Электромагнитный соленоидный двигатель своими руками - Авто Журнал
Aklaypart.ru

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

Электромагнитный соленоидный двигатель своими руками

Как сделать игрушку автомашину с соленоидным двигателем

Как сделать автомобиль с соленоидным двигателем

Возможно, вы видели много видео о создании автомобиля с электромагнитным двигателем в Интернете. На YouTube есть сотни таких видео. Но этот проект совершенно другой. Мы разработали его так, как работают автомобильные двигатели. Вы можете увидеть много компонентов, похожих на те, что в двигателе внутреннего сгорания. Вы можете видеть поршни, шатун, кривошип, коленчатый вал, цилиндр, головку цилиндров, маховик и т. Д. Двигатель с микросхемой работает от взрыва топлива внутри цилиндра, тогда как в соленоидном двигателе движущей силой является электромагнетизм.

Соленоид – это тип электромагнита, когда целью является создание контролируемого магнитного поля. Если вместо этого целью соленоида является предотвращение изменений электрического тока, соленоид можно более конкретно классифицировать как индуктор, а не электромагнит . В технике этот термин может также относиться к множеству преобразовательных устройств, которые преобразуют энергию в линейное движение. Термин также часто используется для обозначения соленоидного клапана , который представляет собой интегрированное устройство, содержащее электромеханический соленоид, который приводит в действие пневматический или гидравлический клапан, или соленоидный переключатель, который является реле определенного типа. внутри которого используется электромеханический соленоид для управления электрическим выключателем; например, соленоид автомобильного стартера или линейный соленоид, который является электромеханическим соленоидом. Также существуют электромагнитные болты, тип электронно-механического запирающего механизма.

Соленоидный двигатель принцип работы

Соленоидные двигатели могут состоять из одной или нескольких катушек – соленоидов. В первом случае задействована всего лишь одна катушка, при включении и выключении которой происходит механическое движение кривошипно-шатунного механизма. Во втором варианте используется несколько катушек, включающихся поочередно с помощью вентилей, когда подача тока от источника питания осуществляется в один из полупериодов синусоидального напряжения. Возвратно-поступательные движения сердечников приводят в движение колесо или коленчатый вал.

В соответствии с основной классификацией, соленоидные двигатели бывают резонансными и нерезонансными. В свою очередь, существует однокатушечная и многокатушечная конструкции нерезонансных двигателей. Известны также параметрические двигатели, в которых сердечник втягивается в соленоид, но занимает нужное положение при достижении магнитного равновесия после нескольких колебаний. При совпадении частоты сети с собственными колебаниями сердечника может произойти резонанс.

Соленоидные двигатели отличаются компактностью и простотой конструкции. Среди недостатков следует отметить низкий коэффициент полезного действия этих устройств и высокую скорость движения. До настоящего времени эти недостатки не удалось преодолеть, поэтому данные механизмы не нашли широкого применения на практике.

Рабочая катушка однокатушечных устройств включается и выключается с помощью механического выключателя, за счет действия тела сердечника или полупроводниковым вентилем. В обоих вариантах обратный ход обеспечивается пружиной, обладающей упругостью. В двигателях с несколькими катушками рабочие органы включаются только вентилями, когда к каждой катушке по очереди подводится ток в промежутке одного из полупериодов синусоидального напряжения. Сердечники катушек начинают поочередно втягиваться, в результате, это приводит к совершению возвратно-поступательных движений. Эти движения через приводы передаются на различные двигатели, выполняющие функцию исполнительных механизмов.

Мощный соленоид своими руками. Самодельный электромагнит. Как сделать мощный электромагнит

Электромагнит является очень полезным устройством, который массово используется в промышленности и во многих сферах человеческой деятельности. Хоть это устройство и может показаться сложным по своей конструкции, однако оно легкое в изготовлении и маленький домашний электромагнит можно сделать в домашних условиях из подручных средств.

Давайте посмотрим процесс создания этой самоделки в видео:

Для того, чтобы сделать маленький электромагнит в домашних условиях нам понадобится:

– Железный гвоздь или болт; – Медная проволока; – Наждачная бумага; – Алкалиновая батарейка.

В самом начале следует отметить, что не советуется брать слишком толстую проволоку. Медная проволока диаметром в один миллиметр отлично подойдет для будущего электромагнита. Что касается размера гвоздя или болта, то идеальным вариантом будет длина в 7-10 сантиметров.

Итак, приступим к изготовлению мини электромагнита. Вначале нам нужно намотать медную проволоку на болт. Важно обратить внимание на то, чтобы каждый виток плотно прилегал к предыдущему.

