими», однако более распространен термин планарные ЛД.

Станки Sodick и их планарные линейные двигатели суть единые мехатронные системы : ЛД создаются для станков “индивидуально”, а станки, в свою очередь, создаются под эти ЛД и соответствующие нагрузки.

Штоково-цилиндрический двигатель нельзя поставить в прошивной электроэрозионный станок — слабый двигатель попросту не поднимет тяжелый электрод!

Главное достоинство штоково-цилиндрических двигателей:

  • ШЦД легко встроить на место ШВП-привода в существующие устройства (станки).

Но это, по сути, единственное достоинство!

Главные недостатки:

  • дефицит тяги (ЭМ катушки — бессердечниковые!)
  • проблемы с теплоотводом
  • тяга генерируется на расстоянии от плоскости перемещений — при любом перемещении двигатель тянет одну сторону стола вниз, другую вверх
  • разнонаправленные биения магнитного штока и динамическая ассимметрия зазора ( вектор тягипляшет хаотично от направления подачи!)
  • хлипкаяконструкция (шток крепится лишь концами и внатяг!).
  • пляшущий зазор .

Главные достоинства планарных ЛД Sodick:

  • надежность и долговечность — свыше 20 лет успешной эксплуатации тому подтверждение;
  • тяга генерируется в плоскости, близкой к направляющим линейкам приводимых кареток ;
  • высочайшая динамическая точность, которая остается неизменной все долгие годы эксплутации ( вектор тяги максимально совпадает с направлением подачи! );
  • большая мощность и тяга благодаря сердечниковым ЭМ катушкам;
  • электромагнитные катушки «сидят» непосредственно на массивных чугунных частях — идеальный теплоотвод !
  • особо жесткая конструкция;
  • неизменно константный (постоянный) зазор.

Недостаток:

  • Планарные ЛД нельзя встроить в обычный станок, разработанный “под ШВП”. Для таких ЛД необходима особая жесткая конструкция станка, рассчитанная на нагрузки, возникающие при работе сверхбыстрых планарных ЛД.

Линейные станки Sodick разрабатывались и разрабатываются под свои линейные двигатели — линейные двигатели Sodick разрабатываются под свои линейные станки.
Линейные станки Sodick с планарными линейными сервоприводами — единые мехатронные системы.

Пляски зазора в штоково-цилиндрических двигателях в процессе их работы:

Тонкий шток неизбежно прогибается как под воздействием меняющихся магнитных полей, так и под собственной тяжестью. В результате шток при любом перемещении катушек вдоль него разнонаправленно “гуляет”, меняя, как следствие, зазор. Ширина зазора в штоковых двигателях — величина неопределенная, фактические “танцующая”.

Жесткие мощные планарные линейные двигатели Sodick — проверены двумя десятилетиями эксплуатации

Как панели постоянных магнитов, так и блоки ЭМ катушек планарных линейных двигателей Sodick жестко крепятся на массивные конструкции станков, что полностью исключает какие-либо деформации частей линейных двигателей и станков.
Попробуйте-ка согнуть чугунную станину или колонну! Или массивный стол!
Зазор между магнитами и катушками всегда постоянен — 0,4 мм.
Одна из причин неизменно высокой точности в течение всей долгой жизни станка.

Подобные двигатели известны давно. Достаточно вспомнить школьный соленоид с уроков физики. Штоково-цилиндрический двигатель и есть, по сути, соленоид с удлиненным сборным сердечником из отдельных кольцевых постоянных магнитов и управляемыми кольцевыми электромагнитными катушками.

Штоковый двигатель встраивается в станок на место ШВП.
Как была ШВП смещена от центра в старом станке, так и в новом смещен от центра уже штоковый двигатель.

Тонкий магнитный шток толщиной чуть больше указательного пальца легко деформируется, возникают разнонаправленные боковые биения, фатально влияющие на точность станка. Причин “гуляния штока” по меньшей мере две:

  • продольные волны, вызываемые силами сжатия и растяжения, которые порождаются неоднородностью плотности магнитных полей ЛД;
  • отклонения параметров отдельных магнитов на штоке, а также разнородность магнитных параметров разных частей.

