RU2753469C1

RU2753469C1 - Linear drive

Info

Publication number: RU2753469C1
Application number: RU2021105429A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Ковалев
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2021-08-17

Abstract

FIELD: linear electric drives.

SUBSTANCE: invention relates to linear electric drives. The linear electric drive contains a housing, in the body of which a toroidal channel filled with liquid is made, a screw-nut transmission, in which a nut fixed from rotation, connected to a hollow sliding rod, mates with a lead screw fixed in the center of an axial turbine with straight blades installed in a toroidal channel. The toroidal channel has branches equipped with check valves, in which axial pumps with check valves are installed, connected to electric motors located in the housing. In front of the turbine, in the direction of fluid movement, there is a guide vane with straight rotary blades installed with the ability to change the angle of rotation relative to the vector of the working fluid flow velocity.

EFFECT: nvention increases the speed of the linear electric drive and increases its reliability.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к линейным электроприводам, применяющимся в различных областях техники, таких как транспортное машиностроение, приборостроение, робототехника и других, где требуется линейное перемещение рабочего органа на заданную величину с заданной скоростью при действии известной внешней нагрузки, которую привод должен преодолевать за счет приложения к рабочему органу необходимого усилия.The invention relates to linear electric drives used in various fields of technology, such as transport engineering, instrument making, robotics and others, where linear movement of the working body by a given value at a given speed is required under the action of a known external load, which the drive must overcome due to the application to the worker body of the necessary effort.

Известные линейные электроприводы содержат электрический мотор, приводящий через редуктор во вращение ходовой винт, сопряженный с гайкой, соединенной со штоком и зафиксированной от вращения. Таким образом, при вращении электрического мотора ходовой винт вращается, а сопряженная с ним гайка получает линейное перемещение и перемещает соединенный с ней шток. Для повышения коэффициента полезного действия вместо обычной передачи винт-гайка используют шариковинтовую передачу. Например, известен Линейный электропривод (п. РФ №2700562 СТ) содержащий винтовой механизм, включающий ходовой винт, взаимодействующую с ним гайку и выдвижной шток. Винтовой механизм соединен с двигателем таким образом, что вращение его выходного вала вызывает осевое перемещение гайки и выдвижного штока относительно корпуса. Также известен, например, Линейный электропривод, содержащий редукторный двигатель, приводящий во вращение шпиндель с резьбой, причем на шпинделе с резьбой установлена гайка для перемещения толкателя (п. РФ №2419009 СТ).Known linear electric drives contain an electric motor driving a lead screw through a gearbox in rotation, coupled with a nut connected to a rod and fixed against rotation. Thus, when the electric motor rotates, the lead screw rotates, and the nut mated with it receives a linear movement and moves the rod connected to it. To increase the efficiency, a ball screw is used instead of the conventional screw-nut transmission. For example, there is a known Linear electric drive (p. RF No. 2700562 ST) containing a screw mechanism including a lead screw, a nut interacting with it, and a sliding rod. The screw mechanism is connected to the motor in such a way that the rotation of its output shaft causes axial movement of the nut and the sliding rod relative to the housing. It is also known, for example, a linear electric drive containing a gear motor driving a threaded spindle into rotation, and a nut is installed on the threaded spindle to move the pusher (p. RF No. 2419009 ST).

К недостаткам этих двух приводов следует отнести то, что оба они приводятся во вращение электромоторами, из-за чего их быстродействие определяется временем рассеивания и накопления якорем электромотора кинетической энергии, отсутствие устройств, защищающих электродвигатель от перегрузки в случае остановки штока под действием нерасчетной нагрузки, а также недостаточная степень надежности, вследствие отсутствия резервирования электродвигателя.The disadvantages of these two drives include the fact that both of them are driven into rotation by electric motors, due to which their speed is determined by the time of dissipation and accumulation of kinetic energy by the electric motor armature, the absence of devices that protect the electric motor from overload in the event of a stem stop under the action of an off-design load, and also an insufficient degree of reliability, due to the lack of redundancy of the electric motor.

Наиболее близким к заявляемому принят линейный электропривод, конструкция которого приведена на http://www.bergab.ru/lmelectro.shtml.The closest to the claimed is a linear electric drive, the design of which is given at http://www.bergab.ru/lmelectro.shtml.

Данный электропривод содержит передачу винт-гайка, устройство вращения ходового винта в виде зубчатой передачи и электродвигатель. При этом двигатель через зубчатую передачу вращает ходовой винт, а сопряженная с ходовым винтом гайка соединена с полым выдвижным штоком. Таким образом, при вращении двигателя, ходовой винт, через зубчатую передачу также получает вращение, за счет чего гайка, зафиксированная от поворота, совершает линейное перемещение вдоль ходового винта, перемещая при этом шток.This electric drive contains a screw-nut transmission, a lead screw rotation device in the form of a gear train and an electric motor. In this case, the motor rotates the lead screw through the gear train, and the nut mated with the lead screw is connected to the hollow rising stem. Thus, when the engine rotates, the lead screw also receives rotation through the gear train, due to which the nut, fixed from rotation, makes a linear movement along the lead screw, while moving the rod.

