RU3515U1 - Электромеханический преобразователь возвратно-поступательного и вращательного движений - Google Patents

Abstract

1. Электромеханический преобразователь возвратно-поступательного и вращательного движений, содержащий на общей раме два звена, одно из которых - шток - закреплено с возможностью возвратно-поступательного движения, другое - вал, закреплено с возможностью вращательного движения, одно из звеньев соединено с источником внешней механической энергии - накачкой, второе звено соединено с нагрузкой, отличающийся тем, что к обращенным друг к другу концам штока и отдельно вала присоединены электрические колебательные контуры, один из которых содержит по меньшей мере катушку индуктивности, второй контур - резонансный содержит катушку индуктивности и емкость, катушки индуктивностей закреплены по отношению друг к другу таким образом, что взаимная индукция между ними изменяется при повороте вала от максимального значения при параллельности осей катушек и данном положении штока через нулевое с изменением знака до другого значения, а при движении штока взаимная индукция между контурами изменяется от максимального при данном фиксированном положении вала значения до минимального и обратно, причем резонансная частота второго контура связана с частотой накачки внешней механической силы и частотой выходного звена соотношениемΩ= Ω+Ω,где где Ω- - частота накачки;Ω- резонансная частота второго контура;Ω- - частота движения выходного звена.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что его индуктивный контур заменен сердечником из магнитного материала.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что к одному из контуров подключен источник импульсного тока.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость резонансного контура выполнена пе

Description

о ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО И ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЙ Предлагаемое в качестве полезной модели устройство относится к бласти электромеханики и предназначено для взаимного преобразования возвратно-поступательного и вращательного движений. Аналогами предлагаемому устройству по назначению среди механических устройств являются используемые в двигателях внутреннего сгорания кривошипно-шатунные механизмы (КОЖ) для преобразования возвратно поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, а также механизмы Б.Б.Лопатика (Пат. 2005231-2005233. БИ № 4748. 1993. С. 58-59). Недостатком указанных механизмов является то, что преобразование движений осуществляется путем механического контакта звеньев- механизма что приводит к снижению КЦЦ устройств, износоустойчивости (ресурса) механизмов и их надежности. Так, например, по литературным данным (И.Х.Дьяченко. Теорий двигателей внутреннего сгорания. Машиностроение. 1974. С. 77) общие потери в двигателе ВДМ-35 относительно индикаторной мощности 51,2 л.с. составляют 14,2 л.с., из них собственно потери КОМ составляют 10,2 л.с., т.е. 74$ вбщих потерь приходится на КШМ. Авторы: Р.И.Колотушкин А.Р.Ранта ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Стоимость изготовления коленчатого вала, должного обладать высокой прочностью, жесткостью и износоустойчивостью трущихся частей (шеек), часто составляет 7-15$ стоимости всего двигателя (Двигатели внутреннего сгорания. Устройств© и работа поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С.Орлина и М.Г.Круглова. Маш-стр. 1980. С. 95). Аналогичные потери и требования к обработке следует ожидать и при использовании механизмов Лопатина.

По принципу действия предлагаемое устройство относится к электрическим машинам. Среди этого класса устройств близкими по принципу действия к заявляемой полезной модели является двигатель с возвратно-поступательным движением Е.А.Кузнецова (Д.А.Бут. Бесконтактные электрические машины. Вые. шк. 199Ф.С. ) и магнитный преобразователь возврано-поступательного движения во вращательное Лейтуэта ( Е. $.. L&itwat fe. Линейные электрические машины. ТИИЗР, том 63, вып. 5, 1975). Последнее устройство являетея наиболее близким аналогом предлагаемой модели и выбрано в качестве прототипа.

Схема прототипа приведена на фиг. I. Преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное в прототипе осуществляется на основе синхронной электрической машины с возвратно-поступательным движением, используемой в качестве генератора (звено с возвратно-поступательным движением - I) и однофазного коллекторного двигателя переменного тока, используемого в качестве выходного элемента - звена вращательного движения - 2; 3 - общий магнитопровод. В генераторе за счет движения штока с сердечником в обмотках статора возбуждается ток, создающий магнитное поле. Энергия этого магнитного поля через магнитопр®вод передается к двигателю, возбуждает в зазоре ротора и статора двителя переменное магнитное поле, что приводит к вращению ротора.

Недостатком прототипа является сложность и громоздкость конструкции, вызванная тем, что генератор и двигатель преобразователя пространственно разнесены и 4 энергия от входного звена к выходному передается по жеетквму и объемному магнитопроводу. К недостаткам прототипа следует также ©тнести использование в нем коллекторного двигателя с присущим ему искрением и подгоранием контактов.

Для устранение указанных недостатков прототипа необходимо совмещение магнитных полей генератора и двигателя в едином объеме , чтобы . исключить использование магнитопровода и контактных соединений. Такое решение реализуется в предлагаемой модели.

В предлагаемой модели, как и в аналогах, содержится два звена, закрепленных на общей раме. Одно звено - шток, закреплено с возможностью возвратно-поступательного движения, второе звено - вал, закреплено с возможностью вращательного движения. В зависимости от вида преобразуемого движения к входному звену - штоку или к валу, подсоединяется источн/ик внешней механической энергии - накачка К выходному звену подсоединяется нагрузка. Отличительной особенностью предлагаемого устройства от прототипа является то, что к обращенным друг к другу концам штока и вала . .: . присоединены отдельно два электрических индуктивно связанных колебательных контура, один из которых содержит по меньшей мере только катушку индуктивности, второй контур - резонансный, содержит катушку индуктивности и емкость. Какой из контуров к какому из звеньев присоединен не имеет значения.Оси катушек закреплены таким образом, что при вращении вала взаимная индукция контуров изменяется при вращении вала и данном положении штока от максимального значения при параллельности осей катушек к нулевому значению (при перпендикулярности осей) и при дальнейшем вращении вала вновь начинает возрастать с изменением знака на обратный. При движении штока и при данном фиксированном положении вала взаимная индукция между контурами изменяется от максимального значения до минимального и обратно. За счет внешней переодической накачки штоком или валом, в контурах возникают токи, создающие вокруг катушек магнитные поля. Взаимодействие этих полей приводит к требуемому техническому эффекту е& л/-///

J/c/ //- fl/Ј 3

вращению вала при накачке контуров возвратно-поступательным движении или к возвратно-поступательному движению штока при накачке системы валом. Таким образом взаимодействие входного и выходного звеньев преобразователя осуществляется через электромагнитное поле, сосредоточенное в едином объеме, что исключает необходимость использования каких либо проводных и контактных соединений и при этом отсутствуют потери на трение между этими звеньями. Предлагаемый преобразователь обладает и другими преимуществами перед аналогами, рассматриваемые ниже в практическом его использовании в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств.

Схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 2.

На рисунке: I и 2 - шток и вал, закрепленные на раме 3;

4- электрический контур, содержащий катушку индуктивности Li с входящим в ее провод активным сопротивлением Rd

5- электрический резонансный контур,содержащий катушку индуктивности /-2 емкость С-2 , активное сопротивление .

Устройство работает следующим образом.

За счет внешнего периодического изменения взаимного положения контуров с помощью штока (н§и преобразовании поступательного движения во вращательное ) или с помощью вала (при обратном преобразовании), в контурах возбуждаются токи и возникают :магнитные поля, причем индукционные токи в контурах в соответствии с правилом Ленца (Н.Н.Евграфова и др.. Курс физики. Вые. шк. 1978. С. 301) имеют такие направления, что своим магнитным действием препятствуют наводящему их движению. Пусть, например, шток под действием внешней силы с какого-то момента времени сближает катушки индуктивности контуров, оси которых в этот момент параллельны. Фазы токов при этом в контурах таковы, что индуктивностями возбуждаются встречные магнитные поля Это приводит к противодействию системы внешней силе и к возникновению пары сил, стремящихся при достаточной силе токов повернуть второй контур, связанный с в

алом, на 180° в положение устойчивого равновесия, когда магнитное поле его тока замкнется с магнитным полем первого тока в единый магниный поток, охватывающий оба контура. При обратном движении штока (раздвижке) общее магнитное поле стремиться удержать оси катушек в усточивом состоянии и препятствует раздвижке контуров. При преодолении магнитного отталкивания в начальный момент движения штока и магнитного притяжения при обратном движении движении штока внешней силой совершается работа, часть которой затрачиваеися на возбуждение и поддержание токов в контурах, а часть передается к нагрузке. За полный цикл поступательного движения штока туда и обратно, вал совершает только половину оборота. К моменту следующего цикла движения штока, начинающегося снова со сближения катушек, вследствии колебательного характера тока в резонансном контуре его фаза изменится на 180° и ранее занятое устойчивое положение контура становится неустойчивым и вал совершает следующий полуоборот и возвращается в исходное состояние. Таким образом, для передачи энергии внешней силы к нагрузке в данном примере требуемая частота настройки резонансного контура,совпадающая с частотой вращения вала, должна составлять половину частоты движения штока, т. e.W-H/2 где Sc-н - частота накачки. Теоретический анализ условий взаимного преобразования видов движений в данной системе, выполненный по методике математического описания электромеханических процессов преобразования энергии в электрических машинах (Иванов-Смоленский. Электрические машины. Энергия. 1980. С. 158-162) показал, что в общем случае для наиболее эффективного преобразования энергии в системе -должно обеспечиваться условие, при котором частота накачки, частота настройки резонансного, контура и частота выходного движения связаны соотношением:r- r a, где - частота нахбЧЦр; 52 р - частота настройки резонансного контура; Vt&wx - частота выходного движения. 51н 5V 9 ( l}

В частном случае

Јн 2ЈР (2)

как в рассмотренном примере работы.При этом среднее значение преобразуемой устройством мощности определяется выражением:

рн„ ±-Пт$ Ь п (3)

гдеАчЈХ ВЬ1х°Дная механическая мощность преобразователя;

Ј1 л - токи первого и второго контуров; iffi

/77 - глубина модуляции взаимной индукции;

/л - среднее значение взаимной индуктивности контуров за период;

р - сдвиг фаз между токами контуров.

Разность фаз между токами контуров тем ближе к /Ј , чем выше

добротность контуров V , определяемая выражением:

0--%-, г 1,2 /

,2 индуктивность контуров;

/Jy2 активное сопротивление катушек индуктивности.

Абсолютное значение jr определяет электрический (без учета механических потерь в подшипниках штока и вала) КПД. Реально ожидаемый КПД устройства будет свыше 90%. Знак г определяет вид преобразования. Отметим, что при выполнении в системе условий ( I ), первый контур также целесообразно выполнить резонансным, для чего в первый контур необходимо ввести дополнительную емкость Cj, показанную на фиг.1 условно. Настройка одного из контуров должна совпадать с частотой выходного движения, а второй контур должен быть настроен на разность частот накачки и выходного движения. В частном случае ( 2 ) достаточно иметь один резонансный контур.

С целью упрощения конструкции в относительно маломощных преобразователях индуктивный контур может быть заменен его эквивалентом сердечником из магнитного материала.

3 a/zt//.. ... п м с уска машины токов в контурах могут быть недостаточны для преодоления омента инерции нагрузки. С целью ускорения пуска преобразователя целеообразна подача в начальный момент в резонансный контур импульса тока. В нем возникнет затухающий колебательный процесс и если при этом затухание в контуре амплитуды колебаний за период будет компенсировано величиной приращения тока в контуре за счет модуляции взаимной индуктивности накачкой, то процесс будет находится в состоянии равномерного движения. Таким образом, для улучшения пусковых характеристик преобразователя необходима подача в начальный момент в контура импульса тока. Для этого в преобразователь дополнительно может быть введен источник импульсного тока. В рассматриваемой модели возможна достаточно простая регулировка частоты выходного движения. Из ( I ) следует, что частота выходного движения (количество оборотов вала, например,) равна разности час.накачки и cToTTVнастройки резонансного контура. Отсюда следует, что частота выходного движения при постоянной частоте накачки может изменяться изменением частоты - . резонансного контура (или обоих контуров, если оба резонансных). Это достигается плавным или ступенчатым изменением емкости резонансной частоты колебательного контура. Данное свойство предлагаемого электромеханического преобразователя является важным с точки зрения его практического использования в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств. Дело в том, что одним из серьезных недостатков ДВС с кривошипно- шатунным механизмом является относительно высокая частота вращения коленчатого вала, что приводит к невозможности его непосредственного сопряжения с ведущими колесами транспортного средства и необходимости использования соединительной муфты и коробки передач (см. книгу А.С.Орлина и М.Г.Круглова, стр. 14). Использование в данном случае предлагаемого преобразователя позволит регулировать частоту вращения вала в широких пределах от единиц герц до нескольких десятков. Таким образом, необходимость : сложной соединительной муфты и коробки передач отпадает что значительно упростит 4.

сопряжение двигателя с движетельным устройством транспортного средства

и улучшит эксплуатационные характеристики транспортного средства: управление,обслуживание, надежность.

Кроме того, использование электромеханического преобразователя позволит не только несколько улучшить КЦЦ двигателя, но позволит поновому подойти и к проектированию и компановке самого двигателя.

Один из возможных вариантов использования преобразователя в двигателе внутреннего сгорания, представляемый здесь в качестве полезной модели, приведен на фиг.З. Здесь в состав предлагаемой модели, приведенной на фиг.2, дополнительно введена закрепляемая на общей раме цилиндро-поршневая группа двигателя внутреннего сгорания. На рисунке:

I...5 - то же, что и на фиг.2;

6- корпус цилиндров двойного действия;

7- поршни;

8- единый для поршней цилиндров шток, проходящий через поршни и торцевые стенки цилиндров и соединенный со штоком заявляемого электромеханического преобразователя.

Особенностями данной модели является использование в качестве источника возвратно-поступательной механической накачки цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания двойного действия. Это значит, что у торцов каждого цилиндра оборудуются камеры сгораь ния - две на один цилиндр с необходимой атрибутикой для ввода топливной смеси, выхлопа газов и, при необходимости, системой поджига смеси. В принципе количество цилиндров может быть любым - от одного до несжвльких. Наиболее рациональным является испольаование. цилиндров, поскольку при этом реализуется четырехтактный режим работы ДВС. Достоинством данной модели является простота встраивания цилиндров двойного действия, что повышает один из основных показателей ДВС - цилиндровую мощность двигателя и снижение его общей массы.

у/ Ј//7-7/

I ( J/ / 4, / v-- c

Для экспериментальной проверки принципа работы преобразователя изготовлен макет, внешний вид которого показан на фиг.4. На рисунке:

1- металлические полуоси, изолированные друг от друга;

2- токопроводящие стойки;

3- ограничительные для возвратно-поступательного:,движения насадки;

4- рамка с катушкой индуктивности /.Ј ;

5- постоянный магнит из двух подковообразных включенных образцов;

6- микроамперметр с шунтом для контроля токов;

7- тумблер для переключения полярности подводимого питания;

8- клеммы для подключения к источнику питания.

Учитывая обратимость электрических машин, на данном макете пока испытан режим одновременного возбуждения возвратно-поступательного и вращательного движения полуосей с катушкой индуктивности при подаче на индуктивность переменного тока от единиц до нескольких Гц.

Предлагаемая полезная модель патентуется с многозвенной формулой.

«С-Mf /74/ISfLfI Q

Р (/. К /икё/у /WW &&

VtttnCs цм,

Claims (5)

1. Электромеханический преобразователь возвратно-поступательного и вращательного движений, содержащий на общей раме два звена, одно из которых - шток - закреплено с возможностью возвратно-поступательного движения, другое - вал, закреплено с возможностью вращательного движения, одно из звеньев соединено с источником внешней механической энергии - накачкой, второе звено соединено с нагрузкой, отличающийся тем, что к обращенным друг к другу концам штока и отдельно вала присоединены электрические колебательные контуры, один из которых содержит по меньшей мере катушку индуктивности, второй контур - резонансный содержит катушку индуктивности и емкость, катушки индуктивностей закреплены по отношению друг к другу таким образом, что взаимная индукция между ними изменяется при повороте вала от максимального значения при параллельности осей катушек и данном положении штока через нулевое с изменением знака до другого значения, а при движении штока взаимная индукция между контурами изменяется от максимального при данном фиксированном положении вала значения до минимального и обратно, причем резонансная частота второго контура связана с частотой накачки внешней механической силы и частотой выходного звена соотношением
Ω_н= Ω_р+Ω_вых,
где где Ω_н- - частота накачки;
Ω_р - резонансная частота второго контура;
Ω_вых- - частота движения выходного звена.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что его индуктивный контур заменен сердечником из магнитного материала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что к одному из контуров подключен источник импульсного тока.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что емкость резонансного контура выполнена переменной.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в его состав дополнительно введена закрепленная на общей раме цилиндро-поршневая группа двигателя внутреннего сгорания, содержащая один или несколько цилиндров двойного действия, поршни которых через торцевые стенки цилиндров соединены общим штоком и со штоком электромеханического преобразователя, вал которого соединен с нагрузкой.