Намотать проволоку нужно так, чтобы в обеих концах осталось по куску проволоки.

Осталось лишь подключить наши провода к источнику, а именно алкалиновой батарее. После этого наш болт будет притягивать металлические элементы.

Принцип работы электромагнита очень прост. Когда электрический ток проходит через катушку с сердечником образуется магнитное поле, которое и притягивает металлические элементы. Мощность электромагнита зависит от плотности витка и количества слоев медной проволоки, а также от силы тока.

Электромагнит – это магнит, который работает (создаёт магнитное поле) только при протекании через катушку электрического тока. Чтобы сделать мощный электромагнит, нужно взять магнитопровод и обмотать его медной проволокой и просто пропустить ток по этой проволоке. Магнитопровод начнет намагничиваться катушкой и начнет притягивать железные предметы. Хотите мощный магнит – поднимайте напряжение и ток, экспериментируйте. А чтобы не мучится и не собирать магнит самому, можно просто достать катушку с магнитного пускателя (они бывают разные, на 220В/380В). Достаете эту катушку и внутрь вставляем кусок любой железяки (например, обычный толстый гвоздь) и включаем в сеть. Вот это будет по-настоящему не плохой магнит. А если у вас нет возможности достать катушку с магнитного пускателя, то сейчас рассмотрим, как сделать электромагнит самому.

Читать еще:  Чем диагностировать дизельные двигатели

Толчок в космос

Американское министерство энергетики (DOE), как правило, не занимается разработкой двигательных установок для NASA, однако постоянно работает над созданием сверхпроводящих магнитов и очень быстрых и мощных твердотельных переключателей. В середине 90-х годов Гудвин организовал проект в NASA, в рамках которого нужно было продумать систему двигателя без ракетного топлива, которая использовала бы потенциал высоких энергий и преодолела инерцию.

«Казалось, что есть какой-то способ использовать эту технологию, если объединить ученых DOE и цели NASA, и в принципе, отсюда все и пошло», — говорил Гудвин. От DOE была идея Гудвина использовать в двигательной установке космического корабля переохлажденные сверхпроводящие магниты, вибрирующие 400 000 раз в секунду. Если этот мощный импульс направить в одну сторону, можно создать крайне эффективную двигательную установку со способностью набрать скорость порядка одного процента от световой.

В течение первых 100 наносекунд (миллиардная доля секунды) электромагнит находится в нестабильном состоянии, которое позволяет ему пульсировать крайне часто. После того как этот период проходит, магнитное поле достигает стабильного состояния и пульсация прекращается. Гудвин описывает свой электромагнит как обычный соленоид, который по сути представляет собой сверхпроводящий магнитный провод, обернутый вокруг металлического цилиндра. Вся структура в диаметре составляет 30,5 сантиметра, длина ее 91,4 см, а вес — 25 кг. Провод сделан из ниобий-оловянного сплава. Некоторые из этих проводов будут обернуты в кабель. После этого электромагнит охлаждается жидким гелием до -269,15 градуса по Цельсию.

Чтобы магнит вибрировал, нужно вызвать асимметрию в магнитном поле. Гудвин планировал вводить металлическую пластину в магнитное поле для улучшения колебательных движений. Эта пластину могла быть из меди, алюминия или железа. Алюминиевые и медные пластины лучше проводят и лучше влияют на магнитное поле. Пластина будет заряжена и изолирована от системы, чтобы создать асимметрию. После пластина будет терять электричество в течение нескольких микросекунд, чтобы магнит колебался в нужном направлении.

«И вот, вопрос в том, можем ли мы использовать это нестабильное состояние так, чтобы двигаться в одном направлении?», — спрашивает Гудвин. — «Здесь момент очень спорный. Именно поэтому мы хотели провести эксперимент». В сотрудничестве с Boeing, Гудвин ждет финансирования от NASA, чтобы провести этот эксперимент.

Ключевой деталью системы является твердотельный переключатель, который стал бы посредником для электричества, посылаемого от источника питания к электромагниту. Этот переключатель по большей части включает и выключает электромагнит 400 000 раз в секунду. Твердотельный переключатель выглядит как негабаритный компьютерный чип — представьте себе микропроцессор размером с хоккейную шайбу. Его работа в том, чтобы взять стабильное питание и превратить его в мощный импульс с частотой 400 000 раз в секунду на 30 ампер и 9000 вольт.

Откуда возьмется это питание?