Данный линейный электропривод обладает рядом достоинств: он конструктивно прост, развивает большие усилия при малой массе и габаритах, осуществляют фиксацию рабочего органа при изменяющейся нагрузке без применения каких-либо дополнительных устройств (за счет свойства самоторможения передачи винт-гайка), и, при должном выборе параметров, не требует в процессе эксплуатации технического обслуживания. К недостаткам такого линейного электропривода следует отнести значительное время, затрачиваемое на реверс направления движения рабочего органа.This linear electric drive has a number of advantages: it is structurally simple, develops large forces with low weight and dimensions, fixes the working body under varying load without the use of any additional devices (due to the self-locking property of the screw-nut transmission), and, with proper choice parameters, does not require maintenance during operation. The disadvantages of such a linear electric drive should be attributed to the significant time spent on reversing the direction of movement of the working body.

Электрический мотор (особенно коллекторный) с цепями управления, в связи с большим количеством составляющих элементов, часть из которых является силовыми, оказывается самым ненадежным элементом линейного электропривода. Следует отметить, что в случае отказа электрического мотора или цепей управления, при применении самотормозящейся передачи винт-гайка, рабочий орган окажется зафиксирован в положении, имевшемся на момент отказа, что в ряде применений ведет к тяжелым последствиям. При этом нельзя повысить надежность путем установки нескольких линейных электроприводов, работающих параллельно, из-за свойств самоторможения передачи винт-гайка.An electric motor (especially a collector motor) with control circuits, due to the large number of constituent elements, some of which are power ones, turns out to be the most unreliable element of a linear electric drive. It should be noted that in the event of a failure of the electric motor or control circuits, when using a self-braking screw-nut transmission, the working body will be fixed in the position that it had at the time of failure, which in a number of applications leads to serious consequences. At the same time, reliability cannot be increased by installing several linear electric drives operating in parallel, due to the self-locking properties of the screw-nut transmission.

Также следует отметить отсутствие в прототипе системы защиты, которая бы предотвращала выход из строя электромотора в случае возникновения ситуации, когда шток привода останавливается под действием нерасчетной нагрузки.It should also be noted that there is no protection system in the prototype that would prevent the failure of the electric motor in the event of a situation when the drive rod stops under the influence of an off-design load.

Таким образом существует проблема разработки линейного электропривода, лишенного данных недостатков.Thus, there is a problem of developing a linear electric drive, devoid of these disadvantages.

Технический результат - повышение быстродействия линейного электропривода и повышение его надежности.The technical result is an increase in the speed of the linear electric drive and an increase in its reliability.

Предлагается линейный электропривод, содержащий корпус, в теле которого выполнен тороидальный канал, заполненный жидкостью и снабженный как минимум двумя разветвлениями, передачу винт-гайка, в которой зафиксированная от поворота гайка, соединенная с полым выдвижным штоком, сопрягается с ходовым винтом, закрепленным по центру осевой турбины с прямыми лопатками, установленной в тороидальном канале, причем перед турбиной, по ходу перемещения жидкости, размещен направляющий аппарат с прямыми поворотными лопатками, установленными с возможностью изменения угла поворота относительно вектора скорости потока рабочей жидкости с помощью переключающего устройства, при этом в разветвлениях тороидального канала, снабженных обратными клапанами, установлены как минимум два осевых насоса, соединенных с электромоторами, расположенными в корпусе.A linear electric actuator is proposed, containing a housing in the body of which a toroidal channel filled with liquid and equipped with at least two branches is made; a turbine with straight blades installed in a toroidal channel, and in front of the turbine, in the direction of fluid movement, there is a guide vane with straight rotary blades installed with the ability to change the angle of rotation relative to the vector of the working fluid flow velocity using a switching device, while in the branches of the toroidal channel equipped with check valves, at least two axial pumps are installed, connected to electric motors located in the housing.

Сущность заявляемого решения иллюстрируется ниже приведенными рисунками.The essence of the proposed solution is illustrated by the following figures.