В работающем штоковом ЛД тонкий шток изгибается в разные стороны, как бы “пляшет”, а зазор между ЭМ катушками и кольцевыми магнитами непрерывно и разнонаправленно меняется. Такие “твисты” магнитного штока рождают переменные разнонаправленные боковые нагрузки на направляющие. Известно, что направляющие рассчитаны на вертикальные нагрузки, но быстро изнашиваются и теряют точность, если нагрузки боковые. Чтобы тонкий магнитный шток меньше гулял, изготовители штоковых двигателей предписывают крепить магнитный шток клиньями внатяг (!) в опоры на станине еще на заводе-изготовителе станков. Насколько хватает такого натяга? Как часто придется “перенатягивать” шток уже в рабочем станке самим пользователям станка M? И «почём» это будет обходиться?

Опасность хаотичных плясок и твистов штока возрастает многократно, когда частота таких колебаний совпадает с собственной резонансной частотой конструкции… В любом станке имеется множество резонансных областей, которые зависят от физических характеристик и от изменений температуры. Ситуаций предостаточно!

Читать еще:  Установка схемы управления двигателем

Компания Sodick начала разработку ЛД для ЭИ станков в начале 90-х в обстановке строжайшей секретности. У компании был печальный опыт: первоначальную схему безызносной ЭИ обработки у создателя компании Фурукава украли.

Разработчики перепроверили и испытали на стендах множество схем ЛД. Рассматривались конструкции с магнитными панелями и блоком ЭМ катушек перпендикулярно плоскости перемещений, подобные конструкциям, которые пытались производить годами позже компании F (выпуск таких станков «успешно» прекращен!) и С. Проверялись среди прочих и конструкции с кольцевыми магнитами, подобные новомодным штоково-цилиндрическим ЛД. Все проверенные схемы ЛД были забракованы из-за их пороков и недостатков, и только планарная (плоско-параллельная) схема ЛД оказалась идеальной для станков, но с одной оговоркой: под приводы с такой схемой ЛД необходимо заново создавать весь станок. По сути, станок с планарными ЛД — единая мехатронная система .

Машина, создаваемая заново, — это большие затраты, но… дешево хорошо не бывает! Это подтверждает опыт других станкостроительных компаний: практически все станки с ЛД (не электроискровые) ведущих мировых изготовителей используют планарные (плоско-параллельные) ЛД — другой проверенной временем альтернативы пока нет!

Сила взаимного притяжения между панелью постоянных магнитов и блоком электромагнитных катушек примерно в 6 раз больше той тяги, которая создается при работе ЛД в направлении подачи. Однако, если станок изначально конструируется для установки такого ЛД, проблема решается сама собой: жесткость литых конструкций значительно выше тех сил, которые возникают при работе ЛД, а нагрузка приходится на направляющие, которые на эти нагрузки как раз и рассчитаны. В станках Sodick применены направляющие SSR фирмы THK (технология caged ball), сконструированные для использования прежде всего в прецизионных измерительных машинах. Эти направляющие выдерживают перемещения в 6 раз больше, чем расстояние от Земли до Луны и обратно!

Нагрузки на направляющие только вертикальные или в направлении, перпендикулярном плоскости ЛД. Боковые нагрузки при работе планарных ЛД отсутствуют! И это гарантирует сохранение первоначальной точности позиционирования по крайней мере на 15 лет! На практике точность сохраняют даже станки, выпущенные в 1998 году!

Технические тонкости

Надо отметить, что свой макет мы решили упростить: вместо цилиндрической сборки Халбаха, выполнить которую не так-то легко из-за необходимости использовать нестандартные магниты в форме трапеции и противостоять их взаимному отталкиванию, мы расположили обычные дисковые магниты переменно то северным, то южным полюсом в сторону пола. По восемь дисков диаметром 20 мм на каждый ротор. Такое решение тоже создает сильно неоднородное поле, хоть оно и вдвое слабее, чем в случае с полноценной сборкой Халбаха.

