Линейные электродвигатели
Содержание
Среди электродвигателей наиболее распространены те, в которых энергия тока преобразуется в кинетическую энергию вращательного движения. Мы знаем их по многим устройствам, даже для повседневного использования. Однако есть и менее известные двигатели, но тоже важные и очень интересные, в которых текущая энергия преобразуется в кинетическую энергию поступательного движения. Это так называемые линейные двигатели, которым мы уделим некоторое внимание.
Рис. 1. Конструкция простейшего линейного электродвигателя:
1 – щелочная батарея типа «пальчик»;
2, 3 – цилиндрические неодимовые магниты; 4 – спираль из медного провода без изоляции; 5 – линейка или полоска;
N, S – полюса магнита.
Характерная черта линейные электродвигатели заключается в том, что преобразование текущей энергии в кинетическую энергию поступательного движения происходит без каких-либо промежуточных механических элементов, таких как шестерни, рейки или кривошипно-шатунные механизмы. В результате эти моторы имеют очень простую конструкцию и отличаются высокой надежностью.
Поэтому нам понадобится немного материалов и инструментов для проведения следующих экспериментов. Все, что вам нужно, это несколько цилиндрических неодимовых магнитов, покрытых защитным слоем никеля, несколько метров медной проволоки, круглые щелочные батарейки (пальцевого типа) и кусочки стержней из изоляционного материала.
Самый простой линейный электродвигатель
Для сборки двигателя наматываем от нескольких десятков до нескольких сотен витков медного провода диаметром 1-2 мм без изоляции на круглый стержень диаметром на 0,5-1 мм больше, чем у неодимовых магнитов. Витки должны быть намотаны аккуратно рядом друг с другом – они не должны пересекаться друг с другом. Проще всего использовать провод, покрытый тонким слоем серебра, применяемый для соединений в электронных схемах, — посеребрение. Если такой у нас нет, снимаем эмаль с изолированного провода наждачной бумагой. Чтобы было проще, можно заранее нагреть проволоку до покраснения в пламени горелки или газовой плиты.
Рис. 2. Способ создания магнитного поля
через сечение спирали в простейшем линейном двигателе
электрический:
I – сила тока; в – скорость;
цифры 1-4 означают те же элементы, что и на рис.1.
Стаскиваем намотанную проволоку со стержня, получая спираль со слегка разнесенными витками, которые не могут соприкасаться друг с другом (рыс. 1). Спираль можно приклеить снизу кусочками скотча к линейке или полоске. Поместите один цилиндрический неодимовый магнит на концы круглой батареи. Магниты должны быть на 1-2 мм больше диаметра батареи и обращены к батарее одинаковыми полюсами. С очень сильными неодимовыми магнитами следует обращаться осторожно, так как они могут болезненно защемить кожу пальцев или сломаться при ударе друг о друга.
Готовый двигатель представляет ФОТ. 1. Для его запуска полностью задвигаем аккумулятор с магнитами в спираль (для удобства далее магниты и аккумулятор будем называть тележкой). Затем мы заметим, что тележка будет либо выталкиваться из спирали, либо втягиваться и… выходить из нее на другом конце. Если тележку толкают, переверните ее и вставьте другим концом в спираль.
Фото 1. Пример простейшего исполнения, линейный электродвигатель.
Почему это работает
Сейчас мы объясним, почему наш чрезвычайно простой двигатель ведет себя таким удивительным образом? Давайте посмотрим на рыс. 2. После вставки тележки в спираль электрический ток течет от положительного полюса батареи через приложенный к ней магнит (точнее его никелевое покрытие), спираль поворачивается между магнитами ко второму магниту – к отрицательному полюсу. Фрагмент спирали между магнитами становится соленоидом, по которому течет ток.
Этот соленоид имеет два магнитных полюса, которые взаимодействуют с полюсами неодимовых магнитов. Правда, мы имеем довольно сложную систему всего из шести полюсов, между которыми есть и притяжение, и отталкивание, однако решающим фактором является взаимодействие ближайших полюсов соленоида и магнитов, для которых силы имеют наибольшие стоимость (рыс. 3). В результате на тележку действует равнодействующая сила, вызывающая ее смещение.
Рис. 3. Система сил, действующих на линейную «тележку»
электрический двигатель:
Fp3,4, Fp2,4 – силы
притяжение магнитов 2 и 3 соответственно, и
спиральный участок 4;
Fo3,4, Fo2,4 – силы отталкивания,
магниты 2 и 3 и спиральная секция 4 соответственно;
Fw – результирующая сила; N, S – полюса магнита; в – скорость.
Пытливый читатель, вероятно, заметит, что магниты тоже взаимодействуют и должны отталкиваться друг от друга, поскольку обращены друг к другу одинаковыми полюсами. Это верно, но силы, с которыми магниты взаимодействуют друг с другом, являются внутренними силами тележки и не могут заставить ее двигаться. Они только жмут батарею.
Более того, полюса магнитов наводят в стальном корпусе батареи противоположные полюса (это полюса S на рис. 2) и можно сказать, что благодаря этому пары полюсов МВ, расположенных близко друг к другу, «нейтрализуются» . Если батарея была слишком короткой или не имела стальной крышки, то тележка разваливалась из-за отталкивания магнитов. Поскольку внутренние силы не могут заставить тележку двигаться, они не показаны на рис. 3 для простоты.