Фиг. 1 приведена схема линейного электропривода, где 1 - ходовая гайка; 2 - шток; 3 - подшипник; 4 - корпус; 5 - ходовой винт; 6 - диск осевой турбины с прямыми лопатками; 7 - тороидальный канал, заполненный рабочей жидкостью, стрелками указано направление движение рабочей жидкости; 8 - осевой насос; 9 - обратный клапан; 10 - разветвление канала; 11 - электромотор; 12 - поворотная лопатка направляющего аппарата; 13 - переключающее устройство; 14 - уплотнение осевой турбины; 15 - уплотнение вала осевого насоса; 16 - уплотнение штока; 17 - стопор; 18 - лопатка осевой турбины.FIG. 1 shows a diagram of a linear electric drive, where 1 is a running nut; 2 - stock; 3 - bearing; 4 - case; 5 - lead screw; 6 - axial turbine disk with straight blades; 7 - toroidal channel filled with a working fluid, arrows indicate the direction of movement of the working fluid; 8 - axial pump; 9 - check valve; 10 - channel branching; 11 - electric motor; 12 - rotary vane of the guide vane; 13 - switching device; 14 - axial turbine seal; 15 - shaft seal of the axial pump; 16 - rod seal; 17 - stopper; 18 - axial turbine blade.

Фиг. 2. Тороидальный канал с разветвлениями в корпусе линейного электропривода.FIG. 2. Toroidal channel with ramifications in the housing of the linear actuator.

Фиг. 3 Схема взаимодействия потока жидкости в тороидальном канале с лопатками направляющего аппарата и лопатками осевой турбины. Цифрами обозначено: 6 - диск осевой турбины; 8 - осевой насос; 12 - лопатка направляющего аппарата; 18 - лопатка турбины.FIG. 3 Diagram of the interaction of the fluid flow in the toroidal channel with the blades of the guide vane and the blades of the axial turbine. The numbers indicate: 6 - axial turbine disk; 8 - axial pump; 12 - blade of the guide vane; 18 - turbine blade.

Фиг. 4 Схема переключающего устройства, где 12 - лопатка направляющего аппарата; 19 - кольцевой электромагнит; 20 - кольцевой электромагнит; 21 - обмотка электромагнита; 22 - обмотка электромагнита; 23 - кривошип; 24 - ось лопатки направляющего аппарата; 25 - кольцевой якорь, стрелками указаны направления перемещения якоря, 26 - устройство управления.FIG. 4 Diagram of the switching device, where 12 is the guide vane blade; 19 - ring electromagnet; 20 - ring electromagnet; 21 - electromagnet winding; 22 - electromagnet winding; 23 - crank; 24 - axis of the guide vane blade; 25 - annular anchor, arrows indicate the direction of movement of the armature, 26 - control device.

Устройство (фиг. 1, фиг. 2) содержит ходовую гайку 1, закрепленную внутри полого штока 2, который имеет возможность совершать линейное перемещение относительно корпуса 4 под воздействием осевого усилия, возникающего на ходовой гайке 1, сопряженной с ходовым винтом 5 при вращении последнего вокруг своей оси. Винт 5 вращается в подшипниках 3, которые определяют положение винта относительно корпуса 4 и воспринимают, возникающие вследствие взаимодействия винта 5 с гайкой 1, осевые усилия, передавая их на корпус 4. Предотвращение вращения гайки 1 совместно с винтом 5 осуществляют, например, путем установления стопора 17, представляющего собой штифт, который может линейно перемещаться в пазе корпуса 4, препятствуя, вместе с тем, повороту штока 2 и закрепленной внутри него гайки 1 вокруг своей оси. Для защиты внутренней полости линейного электропривода от воздействий окружающей среды шток 2 загерметизирован в корпусе 4 уплотнением 16, например, в виде резинового кольца. Для соединения с элементами устройства, в составе которого используется предлагаемый линейный электропривод, шток 2 и корпус 4 снабжены наконечниками с отверстиями.The device (Fig. 1, Fig. 2) contains a lead nut 1, fixed inside a hollow rod 2, which has the ability to perform linear movement relative to the housing 4 under the influence of an axial force arising on the lead nut 1, coupled with the lead screw 5 when the latter rotates around its axis. The screw 5 rotates in bearings 3, which determine the position of the screw relative to the housing 4 and perceive the axial forces arising from the interaction of the screw 5 with the nut 1, transmitting them to the housing 4. Preventing the rotation of the nut 1 together with the screw 5 is carried out, for example, by installing a stopper 17, which is a pin that can move linearly in the groove of the housing 4, preventing, at the same time, the rotation of the rod 2 and the nut 1 fixed inside it around its axis. To protect the inner cavity of the linear electric drive from environmental influences, the rod 2 is sealed in the housing 4 with a seal 16, for example, in the form of a rubber ring. To connect with the elements of the device, which uses the proposed linear electric drive, the rod 2 and the body 4 are equipped with lugs with holes.

Для приведения во вращение ходового винта 5 применена осевая турбина, в виде диска 6, в центре которого закреплен ходовой винт 5, а на периферии расположены прямые лопатки 18, омываемые потоком рабочей жидкости, движущейся в тороидальном канале 7. Движение жидкости в тороидальном канале 7обусловлено перепадом давления, создаваемым осевыми насосами 8, расположенными в разветвлениях 10 тороидального канала 7. Насосы 8 приводятся во вращение каждый своим электромотором 11, закрепленными в корпусе 4, при этом места входа валов электродвигателей 11 в полость тороидального канала 7 загерметизированы с помощью уплотнений 15, в качестве которых возможно применение, например, магнитных уплотнений, не требующих обслуживания и работающих при высоких угловых скоростях валов. Для предотвращения обратного потока рабочей жидкости через разветвление 10 в случае остановки насоса 8 вследствие отказа электромотора 11 в разветвлениях 10 установлены обратные клапаны 9. Для предотвращения вытекания рабочей жидкости из полости канала в зазоре между корпусом 4 и диском турбины 6 установлены торцовые уплотнения, например, в виде резиновых колец прямоугольного сечения 14. Движущаяся по тороидальному каналу 7 рабочая жидкость проходит вначале через поворотные лопатки направляющего аппарата 12, которые, при необходимости, с помощью переключающего устройства 13, под действием сигналов устройства управления, (фиг. 4, поз.26) могут быть повернуты на угол а по отношению к вектору скорости Са потока жидкости в канале (как показано на фиг. 4). За счет этого, поток жидкости приобретает закрутку, характеризуемую тангенциальной составляющей вектора скорости Cu. При этом поток жидкости набегает на лопатки 18 осевой турбины под углом β (на фиг. 4 не показан), за счет чего на лопатках турбины возникают гидродинамические силы F, создающие на плече R, равном среднему радиусу расположения лопаток 18 на диске 6 турбины вращающий момент, в результате чего турбина приходит во вращение, приводя во вращение закрепленный в диске 6 ходовой винт 5. Переключающее устройство 13, в зависимости от сигналов устройства управления, может придавать углу а различные значения, в частности, угол α может приобретать, например, три значения: α=+ϕ; α=0; α=-ϕ. При этом гидродинамическая сила F также изменяется в диапазоне F=±F, включая F=0, за счет чего ходовой винт может вращаться в разные стороны, или быть остановлен, что, в конечном итоге, позволяет осуществлять управление положением штока 2 относительно корпуса 4.To drive the lead screw 5 into rotation, an axial turbine is used, in the form of a disk 6, in the center of which the lead screw 5 is fixed, and at the periphery there are straight blades 18, washed by the flow of the working fluid moving in the toroidal channel 7. The movement of the liquid in the toroidal channel 7 is caused by a drop pressure created by axial pumps 8 located in the branches 10 of the toroidal channel 7. The pumps 8 are each driven by their own electric motor 11, fixed in the housing 4, while the entry points of the shafts of the electric motors 11 into the cavity of the toroidal channel 7 are sealed with seals 15, as which can be used, for example, magnetic seals that do not require maintenance and operate at high angular shaft speeds. To prevent the backflow of the working fluid through the branch 10 in the event that the pump 8 stops due to the failure of the electric motor 11, check valves 9 are installed in the branches 10. the form of rubber rings of rectangular cross-section 14. The working fluid moving along the toroidal channel 7 first passes through the rotary blades of the guide vane 12, which, if necessary, with the help of a switching device 13, under the action of signals from the control device (Fig. 4, pos. 26) can be rotated at an angle a with respect to the vector of the velocity Ca of the fluid flow in the channel (as shown in Fig. 4). Due to this, the fluid flow acquires a swirl characterized by the tangential component of the velocity vector Cu. In this case, the fluid flow runs onto the blades 18 of the axial turbine at an angle β (not shown in Fig. 4), due to which hydrodynamic forces F arise on the blades of the turbine, creating on the shoulder R equal to the average radius of the location of the blades 18 on the disk 6 of the turbine torque , as a result of which the turbine comes into rotation, driving the lead screw 5 fixed in the disk 6 into rotation. The switching device 13, depending on the signals of the control device, can give the angle a different values, in particular, the angle α can acquire, for example, three values : α = + ϕ; α = 0; α = -ϕ. In this case, the hydrodynamic force F also changes in the range F = ± F, including F = 0, due to which the lead screw can rotate in different directions, or be stopped, which ultimately allows control of the position of the rod 2 relative to the housing 4.

Переключающее устройство (фиг. 4), обеспечивающее поворот лопаток направляющего аппарата на требуемый угол, выполнено, например, в виде кольцевого якоря 25, представляющего собой кольцо из магнитомягкого материала, например, малоуглеродистого железа, с внутренним кольцевым пазом, внутри которого размещены кривошипы 23, закрепленные на осях 24 поворотных лопаток 12 направляющего аппарата. Кольцевой якорь 25 обладает подвижностью вдоль оси кольцевого канала 7 и может перемещаться в ту или иную сторону под действием магнитного поля, создаваемого кольцевыми электромагнитами 20 и 22, возникающего при подаче тока из устройства управления 26 в обмотки 21 или 22, в зависимости от того, на какую величину угла α (+ϕ или -ϕ) необходимо повернуть лопатки направляющего аппарата 12. Оси 24 поворотных лопаток 12 установлены в поворотных лопатках 12 с упреждением по потоку относительно гидродинамического фокуса поворотных лопаток 12, т.е. оси стоят в лопатках впереди фокуса, если ориентироваться по направлению движения жидкости, для того, чтобы при отсутствии тока в обмотках 21 и 22 электромагнитов 19 и 20, гидродинамические силы, возникающие на поворотных лопатках 12, создавали бы относительно осей 24 моменты гидродинамических сил, поворачивающие поворотные лопатки в положение «по потоку», когда α=0. Таким образом, подавая из устройства управления 26 ток в одну из обмоток 21 или 22 электромагнитов 20 или 19, можно управлять положением якоря 25, который притягивается либо к электромагниту 19, либо к электромагниту 20, заставляя кривошипы 23, размещенные в пазе якоря 25, поворачиваться и поворачивать оси 24 вместе с закрепленными на них поворотными лопатками направляющего аппарата 12 на нужный угол а. При отсутствии тока в обмотках 21 и 22 электромагнитов 19 и 20 поворотные лопатки 12 направляющего аппарата под воздействием гидродинамических сил сами поворачиваются в положение α=0.The switching device (Fig. 4), which ensures the rotation of the guide vanes to the required angle, is made, for example, in the form of an annular armature 25, which is a ring made of a soft magnetic material, for example, low-carbon iron, with an internal annular groove, inside which the cranks 23 are located, fixed on the axes 24 of the rotary blades 12 of the guide vanes. The annular armature 25 has mobility along the axis of the annular channel 7 and can move in one direction or another under the action of the magnetic field created by the annular electromagnets 20 and 22, which occurs when current is supplied from the control device 26 to the windings 21 or 22, depending on whether what value of the angle α (+ ϕ or -ϕ) it is necessary to turn the blades of the guide vane 12. The axes 24 of the rotary blades 12 are installed in the rotary blades 12 ahead of the flow relative to the hydrodynamic focus of the rotary blades 12, i.e. the axes stand in the blades in front of the focus, if oriented in the direction of fluid movement, so that in the absence of current in the windings 21 and 22 of the electromagnets 19 and 20, the hydrodynamic forces arising on the rotary blades 12 would create moments of hydrodynamic forces relative to the axes 24 that rotate swivel blades to the "downstream" position when α = 0. Thus, by supplying current from the control device 26 to one of the windings 21 or 22 of the electromagnets 20 or 19, it is possible to control the position of the armature 25, which is attracted either to the electromagnet 19 or to the electromagnet 20, forcing the cranks 23 located in the slot of the armature 25 to rotate and rotate the axes 24 together with the rotary blades of the guide vane 12 fixed on them to the desired angle a. In the absence of current in the windings 21 and 22 of the electromagnets 19 and 20, the rotary blades 12 of the guide vane under the influence of hydrodynamic forces themselves turn to the position α = 0.

Предложенное устройство линейного электропривода позволяет использовать для создания потока рабочей жидкости в кольцевом канале как минимум двух насосов, приводимых во вращение независимыми электромоторами. Однако их количество определяется требуемой степенью надежности и быстродействия устройства. Предложенная система устойчива к одному или нескольким отказам электромоторов, что повышает ее надежность, позволяя, за счет использования электромоторов, большей чем нужно для нормальной работы мощности, сохранить (в случае отказа одного или нескольких электромоторов) расчетные параметры устройства, такие как скорость перемещения штока и преодолеваемая нагрузка. Кроме того, предложенное устройство не вызывает перегрузки используемых электромоторов в случае прекращения перемещения штока при возникновении нерасчетной нагрузки: даже в случае остановки вращения ходового винта и, следовательно, приводящей его во вращение турбины, насосы и электромоторы продолжат вращаться, а выделяющееся при их работе тепло пойдет на нагрев рабочей жидкости и будет рассеяно через стенки канала в окружающую среду.The proposed device for a linear electric drive makes it possible to use at least two pumps driven in rotation by independent electric motors to create a flow of a working fluid in an annular channel. However, their number is determined by the required degree of reliability and speed of the device. The proposed system is resistant to one or more failures of electric motors, which increases its reliability, allowing, due to the use of electric motors, more power than needed for normal operation, to maintain (in the event of failure of one or more electric motors) the design parameters of the device, such as the speed of movement of the rod and overcome load. In addition, the proposed device does not cause an overload of the used electric motors in the event of stopping the movement of the rod when an off-design load occurs: even if the rotation of the lead screw and, therefore, the turbine driving it stops, the pumps and electric motors will continue to rotate, and the heat released during their operation will go on heating the working fluid and will be scattered through the channel walls into the environment.