В США запустили в продажу винтовку Гаусса

До недавнего времени винтовка Гаусса была фантастикой. Подобное оружие было представлено только в художественных научно-фантастических произведениях, фильмах и многочисленных компьютерных играх. Большую известность оружию принесла популярная серия игр Fallout. По всей видимости, будущее практически наступило и винтовка Гаусса с экранов телевизоров и мониторов шагает в реальность.

Так, американская компания Arcflash Labs объявила о том, что она стала первой и пока единственной в мире компанией, которая создала ручную винтовку Гаусса, способную стрелять стальными снарядами. Компания открыла предзаказ на свою разработку. Правда, стоимость электромагнитной винтовки может отпугнуть ряд покупателей. Цена устройства составляет 3750 долларов (более 275 тысяч рублей по курсу на 11 августа 2021 года). При предзаказе компания готова предоставить покупателям скидку в 10 процентов – 3375 долларов.

Пушка или винтовка Гаусса

Пушка Гаусса (английские варианты названия Gauss gun, Gauss cannon, Coil gun) представляет собой одну из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Своё название она получила в честь немецкого учёного Карла Гаусса, который в своё время заложил основы всей математической теории электромагнетизма. При этом важным уточнением является тот факт, что такой метод ускорения масс в настоящее время используется главным образом в любительских установках, так как он не является достаточно эффективным для практической реализации.

По принципу своей работы (создание бегущего электромагнитного поля) любая электромагнитная пушка очень схожа с устройством, которое называют линейный двигатель. К примеру, работу подобного двигателя можно встретить в московской монорельсовой дороге. Для движения поезда по монорельсу используется асинхронный линейный двигатель.

Конструктивно любая пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого помещается ствол (обычно выполненный из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется специальный снаряд, который изготавливается из ферромагнетика. В момент протекания электрического тока в соленоиде появляется электромагнитное поле, которое и разгоняет снаряд.

Для достижения наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть мощным и кратковременным. Чаще всего, чтобы получить такой импульс тока, применяют большой ёмкости электролитические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.

Принцип работы устройства похож, но всё же отличается от рельсотрона. В последнем, как следует из названия, снаряды запускаются благодаря магнитному полю, которое создаётся между двумя токопроводящими рельсами-направляющими.

Электромагнитная винтовка GR-1 ANVIL

В конце июля 2021 года компания Arcflash Labs представила промо-видео про свою новую разработку. Позднее на сайте появилась возможность предзаказа новой электромагнитной винтовки GR-1, которую уже называют самой мощной винтовкой Гаусса из когда-либо созданных и доступных для широкого потребителя. Заявленное время выполнения заказа – до 6 месяцев.

Читать еще:  Чем опасен водородный двигатель

Оружие, получившее обозначение GR-1 ANVIL («Наковальня»), представляет собой ручной электромагнитный ускоритель масс. Компания-разработчик позиционирует новинку как первый в мире серийный образец винтовки Гаусса. При этом речь идёт о ручном оружии, а не стационарной установке.

В описании оружия на сайте компании говорится о том, что GR-1 ANVIL – это 8-ступенчатая полуавтоматическая высоковольтная винтовка Гаусса. Модель представляет собой самую мощную винтовку Гаусса, которая когда-либо была доступна для покупки на гражданском рынке, а также (очень вероятно) самый мощный образец ручной электромагнитной винтовки из когда-либо созданных.

Винтовка GR-1 в состоянии разгонять ферромагнитные снаряды диаметром до ½ дюйма до скорости 75 м/с. Скорострельность оружия оценивается в 100 выстрелов в минуту. Ёмкость стандартных магазинов – 10 боеприпасов. При этом используемый аккумулятор 6S LiPo обеспечивает стрелку 40 выстрелов на одной зарядке.

Усовершенствованная система конденсаторов и квазирезонансный инвертор позволяют изменять скорострельность оружия. На сайте компании Arcflash Labs говорится о том, что стрелок может варьировать этот показатель оружия от 20 выстрелов в минуту на полной мощности до 100 выстрелов в минуту на мощности 50 процентов.

Производитель заявляет, что с винтовкой GR-1 можно использовать снаряды трех основных типов длины: 32, 42 и 52 мм. В Arcflash Labs рекомендуют использовать для этих целей магнитную арматуру 1232, 1242E или 1252 собственного производства. Для примера, упаковка из 10 боеприпасов 1232 стоит 11,5 долларов.