Устройства для самолетов

Работа двигателей данного типа построена на принципе электромагнитной индукции. Для этого статоры применяются трехполюсного типа. Также электромагнитные двигатели летательных аппаратов включают в себя бесщеточные коллекторы. Клеммные коробки в устройствах располагаются над контактными кольцами. Неотъемлемой частью статора является якорь. Вал вращается благодаря роликовым подшипникам. У некоторых модификаций применяются щеткодержатели. Также важно упомянуть о различных типах клеммных коробок. В данном случае многое зависит о мощности модификации. Электромагнитные двигатели для самолетов с целью охлаждения оборудуются вентиляторами.

Часть 1: Как моделировать линейный электромагнитный поршень

Электромагнитный поршень — это электромеханическое устройство, которое преобразовывает электрическую энергию в линейное механическое движение. Примерами могут служить закрытые электромагнитные клапаны, а также закрытые и открытые электромагнитные реле. В этой заметке мы покажем, как моделировать электромагнитный поршень и его динамику. В данном примере он состоит из многовитковой катушки, магнитного сердечника, немагнитных направляющих и магнитного поршня.

Применение электромагнитных преобразователей

Линейные электромагнитные преобразователи широко используются в промышленности в схемах, где требуется линейное движение. Такие устройства нашли широкое применение в электромагнитных реле, электромагнитных клапанах, автоматических выключателях и контакторах. Данные технологии применяются в различных отраслях, таких как сельское хозяйство, строительство, автомобилестроение и роботостроение.


Простейшее электромагнитное реле с механической пружиной, катушкой, якорем и сердечником.

Программное обеспечение COMSOL Multiphysics позволяет проектировать линейные электромагнитные преобразователи. Благодаря встроенному функционалу можно рассчитать механические характеристики, рабочие электрические характеристики, эффективность устройства и рабочую частоту в зависимости от конструкционных параметров (размеров, материалов, входного напряжения, тока и т.д.). Пример более комплексного устройства мы рассмотрим в следующей части.

Моделирование линейного электромагнитного поршня в COMSOL Multiphysics

В этом же блоге мы рассмотрим простейший электомагнитный поршень, который состоит из многовитковой катушки, магнитного сердечника, немагнитых направляющих и магнитного поршня. Как показано на рисунке ниже, эти части соединяются с пружиной и демпфером. После подачи (прямоугольного импульса) тока на катушку соленоида, последний создаёт магнитное поле вокруг магнитного сердечника и поршня. Воздействие магнитного поля создаёт силу, которая втягивает поршень, двигая его вверх и разжимая пружину. При макисмальной силе поршень располагается внутри сердечника таким образом, что магнитный поток замыкается с минимальными потерями.

Читать еще:  Двигатели что ставят на буран

Трёхмерный (слева) и двухмерный осесимметричный (справа) вид электромагнитного поршня в разрезе.

Для тестовой модели Electromagnetic Plunger (Электромагнитный поршень) мы используем двухмерную осесимметричную постановку. Затем добавим интерфейсы Magnetic Fields (Магнитные поля), Moving Mesh (Подвижная сетка) и Global ODEs and DAEs (Глобальные ОДУ и ДАУ), а также выберем исследование — Time Dependent (Нестационарное во временной области). Далее, зададим параметры модели в Global Definitions > Parameters (Глобальные определения > Параметры), как показано на скриншоте ниже.


Список конструкционных параметров для модели электромагнитного поршня.

Для воссоздания большого поступательного перемещения поршня будем использовать «скользящую» сетку для моделирования движения. Для этого в узле Геометрия необходимо разделить подвижную и неподвижную части, создав два разных Union (Объединения). Затем мы завершим создание геометрии, используя узел Form Assembly (Построение сборки), что приведет к автоматическому созданию т.н. тождественной пары (Identity pair) на границе раздела двух Union’ов. Для упрощения моделирования рекомендуется дополнительно создать геометрические выборки (selections) для направляющих, сердечника, катушки, поршня, исходной границы и конечной границы (тождественной пары), а также границы для расчёта силы, как показано на скриншоте ниже.


Различные геометрические выборки для неподвижных и подвижных частей и для идентичных пар в построителе моделей.

Чтобы рассчитать массу поршня, M , которая понадобится для исследования динамики системы, воспользуемся оператором интегрирования, Integration 1 (intop1). Этот оператор вычисляет объём клапана и умножает его на плотность материала. В данном примере поршень сделан из низкоуглеродистой стали 1002 — материала с индексом (mat 3). Также нужно определить переменную для электромагнитной силы, F_z , которую мы будем использовать для расчёта тензора напряжений Максвелла, действующих на поршень. Для этого в физический интерфейс Magnetic Fields необходимо добавить узел Force Calculation (Расчёт силы) и указать имя силы — force . Как это сделать мы подробно объясним в следующем разделе.