При использовании в качестве моторов 11, приводящих во вращение насосы 8, коллекторных двигателей, например, RS550S, имеющих частоту вращения n=15000 об/мин, при радиусе Rл концов лопастей насосов 8, например Rл=20 мм, получаем скорость концов лопастей насосов Vк=π*n30*Rл=31.4 м/с. Параметр у, определяющий отношение скорости потока Сн, протекающего через насос, к скорости концов лопастей Vк, согласно [В.М. Черкасский. Насосы. Вентиляторы. Компрессоры. М., «Энергия», 1977, с. 227], может быть выбран в диапазоне ψ=0.4 - 0.8. Приняв среднее ψ=0.6 получим скорость потока Сн в канале насоса Сн=ψ*Vк=18.84 м/с. Конструктивно возможно получить отношение Ω суммарной площади сечения каналов насосов Sн к площади сечения кольцевого канала Sкк, при, например, 4-х насосах, в пределах Ω=0.6-0.8. Принимая среднее Ω=0.7, исходя из соображений неразрывности потока, получим скорость потока в кольцевом канале Са=Ω*Сн=13.188 м/с. Учитывая требование безотрывного обтекания поворотных лопаток направляющего аппарата, можно принять, что максимальное абсолютное значение угла а поворота направляющих поворотных лопаток составляет 12°. Пренебрегая потерями, можно принять, что тангенциальная составляющая скорости потока в кольцевом канале, после прохождения направляющего аппарата, повернутого на угол α, будет Си=Ca*tan(a)=2.8 м/с. Закрученный поток, воздействуя на лопатки 18 осевой турбины, вызовет вращение турбины с угловой скоростью ωт. За счет наличия тангенциальной составляющей скорости потока Cu, лопатки 18 осевой турбины будут обтекаться потоком под углом атаки β, за счет чего на лопатках 18 турбины возникнет гидродинамическая сила, имеющая составляющую, направленную по нормали к хорде лопатки. Данная составляющая гидродинамической силы вызовет вращение осевой турбины с угловой скоростью ют, за счет чего лопатки 18 турбины приобретут линейную скорость Vт, направленную в ту же сторону, что и Cu. За счет наличия линейной скорости Vт угол атаки β лопаток 18 турбины будет уменьшаться, и, в пределе, когда линейная скорость Vт сравняется с тангенциальной скоростью потока Си угол атаки β лопаток 18 турбины окажется равным нулю. В реальности, за счет наличия сил трения при вращении ходового винта 5, сопряженного с ходовой гайкой 1, данное предельное состояние достигнуто быть не может, однако позволяет оценить теоретически возможную максимальную угловую скорость вращения турбины. Пренебрегая потерями и трением, задавая средний радиус лопаток 18 осевой турбины Rлт=50 мм, что приемлемо по конструктивным соображениям, получим теоретическое максимальное значение угловой скорости турбины ωт≈Cu/Rлт=56.06 с^-1. В случае вращения ходового винта 5, сопряженного с ходовой гайкой 1, закрепленной в штоке 2, когда к штоку 2 приложена внешняя сила, преодолевая которую шток перемещается, турбина, преодолевая силы трения в паре винт-гайка, будет вращаться с некоторой угловой скоростью, меньшей теоретически рассчитанной максимальной, и чем больше будет внешняя сила, приложенная к штоку, тем с меньшей скоростью будет вращаться турбина, вплоть до полной остановки. При полностью остановленной турбине лопатки 18 турбины будут обтекаться потоком под максимальным углом атаки β и турбина будет развивать максимальный крутящий момент.When using as motors 11, driving the pumps 8, collector motors, for example, RS550S, having a rotational speed of n = 15000 rpm, with a radius Rl of the ends of the pump blades 8, for example Rl = 20 mm, we obtain the speed of the ends of the pump blades Vk = π * n30 * Rl = 31.4 m / s. The parameter y, which determines the ratio of the flow rate Cn flowing through the pump to the speed of the ends of the blades Vк, according to [V.M. Cherkassky. Pumps. Fans. Compressors. M., "Energy", 1977, p. 227], can be selected in the range ψ = 0.4 - 0.8. Taking the average ψ = 0.6, we obtain the flow rate Cn in the pump channel Cn = ψ * Vк = 18.84 m / s. Structurally, it is possible to obtain the ratio Ω of the total cross-sectional area of the pump channels Sн to the cross-sectional area of the annular channel Sкк, with, for example, 4 pumps, within Ω = 0.6-0.8. Taking the average Ω = 0.7, proceeding from considerations of flow continuity, we obtain the flow velocity in the annular channel Ca = Ω * Cn = 13.188 m / s. Taking into account the requirement of a continuous flow around the guide vanes, it can be assumed that the maximum absolute value of the angle a of rotation of the guide vanes is 12 °. Neglecting the losses, it can be assumed that the tangential component of the flow velocity in the annular channel, after passing the guide vane rotated through the angle α, will be Cu = Ca * tan (a) = 2.8 m / s. The swirling flow, acting on the axial turbine blades 18, will cause the turbine to rotate with an angular velocity ωt. Due to the presence of the tangential component of the flow velocity Cu, the blades 18 of the axial turbine will be flown around with a flow at an angle of attack β, due to which a hydrodynamic force will arise on the blades 18 of the turbine, having a component directed along the normal to the chord of the blade. This component of the hydrodynamic force will cause the axial turbine to rotate with an angular velocity yt, due to which the turbine blades 18 will acquire a linear velocity Vt directed in the same direction as Cu. Due to the presence of the linear velocity Vt, the angle of attack β of the turbine blades 18 will decrease, and, in the limit when the linear velocity Vt equals the tangential flow rate Cu, the angle of attack β of the turbine blades 18 will be equal to zero. In reality, due to the presence of frictional forces during the rotation of the lead screw 5, coupled with the lead nut 1, this limiting state cannot be reached, however, it makes it possible to estimate the theoretically possible maximum angular velocity of rotation of the turbine. Neglecting losses and friction, setting the average radius of the blades of the 18 axial turbine Rlt = 50 mm, which is acceptable for design reasons, we obtain the theoretical maximum value of the angular velocity of the turbine ωt≈Cu / Rlt = 56.06 s ^-1 . In the case of rotation of the lead screw 5, coupled with the lead nut 1 fixed in the rod 2, when an external force is applied to the rod 2, overcoming which the rod moves, the turbine, overcoming the frictional forces in the screw-nut pair, will rotate at a certain angular velocity less theoretically calculated maximum, and the greater the external force applied to the rod, the lower the speed the turbine will rotate, up to a complete stop. When the turbine is completely stopped, the turbine blades 18 will be flown around at the maximum angle of attack β and the turbine will develop maximum torque.