При этом в компании отмечают, что подойдёт также любой стальной стержень, крепёж или установочный штифт, диаметр которого будет находиться в диапазоне от 11 до 12,6 мм, а длина от 30 до 52 мм. Приобрести подобную продукцию можно в хозяйственных магазинах. Несмотря на возможность самостоятельного изготовления стальной арматуры для стрельбы, производитель не рекомендует это делать и снимает с себя ответственность за повреждение устройства или травмы, полученные при использовании сторонней арматуры.

По своим возможностям GR-1 ANVIL приближается к малокалиберному огнестрельному оружию. Заявленная на сайте дульная энергия составляет 85 Дж, в промо-ролике на кадрах демонстрируется дульная энергия – 100 Дж. Это уже сопоставимо с моделями пистолетов под малокалиберный патрон .22 LR (5,6х15,6 мм) и даже некоторыми моделями винтовок. Данный боеприпас традиционно является одним из самых распространённых тренировочных и спортивных боеприпасов в мире и даже используется при охоте на мелкую дичь.

Производителем для электромагнитной винтовки GR-1 заявлены следующие массогабаритные характеристики. Длина ствола оружия – 26 дюймов (660 мм), диаметр ствола – 0,5 дюйма (12,7 мм). Общая длина винтовки – 38 дюймов (965,2 мм), ширина – 3 дюйма (76,2 мм), высота – 8 дюймов (203,2 мм). Вес модели – 20 фунтов (9,07 кг). Последний показатель для стрелкового оружия выглядит особенно печальным.

По сути, в габаритах многих современных снайперских винтовок пользователь получает оружие весом более 9 кг. При этом возможности винтовки, хотя и превосходят современные образцы травматического оружия, приблизились лишь к малокалиберному стрелковому оружию.

Какие преимущества могут быть у винтовок Гаусса

Винтовки Гаусса, как электромагнитное оружие, могут быть достаточно перспективными. Но это произойдёт только в том случае, если они будут обеспечивать достаточную мощность при сравнительно небольших габаритах. Пока что разработка компании Arcflash Labs приближается по своим характеристикам лишь к малокалиберным образцам стрелкового оружия.

Но даже сейчас проект выглядит амбициозно. Хотя вопросы о том, насколько хорошо будет работать такое оружие и насколько оно безопасно в использовании, до сих пор остаются. Несмотря на это, интерес к таким разработкам со стороны силовых структур есть уже сейчас. По крайней мере, гендиректор компании Arcflash Labs рассказал журналистам американского издания The Drive, что военные и правоохранительные органы США проявляют интерес к их разработке и подобным образцам оружия.

Работы в этом направлении приближают тот день, когда стрелковое оружие сможет отказаться от использования пороха. Ранее компания Arcflash Labs уже представляла коммерческую модель электромагнитной винтовки EMG-01A, которая по своей мощности была сравнима с обычной пневматической винтовкой, правда, стоила при этом почти тысячу долларов.

Основные плюсы, которые могут открыться при использовании электромагнитных винтовок, давно известны. Винтовки Гаусса действительно могут дать стрелкам преимущества, недоступные другим образцам стрелкового оружия.

Электромагнитное оружие обладает небольшой отдачей, возможностью бесшумного выстрела (если скорость снаряда не превышает скорости звука). При этом бесшумная стрельба становится доступной без применения специальных насадок или замены ствола.

К преимуществам винтовок Гаусса относят отсутствие гильз, пороха и неограниченный выбор начальной скорости и энергии боеприпасов. В теории такое оружие будет обладать большей надёжностью и износостойкостью. К преимуществам относят также возможность работы в различных условиях, к примеру, в космосе.

При этом у электромагнитных винтовок есть и очевидные минусы. Низкий КПД требует использования многоступенчатых систем разгона снаряда и большого расхода энергии. Всё это ведёт к росту веса и габаритов оружия. Также существенным минусом является необходимость перезарядки конденсаторов, накопительная зарядка которых требует длительного времени.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector