Электромагнитный двигатель возвратно-поступательного движения

 

Полезная модель относится к электромагнитным двигателям с возвратно-поступательным движением исполнительного органа и может быть использована для привода различных автоматических устройств, в частности в качестве электропривода прессовых насосов, компрессоров, вибраторов и других устройств, выполняющих линейные возвратно-поступательные движения. Электромагнитный двигатель возвратно-поступательного движения, содержащий статор с обмоткой, пустотелый якорь с толстыми обрезающими стенками, опирающимися на цилиндрический сердечник из немагнитного материала (например, бронза) зафиксированного по резьбе в кожухе контргайкой, причем в цилиндрическом сердечнике из немагнитного материала в глухой выточке установлена демпферная пружина, второй конец демпферной пружины опирается на внутреннюю выточку в дне стакана якоря. Цилиндрический сердечник верхней частью неподвижно закреплен в кожухе, а в нижней части его выполнена глухая выточка в которую введен один конец демпферной пружины, а второй конец ее опирается на внутреннюю поверхность выточки стакана, неподвижный сердечник, выполнен из бронзы, подвижный стакан якоря выполнен с поперечным сечением равным поперечному сечению магнитопровода статора.

Полезная модель относится к электромагнитным двигателям с возвратно-поступательным движением исполнительного органа и может быть использована для привода различных автоматических устройств, в частности в качестве электропривода прессовых насосов, компрессоров, вибраторов и других устройств, выполняющих линейные возвратно-поступательные движения.

Известен электродвигатель возвратно-поступательного движения, содержащий неподвижный магиитопровод, выполненный их двух частей и тороидальной катушки управляемой от источника переменного тока через диод. Кольцевой якорь выполнен в виде тонкостенного ферромагнитного кольца подвижного в зазоре между внутренней и внешней частями магнитопровода, где внутренняя часть магпитопровода расположена внутри кольцевого якоря, выполненного полым, причем внешняя часть магпитопровода охватывает якорь снаружи (авт. св. СССР 339072, М. Кл H02K 83/02, опубл. 15.05.1972).

Рассмотренный электродвигатель с возвратно-поступательным движением малоэффективен в работе, т. к. якорь его выполнен из тонкостенного ферромагнитного кольца из-за быстрого насыщения магнитным потоком.

Известен электромагнитный двигатель возвратно-поступательного движения, содержащий цилиндрический статор с обмоткой и дисковый якорь с двумя размещенными коаксиальными ферромагнитным цилиндрами — полым и сплошным, где обмотка возбуждения выполнена в виде двух коаксиальных катушек охватывающих ферромагнитные цилиндры (авт. св. СССР 855888, М. Кл H02K 33/02, опубл. 15.08.1981).

Однако электромагнитный двигатель ненадежен в работе из-за сильного прямого электромеханического удара и кроме того нет смягчения от механического обратного удара покрышке двигателя при возврате якоря.

Известен также электродвигатель возвратно-поступательного движения, содержащий магнитопровод индуктора (статора), обмотку, установленную в нем, цилиндрический якорь со иноком, комбинированный винт, крышку, контргайку и возвратную пружину. Цилиндрический якорь разметен в полости магнитопровода индуктора с рабочим зазором. Якорь в исходном положении с одной стороны поджат пружиной, а с другой комбинированным типом, гладкая часть боковой поверхности которого является направляющей и введена во внутреннее глухое отверстие якоря. Комбинированный винт установлен в крышке и зафиксирован контргайкой (авт. св. СССР 1725330 A1, H02K 33/00, H01F 7/16, опубл. 07.04.1992).

Рассмотренный электродвигатель возвратно-поступательного движения имеет относительно повышенные потери магнитного потока в «воротничке» при поперечном переходе через паразитный зазор из статора в цилиндрическую боковую часть якоря. Кроме того при возврате якоря в исходное положение под действием сжатой возвратной пружины возможны механические удары якоря по крышке с фиксатором хода якоря, что снижает надежность и долговечность работы двигателя.

Наиболее близким но технической сущности и достигаемому эффекту является линейный электромагнитный привод пресса (пат. РФ 2193943, С2 7 B21I 7/30, B 30, B 1/42, опубл. 10.12.2002), содержащий статор, состоящий из цилиндрического ярма с размещенной в нем катушкой (обмоткой) и пустотелым якорем в виде стакана с тонкими образующими стенками опирающимися внутренней боковой поверхностью на наружную образующую боковую поверхность внутреннего ферромагнитного сердечника. В верхней части стакана и ферромагнитного сердечника имеются буртики. Якорь в начальном положении установлен с условием, что расстояние между буртиком ферромагнитного сердечника и упором направляющего кожуха меньше, чем величина рабочего хода якоря.

Рассмотренный линейный электромагнитный привод пресса имеет относительно повышенный шум при возвратном ударе дна стакана о торцевую поверхность сердечника, кроме того механический удар сердечника по кожуху двигателя также снижает надежность и долговечность привода.

Задачей настоящей полезной модели является повышение надежности и долговечности электромагнитного двигателя возвратно-поступательного движения за счет гашения механического удара по кожуху при обратном ходе якоря.

Технический результат заключается в повышении надежности и долговечности конструкции двигателя и его оборудования, служащего для штамповки тонколистовых материалов, насосов, компрессоров, вибраторов и других устройств.

Поставленная задача решается тем, что в электромагнитном двигателе возвратно-поступательного движения, включающего статор с обмоткой, пустотелый якорь с толстыми образующими стенками, опирающимися на цилиндрический сердечник из немагнитного материала (например, бронза) зафиксированного по резьбе в кожухе контргайкой, причем в цилиндрическом сердечнике из немагнитного материала в глухой выточке установлена демпферная пружина, второй конец демпферной пружины опирается на внутреннюю выточку в дне стакана якоря.

Кроме того и электромагнитный двигатель возвратно-поступательного движения имеет неподвижный сердечник, выполненный из бронзы и с поперечным сечением равным поперечному сечению магнитопровода статора.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен разрез электромагнитного двигателя возвратно-поступательного движения, где позициями обозначены:

1 — цилиндрический статор;

2 — обмотка;

3 — пустотелый якорь;

4 — буртик якоря;

5 — верхний торец магнитопровода статора;

6 — внутренняя поверхность пустотелого якоря;

7 — неподвижный сердечник из немагнитного материала;

8 — кожух;

9 — контргайка;

10 — глухая выточка в немагнитном сердечнике;

11 — демпферная пружина;

12 — выточка в дне стакана;

13 — возвратная пружина;

14 — рабочий зазор;

15 — шлиц для регулирования упругости демпферной пружины.

Электромагнитный двигатель возвратно-поступательного движения содержит цилиндрический статор 1, внутри которого установлена обмотка 2, пустотелый якорь 3 в виде стакана с толстыми стенками и буртиком якоря 4, установленным на одной линии с верхним торцом магнитопровода статора 5, пустотелый якорь своей внутренней поверхностью 6 опирается на неподвижный сердечник из немагнитного материала 7 (например, бронза), зафиксированного по резьбе в кожухе 8 контргайкой 9, причем в цилиндрическом сердечнике из немагнитного материала 7 в глухой выточке 10 установлена демпферная пружина 11, второй конец демпферной пружины опирается на выточку 12 в дне стакана якоря 3, а сам якорь опирается на возвратную пружину 13, образуя рабочий зазор 14, сердечник из немагнитного материала 7 зафиксирован по резьбе в кожухе 8 и поджат контргайкой 9, в резьбовой части сердечника 7 имеется шлиц 15 для регулирования упругости демпферной пружины 11. Для повышения надежности функционирования и уменьшения трения якоря о стенки сердечника статора, неподвижный сердечник выполнен из бронзы с поперечным сечением равным поперечному сечению магнитопровода статора.

Электромагнитный двигатель возвратно-поступательного движения работает следующим образом.

При подаче импульса тока в обмотку 2 в двигателе возникает магнитное поле, которое приводит в движение пустотелый якорь 3. Причем, расположение кромки буртика 4 якоря 3 против верхнего торца 5 магнитопровода статора позволяет повысить начальную электромагнитную силу. По мере продвижения вниз пустотелого якоря 3 электромагнитная сила между кромками буртика 4 якоря 3 и магнитопровода статора 5 уменьшается, но сильно возрастает электромагнитная сила в нижнем рабочем зазоре 14, которая сжимает возвратную пружину 13 производит работу устройства. После совершения работы импульс тока в обмотке 2 отключается и якорь 3 под действием силы сжатой возвратной пружины 13 мягко из-за тормозящего действия демпферной пружины 11 возвращается в исходное положение, после чего электромагнитный двигатель готов к следующему импульсу тока. Эффективность заявляемого электромагнитного двигателя возвратно-поступательного движения надежность и долговечность повышается за счет устранения значительной части механической энергии удара якоря о кожух при обратном ходе.

1. Электромагнитный двигатель возвратно-поступательного движения, содержащий магнитопровод статора с обмоткой, якорь, выполненный из двух частей, одна из которых выполнена в виде подвижного стакана, а другая, расположенная внутри первой, — в виде цилиндрического сердечника, обе они выполнены с буртиками в верхней части, кроме того, направляющий кожух выполнен также с упором, а якорь в начальном положении установлен с условием, что расстояние между буртиком цилиндрического сердечника и упором направляющего кожуха меньше, чем рабочий ход якоря, отличающийся тем, что цилиндрический сердечник верхней частью неподвижно закреплен в кожухе, а в нижней части его выполнена глухая выточка, в которую введен один конец демпферной пружины, а второй конец ее опирается на внутреннюю поверхность выточки стакана.

2. Электромагнитный двигатель возвратно-поступательного движения по п.1, отличающийся тем, что неподвижный сердечник, выполнен из бронзы.

3. Электромагнитный двигатель возвратно-поступательного движения по п.1, отличающийся тем, что подвижный стакан якоря выполнен с поперечным сечением равным поперечному сечению магнитопровода статора.

Преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное и двухцилиндровый двигатель на его основе

Сухаревский Владимир Владимирович
ООО «Ланфрейм», г. Москва
кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Аннотация
Рассматривается предлагаемый автором преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное. Преобразователь содержит вращающийся ротор и пару движущихся возвратно-поступательно параллельно оси ротора штоков. На штоках и роторе установлены магниты. Одноименные полюса магнитов ротора, обращенные к штоку расположены вдоль замкнутой линии, имеющей в направлении оси вращения ротора по крайней мере один локальный максимум и один локальный минимум. Противолежащий указанным полюсам магнита ротора, полюс магнита штока, размером вдоль оси ротора не превышает расстояния от локального минимума до локального максимума указанной замкнутой линии вдоль оси ротора и имеет противоположную полярность. При этом указанная замкнутая линия такова, что когда полюса магнитов одного штока достигают в крайней точке своего движения областей локальных максимумов линии полюсов магнитов ротора, полюса магнитов другого штока достигают крайней точки своего движения в областях локальных минимумов указанной линии. Вектор выходного вращающего момента преобразователя параллелен оси ротора, что позволяет использовать его в двигателях внутреннего сгорания.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, магнит, преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное

Abstract
A reciprocating into rotary motion converter proposed by the author comprises a rotor and a pair of rods reciprocates in parallel to the axis of rotor. On the rotor and the rods are mounted magnets. One polarity poles of the rotor magnet or the magnet rod facing the rod are arranged along a closed line having a rotation axis direction of the rotor, at least one local maxima and one local minima. The opposing poles of said rotor magnet, the magnet pole rod, the size along the axis of the rotor does not exceed the distance from the local minima to the local maxima of said closed line along the rotor axis and has the opposite polarity. This closed line such that when the poles of the magnets of one rod reach the extreme point of its motion areas of local maxima lines of the poles of the magnets of the rotor, the poles of the magnets of the other rod reach the extreme point of its movement in the areas of local minima specified line. The output torque vector parallel to the rotor axis and so converter suitable for use in an internal combustion engine.

Keywords: internal combustion engine, magnet, reciprocating into a rotary motion converter

Библиографическая ссылка на статью:
Сухаревский В. В. Преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное и двухцилиндровый двигатель на его основе // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 10. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2014/10/39944 (дата обращения: 09.12.2022).

В настоящее время в развитых странах проводятся исследования новых режимов сгорания топлива в поршневом двигателе [1]. В частности, интерес проявляется к детонационным режимам окисления топлива, имеющим более высокую отдачу механической энергии по сравнению с обычным дефлаграционным горением, используемым в двигателях. 
Однако, использование детонации затрудняется тем, что преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное, используемый в современных двигателях – кривошипно-шатунный механизм – не способен выдерживать детонационные нагрузки. От них разрушается коленчатый вал, нарушается смазка стенок цилиндра, используемого вместе с поршнем как пара трения. В результате двигатель выходит из строя.  
Решением проблемы мог бы стать свободнопоршневой двигатель, многочисленные модификации которого разрабатывались с 1960-х годов [2]. Однако до сих пор не удалось разработать систему передачи мощности от поршня к выходному валу с низкими потерями.
Таким образом, на сегодняшний день не существует эффективных двигателей, которые могли бы использовать высокоэнергетическое (детонационное) топливо. 
Автором был предложен бесконтактный магнитный преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное [3], содержащий вращающийся ротор и двигающийся возвратно-поступательно шток. На штоке установлены магниты штока с круглыми полюсами, обращенными к ротору, а на роторе – магниты ротора с волнообразными полюсами, обращенными к полюсам штока. 

Фиг.1 Внутренняя часть преобразователя, предложенного в [3]. 1 – магниты ротора, 2 – магниты штока, 3 – шток, 6 – полюса магнитов штока. Корпус, подшипники и ротор не показаны.

Недостатком указанного решения является то, что использовать несколько преобразователей, штоки которых должны двигаться в противофазе, как например, в двухцилиндровом двигателе в противоположно движущимися поршнями, затруднительно из-за необходимости синхронизации как штоков, так и роторов двух преобразователей.  
Предлагаемый для устранения этих недостатков преобразователь содержит:
— ротор, не имеющий возможности перемещаться вдоль оси вращения, с закрепленным на указанном роторе магнитом ротора, 
— пару штоков, движущихся возвратно-поступательно противоположно друг другу параллельно оси вращения ротора, без возможности вращения вокруг своих осей, с закрепленными на указанных штоках магнитами штоков,
— корпус и подшипники,
— одноименные полюса или единственный полюс магнита ротора, обращенные к штокам, расположены вдоль замкнутой линии, имеющей в направлении оси вращения ротора, по крайней мере, один локальный максимум и один локальный минимум,
— указанная замкнутая линия такова, что когда полюса магнитов одного штока достигают в крайней точке своего движения области локального максимума указанной линии, полюса магнитов другого штока также достигают крайней точки своего движения, но в области локального минимума указанной линии,
— противолежащие указанным полюсам магнита ротора, полюса магнитов штоков, размером вдоль оси ротора не превышают расстояния от локального минимума до локального максимума указанной замкнутой линии вдоль оси ротора и имеют противоположную полярность.
Указанная замкнутая линия может представлять собой непрерывную кривую, ломаную или их комбинацию. Линия является воображаемой и отражает зону действия полюсов магнита ротора. 
Штоки движутся всегда с одинаковой амплитудой в противофазе, т.е. в противоположных направлениях, одновременно достигая крайних положений своего движения, что должно обеспечиваться внешним к преобразователю синхронизатором. Амплитуда может немного отличаться, но отклонение должно быть в пределах зоны действия притяжения полюсов, чтобы магнитная связь не нарушалась. 
Указанная линия должна быть такой формы, чтобы, когда полюса магнитов одного штока достигают локальных максимумов линии полюсов ротора, полюса магнитов другого штока – локальных минимумов указанной линии. В таком случае при движении штоков будет создаваться вращающий момент на роторе. 
Полюс магнита штока, противолежащего полюсу или полюсам магнитов ротора, расположенным вдоль указанной замкнутой линии, должен быть, по крайней мере, не больше размером, чем расстояние между локальными минимумами и локальными максимумами этой кривой в проекции на ось ротора. В противном случае при возвратно-поступательном движении штока практически не будет создаваться вращающего момента на роторе. Оптимально, чтобы размер полюсов магнитов штока и магнитов ротора вдоль оси ротора был одинаковым.
Под локальным минимумом и локальным максимумом понимаются соответственно локальный минимум и локальный максимум по оси Z, совпадающей с осью ротора трехмерной функции, во всех точках совпадающей с указанной замкнутой линии.

Фиг.2 Преобразователь с ротором 4 с магнитом ротора 1, полюса которого 7 расположены вдоль линии 5, имеющей один минимум и один максимум в направлении осей штоков 3. Показаны линии 5 по верхнему и нижнему краю магнитных полюсов 7, с минимумом и максимумом по оси Z, параллельной осям штоков 3 и ротора 4. Магниты штока 2 расположены под углом 180 градусов.

На Фиг. 2 представлен один из самых простых вариантов предложенного преобразователя. 
Для пуска преобразователя желательно придать ротору 4 начальное вращение в необходимом направлении, на тот случай, если штоки находятся в мертвых точках и направление движения ротора при начале их движения не определено.
Во время хода штоков 3 в противоположных направлениях ротор 4 под действием магнитной силы взаимодействия магнитов штоков 2 и магнита ротора 1 вращается. Взаимодействие происходит по типу «винт-гайка», т.к. полюс магнита ротора имеет наклон. Удерживающие подшипники, корпус и внешняя к преобразователю система синхронизации штоков на Фиг.2 не показаны. 
В момент прохождения минимума и максимума указанной линии полюсов 5 вращающего момента не создается (мертвые точки), для их прохождения необходимо, чтобы ротор 4 вращался в нужную сторону. Это достигается при запуске преобразователя начальным вращающим моментом ротора 4 в нужном направлении, далее мертвые точки проходятся за счет инерции вращения ротора 4.
Минимум и/или максимум линии полюсов 5 может быть определенной продолжительности, типа “плато”. Это может дать возможность увеличить время нахождения штока вблизи мертвой точки, например, для улучшения процессов газообмена в двигателе, использующем предлагаемый преобразователь.
Вращающий момент только одного направления на роторе 4, заданный начальным импульсом вращения при запуске создается за счет притяжения разноименных полюсов магнита штоков 6 и полюса магнита ротора 7. Магнит ротора 1 изображен наборным из множества магнитов. Поскольку любой магнит состоит из большого количества элементарных магнитов, можно считать, что магнит ротора один, или их несколько. Прохождение минимума и максимума линии полюсов 5 совпадает с крайним положением штока 3 при возвратно-поступательном движении. Таким образом, амплитуда движения штоков 3 определяет, какое необходимо расстояние между минимумом и максимумом линии полюсов 5 по оси штока 3. 

Фиг.3 Схема действия магнитов штока 2 по линии 5. Эта линия развернута на плоскость, перпендикулярную оси ротора, поэтому ось Z в каждой точке этой линии направлена радиально от оси ротора.

На Фиг. 3 показана схема взаимодействия магнитов штоков 2 преобразователя с магнитом ротора 1 по линии полюсов 5, которая имеет один локальный минимум и один локальный максимум. Схематическое изображение наглядно показывает взаимодействие полюсов магнитов штока и ротора в плоском отображении. В реальности взаимодействие происходит в трехмерном пространстве.
После прохождения локального минимума или локального максимума наклон линии полюсов 5 меняется, при этом меняется и направление движения штоков 3. При этом направление вращающего момента на роторе преобразователя не меняется.
Передача мощности от движущихся поступательно штоков 3 к вращающемуся ротору 4 происходит, когда полюса магнитов штока 6 и ротора 7 находятся в устойчивой окрестности друг друга, когда притяжение полюсов магнитов ротора 7 и штока 6 не разрывается. Магнитный поток в зазоре между полюсами магнитов штока 6 и ротора 7 при этом практически не меняется.
Максимальная сила удержания магнитов ротора 1 и магнитов штока 2 должна быть больше внешней силы, тормозящей ротор 4 (нагрузки), иначе будет происходить проворачивание магнитов ротора 1 относительно магнитов штока 2 в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора 4, т. е. будет происходить срыв режима передачи мощности.
Во время срыва режима передачи мощности передача мощности от штока 3 к ротору 4 равна передаче мощности от ротора 4 к штоку 3, поэтому итогового преобразования движения не происходит. При этом магнитный поток в зазоре испытывает сильные колебания, что может повлечь появление мощных наведенных токов. Однако если использовать материалы с высоким омическим сопротивлением, шихтованные и т.д., то потери энергии будут невелики. 
Преобразователь предпочтительно проектировать таким образом, чтобы доля магнитов в объеме преобразователя была максимальной, т.к. передаваемый вращающий момент напрямую зависит от объема магнитов.
Магнит в предлагаемом решении может быть как постоянный, так и электромагнит, а также их сочетания. Наиболее эффективны редкоземельные постоянные магниты, например, железо-неодим-бор или самарий-кобальт, они практически не подвержены размагничиванию [4].
Использование комбинации «постоянный магнит – электромагнит» позволяет усиливать магнитную связь магнитов штока и магнитов ротора при высокой внешней нагрузке на преобразователь путем дополнительного подмагничивания полюсов, или наоборот, отключать магнитную связь (электромагнитное сцепление). Электромагнит может представлять собой обмотки вокруг магнитов штоков, подключенные к источнику питания через скользящий контакт.

Фиг.4 Штоки 3 с магнитами 2 и магниты (один магнит) ротора 1 с семью максимумами и минимумами.

На Фиг.4 показан магнит ротора 1 с семью максимумами и минимумами линии 5 в направлении осей штоков 3. Такая конструкция позволяет уменьшить количество оборотов ротора 4 при той же частоте колебаний штока 3, а также увеличить объем магнитов ротора.
Наклон и количество локальных максимумов и минимумов линии полюсов 5 определяет кинематическую характеристику преобразователя – соотношение скоростей штока 3 и ротора 4 в режиме передачи мощности.

ФИГ.5 Схема действия магнитов штока 2 по линии 5 для конфигурации, изображенной на Фиг.4.

На Фиг. 5 видно, что при достижении полюсами магнитов одного штока минимумов линии 5, полюса магнитов другого штока достигают максимумов линии 5. Количество максимумов или минимумов линии 5 на единицу больше количества магнитов штоков 2 в угловом направлении, что позволяет уплотнить магнитную систему.
Изображенный на Фиг.2 вариант преобразователя наглядно демонстрирует принцип работы предлагаемого преобразователя, но его конструкцию необходимо оптимизировать следующим образом: 
— полюса магнитов штоков имеют круглую форму одного размера, 
— ширина полюса магнита ротора в направлении оси ротора равна диаметру круглого полюса магнита штока, 
— указанные замкнутые линии имеют одинаковое количество локальных минимумов и локальных максимумов, с расстояниями от локальных минимумов до локальных максимумов вдоль оси ротора, равными длине возвратно-поступательного хода штоков, 
— полярность полюсов магнитов штока чередуется в направлении оси штока,
— штоки имеют одинаковое четное количество рядов полюсов магнитов штоков в направлении оси штока,
— количество локальных максимумов указанных замкнутых линий полюсов магнитов ротора на единицу больше общего количества рядов полюсов магнитов штоков в угловом направлении вокруг оси ротора.
В свою очередь, указанная замкнутая линия может иметь различную форму:
— указанные замкнутые линии имеют форму синусоид, спроецированных на цилиндрическую поверхность, и смещенных друг от друга на равное расстояние вдоль оси ротора, 
или
— указанные замкнутые линии имеют форму волнообразных эквидистантных линий на цилиндрической поверхности.
Синусоида, спроецированная на цилиндр, в цилиндрических координатах имеет вид:

z = Asin(kφ), r = const,

где A — амплитуда синусоиды, соответствующая половине хода штока, k — целое число, количество локальных максимумов или минимумов, φ – угловая координата.
Угловое направление и осевое направление вдоль оси штока понимаются соответственно как угол φ и координата z в цилиндрических координатах, где ось Z направлена вдоль оси ротора. 
Эквидистантные волнообразные линии на цилиндрической поверхности определяются как линии, у которых расстояния между каждыми точками соседних линий вдоль оси ротора одинаковы, и все точки этих линий лежат на некоей цилиндрической поверхности. В данном решении ось этого цилиндра направлена вдоль оси ротора, а его радиус равен расстоянию от оси ротора до полюсов магнитов ротора.
Для увеличения плотности магнитной системы, можно использовать количество магнитов одного штока, равное количеству максимумов указанных линии, уменьшенное на единицу и деленное пополам. Магниты штока располагаются перпендикулярно оси штока в одной полуплоскости относительно оси ротора, при этом если полюса магнитов одного штока направлены на локальные максимумы указанной линии, то полюса магнитов другого – на минимумы. Это увеличивает плотность магнитной системы преобразователя и увеличивает его эффективность.
Для увеличения передаваемого усилия количество магнитов штоков и магнитов ротора может быть увеличено в осевом направлении. Наиболее эффективно увеличивать количество парами магнитов с чередующейся полярностью полюсов, т.к. при этом можно замкнуть магнитные потоки через магнитопроводы штока, а магнитное притяжение полюсов магнитов ротора и магнитов штока будет усилено магнитным отталкиванием от соседних полюсов.
Магниты ротора также чередуются полярностью, поэтому магнитный поток от них может быть замкнут через магнитопроводы ротора.
Если шток и ротор изготовлены из электротехнической стали, они целиком могут выполнять роль магнитопроводов.
Поршневой двухцилиндровый двигатель, использующий описанный преобразователь, может быть как тепловым внутреннего или внешнего сгорания, так и, например, пневматическим.  
Рассмотрим кинематическую схему двухцилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания на базе предложенных преобразователей. 
На Фиг.6 показана внутренняя часть двухцилиндрового двигателя с противоположным движением поршней 11. Показана система синхронизации, состоящая из жестко соединенных с направляющими 8 штанг 10, шевронных шестеренок 12 и шевронных реек 13. Направляющие 8 двигаются по роликовым подшипникам 9. Видно, что соседние поршни 11 движутся в противофазе, что обеспечивается шевронными шестеренками 12 с рейками 13, а поршни 11, расположенные «по диагонали» – движутся синхронно, что обеспечивают жесткие штоки 10.

 

Фиг.6 Внутренняя часть двухцилиндрового двигателя с противоположным движением поршней 11

Такая синхронизация позволяет минимизировать количество направляющих подшипников 9, а при противоположно вращающихся роторах 4 – минимизировать также и нагрузку на направляющие подшипники 9 и шевронные шестеренки 12.
Использование именно двух цилиндров обусловлено тем, что при меньшем количестве цилиндров не удается добиться устойчивой работы двигателя, а при большем количестве – повышается сложность конструкции и потери на силы трения. Однако, возможно использовать в качестве силового агрегата несколько установленных на одном выходном валу двухцилиндровых двигателей по настоящему изобретению.

Фиг.7 Один из возможных вариантов двухцилиндрового двигателя с преобразователем в разрезе. Вспомогательные системы двигателя, такие как стартер, продувочный насос, система управления впрыском, не показаны.