Оценим соотношение кинетической энергии, запасаемое вращающимися деталями для предложенного устройства и для линейного электропривода, в котором ходовой винт получает вращение от редуктора, приводимого, в свою очередь от вышеупомянутого электромотора RS550S. Будем считать, что ходовые винты, гайки и штоки в обеих вариантах одинаковые. Энергией, которую запасает ходовой винт и энергией, запасаемой редуктором пренебрежем, исходя из предположения о малости ее значений. Таким образом, в предлагаемом устройстве кинетическую энергию запасает осевая турбина, состоящая из диска 6 с лопатками 18, а в предложенном для сравнения электроприводе кинетическую энергию запасает якорь электромотора RS550S. Из-за большого количества лопаток 18 турбины силы, действующие на каждую лопатку в отдельности невелики, что позволяет использовать для изготовления лопаток 18 и диска 6 использовать материалы малой прочности, например, пластмассы, например поликарбамид, обладающий низкой плотностью (1100 кг/м³). Якорь коллекторного мотора RS550SH изготовлен из железа с обмотками из медной проволоки, и эти материалы обладают большой плотностью (7800 кг/м³ для железа и 8900 кг/м³ для меди). Принимая диаметр якоря равным 0.7 наружного диаметра электромотора RS550SH, равного 38 мм, а длину якоря равной 0.85 длины электромотора RS550SH, что приемлемо по конструктивным соображениям, считая якорь сплошным цилиндрическим телом с плотностью 7800, принимая диаметр диска 6 осевой турбины 88 мм и толщиной 18 мм с 26 лопатками 18, высотой 6 мм и толщиной 2 мм, выполненных из поликарбоната, что приемлемо по конструктивным соображениям, получим отношение θ осевого момента инерции якоря]я и осевого момента инерции осевой турбины JтLet us estimate the ratio of kinetic energy stored by rotating parts for the proposed device and for a linear electric drive, in which the lead screw receives rotation from a gearbox driven, in turn, from the aforementioned RS550S electric motor. We will assume that the lead screws, nuts and rods are the same in both versions. We will neglect the energy stored by the lead screw and the energy stored by the gearbox, based on the assumption that its values are small. Thus, in the proposed device kinetic energy is stored by an axial turbine, consisting of a disk 6 with blades 18, and in the proposed electric drive for comparison, the kinetic energy is stored by the armature of the RS550S electric motor. Due to the large number of turbine blades 18, the forces acting on each blade separately are small, which makes it possible to use materials of low strength for the manufacture of blades 18 and disc 6, for example, plastics, such as polyurea, which has a low density (1100 kg / m ³ ) ... Anchor RS550SH collector made of iron of the motor with windings of copper wire, and these materials have a high density (7800 kg / m ³ for iron and 8900 kg / m ³ for copper). Assuming the armature diameter equal to 0.7 of the outer diameter of the RS550SH electric motor, equal to 38 mm, and the armature length equal to 0.85 of the length of the RS550SH electric motor, which is acceptable for design reasons, considering the armature to be a solid cylindrical body with a density of 7800, assuming the diameter of the 6-axis turbine disk is 88 mm and 18 mm thick with 26 blades 18, 6 mm high and 2 mm thick, made of polycarbonate, which is acceptable for design reasons, we obtain the ratio θ of the armature axial moment of inertia] I and the axial moment of inertia of the axial turbine Jt