Оператор интегрирования и задание переменных.

Моделирование электромагнитных полей в системе

Для расчёта электромагнитных полей в нашем устройстве будем использовать физический интерфейс Magnetic Fields. Чтобы указать то, что поршень сделан из нелинейного магнитного материала, выберем материальную модель H-B curve (H-B-кривая намагничивания) в узле Ampère’s Law (Закон Ампера), который нужно дополнительно добавить в интерфейс. Для сердечника, выполненного из мягкого железа (Soft Iron) проведем аналогичную операцию. Обратите внимание, что в таком случае, имея два различных узла Ampère’s Law, мы можем использовать для поршня и сердечника разные материальные модели при необходимости.

Окно настроек узла Ampère’s Law и H-B-кривая намагничивания нелинейного материала поршня.

С помощью узла Mulit-Turn Coil (Многовитковая катушка) в физическом интерфейсе Magnetic Fields зададим соленоидальную обмотку (Примечание: начиная с версии 5.2a, для этой цели используется узел Coil c опцией Homogenized Multiturn). Обмотка состоит из 200 витков (Nturns = 200) , диаметр провода — 1 mm (Dia_wire = 1 mm) , электрическая проводимость — 6e7 s/m. Протекающий через катушку ток зададим прямоугольным импульсом: I_coil = I0_wire*rect1(t[1/s]) , где rect1() — это прямоугольная функция, определяемая пользователем в Definitions > Rectangle 1. Амплитуда тока I0_wire = 4 A .


Окно настроек узла Multi-Turn Coil (Многовитковая катушка), где заданы выражения для тока и параметры обмотки.

Для расчёта силы, действующей на поршень, добавим узел Force Calculation, который будет рассчитывать силу, действующую на поршень в зависимости от протекаемого тока на основе тензора напряжений Максвелла. Поршень сделан из магнитного материала, поэтому для расчёта мы не можем использовать метод расчёта силы Лоренца, т.к. он подходит только для проводящих немагнитных материалов. Метод расчёта тензора напряжений Максвелла требователен к качеству и разрешению сетки, особенно на границах выбранной области. Чтобы корректно рассчитать силу, рекомендуем провести исследование по сеточной сходимости (mesh refinement study).

Далее, чтобы связать магнитные поля между неподвижными и подвижными частями, нужно добавить граничное условие Continuity (Непрерывность) на соответствующую тождественную пару Identity Pair.

Добавление интерфейса Global ODEs and DAEs

Чтобы описать динамику твёрдого тела (в нашем случае электромагнитного поршня), воспользуемся физическим интерфейсом Global ODEs and DAEs из группы материматических интерфейсов COMSOL Multiphysics. Уравнение движения электромагнитного поршня, прикреплённого снизу к пружине с жёсткостью, k, и к демпферу с коэффициентом затухания, D, имеет следующий вид:

где p — это положение поршня по оси z, v — скорость, M — масса поршня, F_z(p,v,t) — электромагнитная сила, действующая на поршень (против пружины). Приведённое выше уравнение (второго порядка) можно записать, как два раздельных дифференциальных уравнения (первого порядка) для положения поршня и его скорости:

Данные уравнения мы запишем в физическом интерфейсе Global ODEs and DAEs, в котором добавим два отдельных узла global equations (глобальные уравнения), как показано ниже.


Реализация двух дифференциальных уравнений, описывающих движение и положение поршня, в физическом интерфейсе Global ODEs and DAEs.

Моделирование поступательного движения поршня

Для моделирования поступательного движения электромагнитного поршня добавим интерфейс Moving Mesh (Подвижная сетка). Ранее, в учебной модели колеблющегося магнита, мы уже описывали методику того, как применять интерфейс Moving Mesh только к подвижным частям. В нашей модели – это поршень и область воздуха слева от идентичной пары. Воздушная область слева от идентичной пары для упрощения настройки подвижной сетки разделена на три секции. Сетка в верхней и нижней воздушных областях будет сделана деформирующейся, т.е.»расширяющейся» или «сжимающейся», а в средней области распределение будет фиксированным, но при этом она будет передвигаться в соответствии с заданными условиями на границе.