На Фиг. 7 показан двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания в разрезе с преобразователем с шестью слоями магнитов ротора 1, шестью группами по три магнита штока 2, установленных в корпусе 19 посредством направляющих 8, жестко связанных со штоками 3 и подшипников 9.
Высокая эффективность работы магнитной системы достигается при минимальных воздушных зазорах. Поэтому все магнитные потоки должны быть по возможности замкнуты. Это можно реализовать в данном преобразователе, используя несколько рядов магнитов штока 2 и магнитов ротора 1 с чередующейся полярностью, как показано на Фиг.7. Замыкание потоков происходит через шток 3 и ротор 4, изготовленных из материала с высокой магнитной проницаемостью.
Кроме того, эффективность преобразователя возрастает за счет отталкивания одноименных полюсов магнитов штока 6 и ротора 7 при смещении полюсов относительно положения равновесия. На Фиг.7 рабочие полюса магнитов ротора 7 не видны, т.к. обращены к штоку 3.
Двигатель работает по двухтактному дизельному циклу с прямоточной продувкой от компрессора (на Фиг. 7 компрессор не показан). Воздух от компрессора через продувочный ресивер (ресивер на Фиг. 7 не показан), впускной патрубок 25 и продувочное окно 18 попадает в цилиндр 16, сжимается поршнем 11, и при достижении поршнем внутренней мертвой точки, через форсунки 17 в цилиндр 16 подается топливо. Момент времени подачи топлива регулируется автоматизированной системой управления впрыском, учитывающей данные с датчика положения поршня (на Фиг. 7 система управления и датчик не показаны). После взрыва и такта расширения продукты сгорания удаляются через выпускное окно 15 и далее в выхлопной патрубок 14. При этом во время расширения в одном цилиндре 16, в другом происходит сжатие свежего заряда воздуха. Таким образом, в любой момент времени в двигателе совершается работа – по крайней мере, в одном из цилиндров происходит такт расширения.
Поступательное движение штоков 3 передается жестко связанным с ними магнитам штоков 2, которые, взаимодействуя с магнитами ротора 1, приводят ротор 4 во вращение. Ротор 4 вращается на шарикоподшипнике 27, установленном на корпусе 19.
Крутящий момент передается на выходные валы 26 посредством зубчатой ременной передачи, состоящей из шестерней 21 и ремней 20. Может быть использован также любой подходящий способ передачи – шестеренчатая, цепная, непосредственная и т.д. 
Выходные валы 26 должны вращаться в противоположные стороны, что обеспечивается коническими шестернями 22 и шестерней 23 вала отбора мощности 24. Шестерни 22 и 23 предпочтительно помещать в кожух с трансмиссионным маслом (на Фиг.7 кожух не показан).
Противоположное вращение роторов 4 позволяет снизить нагрузку с подшипников 9, т.к. противоположные моменты реакции вращения будут компенсироваться благодаря жестким штангам 10.
Пуск двигателя осуществляется электростартером, подключаемым на время пуска к валу 24 (на Фиг. 7 стартер не показан). В режиме пуска преобразователи используются как преобразователи вращательного движения в возвратно-поступательное. Ротор 4 раскручивается, поршни 11 сжимают воздух в цилиндрах 16, в которые при достижении внутренней мертвой точки подается топливо.
Регулировка мощности производится регулировкой количества топлива, подаваемого в цилиндр 16 через форсунки 17. Это может определяться как продолжительностью впрыска, так и количеством задействованных форсунок 17.
Предотвращение ударов поршней 11 друг об друга происходит благодаря сопротивлению сжатого воздуха в цилиндрах 16.
Двигатель может быть выполнен на керамических подшипниках и с воздушным охлаждением. Это возможно благодаря тому, что вектор вращающего момента параллелен оси цилиндра 16, и поршень 11 не создает боковой нагрузки на стенку цилиндра 16, а также благодаря возможности использовать высокие степени сжатия, обеспечивающие высокий КПД и относительно низкую температуру выхлопных газов.
Двигатель на базе предлагаемого преобразователя может выполняться и по четырехтактному циклу. Компоновка цилиндров при этом должна быть оппозитной, для наполнения цилиндров воздухом предпочтительно использовать быстродействующие электромагнитные клапана.
Для увеличения мощности, можно размещать на одном выходном валу 24 несколько предлагаемых двигателей. 
Модель преобразователя была подвергнута расчету максимального передаваемого момента [3] в программе FEMM [5]. Оказалось, что при внешнем диаметре магнитов штока 150 мм, внешнем диаметре ротора 300 мм и ходе штока 40 мм максимальный передаваемый вращающий момент от каждого преобразователя составляет около 250 Н•м, а для двигателя в целом 500 Н-м. Этой величины достаточно для работы двигателя и транспортного средства, использующих двигатель с преобразователем указанных размеров.
Передаваемый вращающий момент при необходимости может быть увеличен наращиванием как радиальных, так и осевых габаритов преобразователя, например, количеством магнитов штоков 2. Выбор определяется требованиями к компоновке двигателя в транспортном средстве.