Работа двигателя также можно объяснить, если предположить, что силовые линии магнитного поля вокруг магнитов искривлены. В результате возникает составляющая вектора индукции магнитного поля, перпендикулярная виткам спирали, по которым протекает электрический ток (рыс. 4). По известным правилам, например по правилу трех пальцев левой руки, на витки действует электродинамическая сила, направленная вдоль оси спирали. Он стремится сместить спираль, но это невозможно, потому что спираль упирается в стол. В этой ситуации, согласно третьему закону динамики, спираль действует на тележку с силой реакции, направленной в противоположную сторону, и вызывает ее смещение. После того, как тележка переместилась, магниты активируют следующие витки спирали. Эти витки становятся еще одним соленоидом, для которого описанная ситуация повторяется до тех пор, пока тележка не «доедет» до конца спирали и из нее не выйдет один магнит.
Линейный двигатель на двух спиралях
Рис. 4. Альтернативный способ объяснения принципа действия
линейный электродвигатель:
N, S – полюса магнита;
Б – индукция магнитного поля;
I – сила тока;
F – электродинамическая сила, действующая на спираль;
Fr – сила реакции, действующая на тележку;
в – скорость.
Простейший линейный двигатель с кареткой, движущейся внутри спирали, не всегда самый полезный. Иногда тележка может застрять внутри спирали, особенно когда витки намотаны неаккуратно или слишком далеко друг от друга. Затем тележку следует как можно скорее вытолкнуть неферромагнитным стержнем, т. к. блокировка быстро разрядит аккумулятор и нагреет его.
Несмотря на это, для определенных применений тележки необходимы для движения по рельсам, а не по туннелю. Поэтому будем строить сейчас линейный двигатель на две спирали (рис. 5). Для этого наматываем спирали на два стержня или трубки из изоляционного материала, например пластика, диаметром около 15 мм и длиной несколько десятков см, располагая витки равномерно рядом друг с другом.
На этот раз мы будем использовать эмалированную проволоку диаметром 0,5-1 мм. Проволоку следует предохранить от разматывания, например, приклеив ее начало и конец клейкой лентой к стержню. После намотки спиралей удалите эмаль с их наружных поверхностей, протерев ее мелкой наждачной бумагой (рис. 6). Обе спирали располагаем параллельно друг другу на расстоянии 1-2 мм. Это можно сделать с помощью арматуры, прикрученной к концам брусков. В самом простом случае достаточно изоленты, которой несколько раз обматываем прутья на концах – сначала каждый по отдельности, а затем после их соединения.
Рис. 5. Конструкция линейного электродвигателя с двумя спиралями:
1 – щелочная батарея типа «пальчик»;
2, 3 – цилиндрические неодимовые магниты;
4, 5 – спирали из медной проволоки в эмали, выведенные наружу;
6, 7 – изоляционные стержни;
8 – разъем.
Когда мы ставим тележку на спирали, так же, как и раньше, мы замечаем ее смещение (ФОТ. 2). Если спирали намотаны равномерно, то можно также сделать вывод, что тележка будет поворачиваться по ходу движения по ходу движения. Это результат действия тангенциальной составляющей электродинамической силы на магниты. Эта сила связана с тем, что проволока имеет определенную толщину и поэтому витки не совсем перпендикулярны оси магнитов. Читатель — изменив рис. 4 так, чтобы катушка, в которой протекает ток силой I, располагалась наклонно, и воспользовавшись правилом левой руки — может показать, что такая сила действительно появится.
Применение линейных электродвигателей
Линейные электродвигатели, простейшие образцы которых нам удалось проверить в нескольких наших экспериментах, встречаются во многих устройствах. Они используются там, где необходимо поступательное движение. Примеры областей техники, в которых линейные электродвигатели транспорт, станкостроение или мехатроника, которые объединяют в одном устройстве механические, электрические и электронные, а иногда и оптические компоненты, например, в сканерах или копировальных аппаратах.
Рис. 6. Способ снятия эмали со спирали, показанный на поперечном сечении:
1 – медная проволока; 2 – эмаль;
3 – изолирующий стержень.
Важным преимуществом этих двигателей, отмеченным в начале, является то, что они не содержат дополнительных элементов, например шестерен, направляющих, реек или кривошипных механизмов, которые служат для преобразования вращательного движения в поступательное, элементы которых быстро изнашиваются. Это упрощает их конструкцию и повышает надежность.
Важным преимуществом также является подача электроэнергии, которую легче подавать с помощью кабелей, чем масло под высоким давлением, которое используется для запуска гидравлических цилиндров, а также действующих в качестве линейных двигателей, например, в землеройных машинах. Шланги высокого давления, подающие эту жидкость, должны быть герметичными и обладать высокой прочностью, а соблюдение этих требований, как известно, может быть проблематичным. Отсюда шутливая формулировка одного из законов Мерфи, согласно которому «все герметичные соединения рано или поздно начинают протекать».
Очень перспективная и интенсивно развивающаяся область применения линейные электродвигатели есть высокоскоростные железные дороги. Они парят над дорожкой благодаря магнитной левитации, что значительно снижает их сопротивление движению. Экспериментальные конструкции этих транспортных средств, известные как MAGLEV (аббревиатура от магнитной левитации), построены, например. в Японии и Китае они развивают скорость около 600 км/ч.
Фото 2. Пример реализации линейного электродвигателя с двумя спиралями.