θ=Jя./Jт=4.4θ = Jя. / Jт = 4.4

В связи с геометрически сложной формой турбины, представляющей собой диск 6 с лопатками 18, для определения величин Jя и Jт была использована утилита программы autoCAD, определяющая, в том числе, осевые моменты инерции тел относительно оси вращения, с учетом плотности используемых материалов. Принимая теоретически достижимую угловую скорость вращения турбины ωт=56 с^-1, угловую скорость якоря мотора RS550SH ωям=π*т/30=1570, получим отношение А угловой скорости якоря мотора RS к угловой скорости осевой турбиныIn connection with the geometrically complex shape of the turbine, which is a disk 6 with blades 18, the autoCAD program utility was used to determine the values of J and J, which determines, among other things, the axial moments of inertia of bodies relative to the axis of rotation, taking into account the density of the materials used. Taking the theoretically achievable angular velocity of rotation of the turbine ωt = 56 s ^-1 , the angular velocity of the armature of the RS550SH motor ωam = π * t / 30 = 1570, we obtain the ratio A of the angular velocity of the armature of the RS motor to the angular velocity of the axial turbine

Кинетическая энергия вращающегося тела определяется как Е=J*ω²/2, поэтому отношение Λ кинетической энергии вращающегося якоря мотора RS и кинетической энергии осевой турбины будетKinetic energy of a rotating body is defined as E = J * ω ^2/2, therefore, the ratio Λ of the kinetic energy of a rotating motor armature RS and the kinetic energy of the axial turbine will

Найденная величина Λ показывает, насколько меньше необходимо затратить времени на раскрутку осевой турбины до своей максимальной угловой скорости сот по сравнению с временем раскрутки якоря коллекторного мотора RS550SH до своей угловой скорости соям, при номинальной для мотора RS550SH подводимой мощности без учета коэффициента полезного действия. Такое же примерно будет и отношение времени выбега якоря к времени выбега осевой турбины. Полученная оценка позволяют сделать вывод о том, что заявленный линейный электропривод будет обладать лучшими характеристиками быстродействия, чем взятый для сравнения линейный электропривод с ходовым винтом, приводимым во вращение через редуктор электромотором, а большая по абсолютному значению величина Λ позволяет сделать вывод о том, что данный вывод о преимуществе заявленного устройства будет справедлив для широкого спектра возможных значений конструктивных параметров (обороты мотора, диаметр диска турбины, скорость потока рабочей жидкости в кольцевом канале и прочих), предложенных к сравнению линейных электроприводов.The found value of Λ shows how much less time is needed to spin up the axial turbine to its maximum angular velocity of the honeycomb compared to the time of the armature of the collector RS550SH motor to its angular velocity soy, at the nominal input power for the RS550SH motor without taking into account the efficiency. The ratio of the armature run-out time to the run-out time of the axial turbine will be approximately the same. The obtained estimate allows us to conclude that the declared linear electric drive will have better performance characteristics than the linear electric drive taken for comparison with a lead screw driven through a gearbox by an electric motor, and a large absolute value of Λ allows us to conclude that this the conclusion about the advantage of the claimed device will be true for a wide range of possible values of design parameters (motor speed, diameter of the turbine disk, flow rate of the working fluid in the annular channel, etc.) proposed for the comparison of linear electric drives.

Claims

1. Linear electric actuator containing a body in the body of which a toroidal channel filled with liquid and equipped with at least two ramifications is made, a screw-nut transmission, in which a nut fixed from rotation, connected to a hollow sliding rod, mates with a lead screw fixed in the center an axial turbine with straight blades, installed in a toroidal channel, and in front of the turbine, in the direction of fluid movement, there is a guide vane with straight rotary blades installed with the possibility of changing the angle of rotation relative to the vector of the working fluid flow velocity using a switching device, while in the branches of the toroidal ducts equipped with check valves, at least two axial pumps are installed, connected to electric motors located in the housing.

2. Linear electric drive according to claim. 1, in which the switching device is made in the form of a movable armature with a groove, moving under the action of the forces of attraction of the ring magnets and acting on the cranks of the blades of the guide vanes.