Библиографический список

1. U.S. Department of Energy, “Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Technology – a Report to the U.S. Congress”, April 2001, c.1-5
2. Асеев Е.Н., Эпштейн А.С. Конструирование и расчет безвальных генераторов газа. – М.: Машгиз, 1962, с. 323-350
3. Сухаревский В.В. Модель преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное // Современные научные исследования и инновации. 2014 №7 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/07/36455 (дата обращения: 31.07.2014)
4. Альтман А. Б., Герберг А.Н. и др. Постоянные магниты. Справочник. – М.: Энергия, 1980, с. 389 – 433
5. Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов: Магнитные цепи, поля и программа FEMM. – М.: Издательский центр “Академия”, 2005, с. 191-226

---

Количество просмотров публикации: Please wait

Все статьи автора «Сухаревский Владимир Владимирович»

Поршневой двигатель — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Поршневой двигатель — это двигатель, в котором используется один или несколько поршней для преобразования давления во вращательное движение. Они используют возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение поршней для передачи этой энергии. ^[1] Существует множество различных типов, включая двигатель внутреннего сгорания, который используется в большинстве автомобилей, паровой двигатель, являющийся типом двигателя внешнего сгорания, и двигатель Стирлинга. Роторный двигатель будет выполнять ту же задачу, что и поршневой двигатель, но совершенно по-другому из-за его треугольного ротора.

Как это работает

Все типы имеют один или несколько поршней, которые следуют четырехтактному циклу, показанному на рис. 1. Обычные конфигурации блоков цилиндров включают один ряд цилиндров (в линию), два ряда, сходящихся к точке ( V-образный двигатель), двойной зигзаг (W-образный двигатель) и два горизонтальных ряда (оппозитный двигатель). ^[1] Упомянутые выше двигатели (внутреннего сгорания, паровые, Стирлинга) используют несколько разные процессы для завершения цикла, поэтому будет рассмотрен общий случай (как показано на рисунке 2).

1. Впуск: Для начала цикла топливная смесь подается внутрь цилиндра через впускной канал, расширяя поршень до дна цилиндра.
2. Сжатие: Затем поршень толкается вверх, сжимая топливную смесь и воспламеняя ее через свечу зажигания.
3. Зажигание: Зажигание толкает поршень вниз, обеспечивая полезную работу двигателя.
4. Выхлоп: Химические отходы выводятся через выпускное отверстие, и цикл повторяется.

Четырехтактный цикл дает двигателю энергию, но теперь он должен преобразовать эту энергию во вращательную энергию для трансмиссии, приводного вала и колес. Это делается коленчатым валом, который показан на рисунке 2. Коленчатый вал преобразует это движение вверх и вниз во вращательное движение, которое часто сочетается с маховиком для сохранения прерывистой возвратно-поступательной энергии в виде энергии вращения.

Для дополнительной информации

• Двигатель внутреннего сгорания
• Двигатель внешнего сгорания
• Двигатель Стирлинга
• Энергия вращения
• Топливо
• Или просмотрите случайную страницу

Ссылки

1. ↑ ^{1. 0 1.1} двигатель-поршневые-двигатели.html
2. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: http://en.wikipedia.org/wiki/Internal_combustion_engine#mediaviewer/File:4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif
3. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ac/Cshaft.gif

Стр. Поршневой двигатель, патент № 10480

Поделиться этой страницей:

дата изготовления

1853

производитель

Пейдж, Чарльз Графтон

Описание (краткое)

Запатентованная модель электровоза Чарльза Пейджа 1853 года. Патент США 10480 «Электромагнитный двигатель», выданный 31 января 1854 г. Чарльзу Г. Пейджу. Клейм производителя не сохранилось. Четыре соленоида из толстых проводов установлены горизонтально, а скользящая рама перемещает якорь туда и обратно от катушек. Рычажный механизм приводит в действие небольшой маховик. Двухосный поршневой двигатель. Заявка на патент: Использование горизонтальных «осевых» стержней в сочетании с электромагнитами и якорями, а также использование квадратных проводов в конструкции спиралей. Ссылка: У. Джеймс Кинг, «Развитие электрических технологий в XIX веке».век, стр. 270.

Местоположение

В настоящее время не отображается

Посмотреть больше товаров в

Работа и промышленность: электричество

Местоположение

Национальный музей американской истории

Идентификационный номер

ЭМ.252672

каталожный номер

252672

регистрационный номер

49064

Имя объекта

Мотор

электродвигатель

Тип объекта

Патент Модель

Другие термины

Мотор; магнитные устройства; электромагнитные устройства; Электромагнитные устройства

Размеры

в целом: 5 1/4 дюйма x 11 дюймов x 4 3/4 дюйма; 13 335 см x 27,94 см x 12 065 см

Идентификатор записи

нмах_705564

Применение

CC0

Этот носитель находится в общественном достоянии (без ограничений авторского права).