Читать еще:  Dayz как включить двигатель

Затем добавим узел Prescribed Mesh Displacement (Предустановленное смещение сетки) и зададим в поле Prescribed z displacement (Предустановленное смещение по оси z) переменную p , которая будет определять положение поршня. Две вертикальные направляющие, которые мы задали в выборке Guiding Boundaries, ограничены только в направлении r. Так что в окне настроек снимем флажок в поле Prescribed z displacement. На рисунке ниже показано окно настроек физического интерфейса Moving Mesh.

Примечание: Мы специально задали, что поршень двигается вместе с небольшой областью воздуха вокруг него. Это упрощает настройку построения сетки для интерфейса Moving Mesh, так как позволяет использовать структурированную сетку (типа Mapped) для двух других воздушных областей. Мы рассмотрим и более сложные конфигурации сетки во второй части данной серии.


Окно настроек интерфейса Moving Mesh (Подвижные сетки).

Есть и другой вариант настройки подвижных сеток: неподвижные области задаются в узле fixed mesh (фиксированная сетка), в то время как подвижные — с помощью узлов prescribed deformation (предустановленная деформация) в направлении оси z, при этом переменная положения, p , из физического интерфейса Global ODEs and DAEs определяет задаваемое движение.


Альтернативный способ задания настроек интерфейса Moving Mesh.

Анализ результатов расчёта

Результаты расчёта во временной области (time-dependent) электромагнитного поршня можно увидеть на графиках ниже. Мы выполнили расчёт для двух различных коэффициентов затухания. Как и ожидалось, колебания в системе больше при коэффициенте затухания меньшем, чем его критическое значение. Тем не менее, время нарастания импульса короче.

Графики положения поршня (слева) и его электромагнитной силы (справа) в зависимости от времени для разных коэффициентов затухания.

Графики скорости поршня в зависимости от времени для разных коэффициентов затухания (слева) и тока, протекающего по катушке, в зависимости от времени (справа).

На анимации ниже показано движение поршня в зависимости от протекающего в катушке тока. Слева изображена 3D-анимация динамики электромагнитного поршня (визуализируется магнитная индукция). Справа представлены анимированные зависимости положения поршня и тока, протекающего по катушке, от времени.

Заключетельные соображения по моделированию электромагнитных поршней и преобразователей

В данной заметке мы пошагово рассмотрели моделирование линейного/поступательного электромагнитного преобразователя с использованием трёх различных физических интерфейсов: Magnetic Fields (Магнитные поля), Moving Mesh (Подвижная сетка) и Global ODEs and DAEs. Мы показали, как рассчитывать электромагнитную силу, положение поршня и его скорость, связав физические интерфейсы Magnetic Fields и Moving Mesh и записав дифференциальные уравнения, описывающие движение поршня.

Следите за последующими публикациями в нашем корпоративном блоге, чтобы узнать, как можно ещё больше расширить данную динамическую модель поршня за счет учета ограничителей. Во второй части мы рассмотрим, как добавить физический интерфейс Events (События) для моделирования срабатывания и остановки электромагнитного поршня.

Применение электромагнитов

На сегодняшний день электромагниты очень широко распространены. Электромагниты работают практически везде и всюду. Например, если нам надо перетащить достаточно большие грузы, мы используем электромагниты. И, регулируя силу тока, мы будем, соответственно, силу либо увеличивать, либо уменьшать. Еще одним примером использования электромагнитов является электрический звонок.

Открытие и закрытие дверей и тормоза некоторых транспортных средств (например, трамвая) тоже обеспечиваются электромагнитами.

Список литературы

  1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. – М.: Мнемозина.
  2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
  3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Домашнее задание

  1. Что представляет собой катушка?
  2. У любой ли катушки есть магнитное поле?
  3. Опишите простейший электромагнит.

Примеры использования

Рассмотрим несколько примеров работы соленоидов.

Соленоидный Blink

В качестве примера будем включать и выключать соленоид раз в секунду, подключенный через силовой ключ к 4 пину.

Электромеханический ксилофон

Автоматизируем детский музыкальный ксилофон.

Как собрать

В качестве источника звука возьмём детский ксилофон на семь нот. Соленоиды буду играть роль ударной палочки, следовательно понадобится семь соленоидов и семь силовых ключей. Ключи подключим с помощью двух Troyka Pad 1×4 (Troyka-модуль) к управляющей плате Iskra Neo через Troyka Shield.

Подключим Troyka Pad 1×4 к Troyka Shield

После этого установим силовые ключи и кнопку на Troyka Pad 1×4 и подключим к ним соленоиды

Подключим 12 В через разъем внешнего питания к плате Iskra Neo.

Принцип работы

Контроллер понимает мелодии в формате рингтонов Nokia RTTTL и конвертирует их в семинотную мелодию.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector