ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ, ДВИГАТЕЛЬ И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО Область техники

Предложенное изобретение относится к машиностроению, в частности, к преобразователям механического движения. Может применяться в двигателестроении и других областях.

Уровень техники

Известна бесконтактная передача типа винт-гайка [1], являющаяся преобразователем возвратно-поступательного движения винта во вращательное движение гайки. Недостатком указанного решения является то, что при изменении направления движения штока - винта меняется и направление вращения ротора - гайки. Но для двигателя, например, необходимо, чтобы вращение ротора происходило в одну сторону независимо от направления движения штока.

Известен также бесконтактный магнитный преобразователь возвратно- поступательного движения во вращательное [2], содержащий вращающийся ротор, двигающийся возвратно-поступательно шток. Недостатком указанного решения также является то, что при изменении направления движения штока меняется и направление вращения ротора.

Раскрытие изобретения

Технический результат изобретения заключается в создании бесконтактного преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное, с создаваемым на роторе крутящим моментом только одного направления, а также возможностью работы в качестве преобразователя вращательного движения в возвратно-поступательное.

Предлагаемый преобразователь содержит: - ротор, не имеющий возможности перемещаться вдоль оси вращения, с закрепленным на указанном роторе магнитом ротора,

- шток, движущийся возвратно-поступательно параллельно или с небольшим отклонением от оси вращения ротора, без возможности вращения вокруг своей оси, с закрепленным на указанном штоке магнитом штока,

- корпус и подшипники,

- одноименные полюса или единственный полюс магнита ротора или магнита штока, обращенные к штоку или ротору соответственно, расположены вдоль замкнутой линии, имеющей в направлении оси вращения ротора, по крайней мере, один максимум и один минимум,

- противолежащий указанным полюсам магнита ротора или магнита штока, полюс магнита штока или магнита ротора соответственно, размером вдоль оси ротора не превышает расстояния от минимума до максимума указанной замкнутой линии вдоль оси ротора и имеет противоположную полярность.

Указанная замкнутая линия может представлять собой непрерывную кривую, ломаную или их комбинацию. Линия является воображаемой и отражает зону действия полюсов магнита.

Полюс магнита, противолежащего полюсу или полюсам, расположенным вдоль указанной замкнутой линии, должен быть, по крайней мере, не больше размером, чем расстояние между минимумом и максимумом 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 штоком здесь понимается элемент, совершающий возвратно- поступательные движения, без вращения вокруг своей оси, под ротором - элемент, вращающийся вокруг своей оси, но без перемещений вдоль своей оси. Простейший, но не единственный, вариант штока - круговой цилиндр, а ротора - кольцо, охватывающее этот цилиндр.

Шток и ротор могут содержать элементы из материалов с высокой магнитной проницаемостью - магнитопроводы - для оптимального распределения магнитного потока магнитов.

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 понимается в широком смысле— это может быть как постоянный, так и электромагнит, например, сверхпроводящий, а также их комбинация. Экономически выгодны редкоземельные постоянные магниты, например, железо-неодим-бор или самарий-кобальт, т.к. они практически не подвержены размагничиванию [3].

Использование комбинации «постоянный магнит - электромагнит» позволяет усиливать магнитную связь магнитов штока и магнитов ротора при высокой внешней нагрузке на преобразователь путем дополнительного подмагничивания полюсов. Электромагнит удобно устанавливать на одной оси с магнитами штока или магнитами ротора круглого сечения.

Использование комбинации «постоянный магнит - электромагнит» позволяет отключать при необходимости магнитную связь магнитов штока и магнитов ротора путем включения размагничивающего поля. Эта функция может использоваться как электромагнитное «сцепление» для двигателя, использующего данный преобразователь.

Отключая и включая электромагнитное «сцепление» можно также синхронизировать несколько преобразователей на одном выходном валу. Необходимость динамической синхронизации при помощи автоматизированной системы управления вызвана тем, что один из преобразователей может выйти из режима передачи мощности, и произойдет рассинхронизация преобразователей. Возможно также синхронизировать движение штоков механически.

Материалы с низкой магнитной проницаемостью - нержавеющая сталь, титан, алюминий, керамика, пластик. Материалы с высокой магнитной проницаемостью - электротехническая (кремнистая) сталь, железо, ферромагнитные сплавы, ферриты [3].

Подшипники, в том числе направляющие, могут быть использованы любые - качения, скольжения, магнитные и т.д. В отдельных случаях роль подшипника могут играть части других узлов, например, корпуса. Шток должен двигаться на направляющих, не дающих ему возможности вращаться вокруг своей оси относительно неподвижного корпуса, а ротор - вращаться на подшипниках, не дающих ему возможности перемещаться поступательно вдоль оси движения штока. Ось вращения ротора и ось возвратно-поступательного движения штока предпочтительно должны быть параллельны, но могут иметь небольшой угол расхождения.

Корпус преобразователя может быть закрытым или открытым. Предпочтение отдается закрытому корпусу из материала с высокой магнитной проницаемостью, тогда все магнитные поля экранируются внутри преобразователя и не создают помех внешним устройствам.

Раскрытое выше изобретение может быть изготовлено в различных модификациях, укажем особенности некоторых из них.

Модификация JNel. Преобразователь, у которого полюс магнита штока или магнита ротора имеет круглую форму, указанная замкнутая линия имеет волнообразную форму, а ширина магнита ротора или штока в направлении оси ротора соответственно, равна диаметру круглого полюса. Модификация ·Ν»2. Преобразователь, в т.ч. Модификация Ν2Ι, у которого:

- указанная замкнутая линия имеет форму синусоиды, спроецированной на цилиндр,

- полярность полюсов магнитов штока чередуется в направлении оси штока,

- полярность полюсов магнитов ротора чередуется в направлении оси штока, в угловом направлении полярность не меняется,

- количество максимумов указанной синусоиды равно количеству рядов магнитных полюсов на роторе в угловом направлении, а количество полюсов штока равно количеству рядов магнитных полюсов ротора в осевом направлении.

Синусоида, спроецированная на цилиндр, в цилиндрических координатах имеет вид:

z = Asin(kq>), г = const,

где А - амплитуда синусоиды, соответствующая половине хода штока, к - целое число, количество максимумов или минимумов.

Угловое направление и осевое направление вдоль оси штока понимается как угол и координата z в цилиндрических координатах, где ось Z направлена вдоль оси штока и ротора.

Если количество максимумов указанной замкнутой линии полюсов магнита штока, равно количеству минимумов этой же линии (что верно, например, для указанной синусоиды, спроецированной на цилиндр), можно использовать такое же количество магнитов ротора (вместо одного), расположенных симметрично относительно оси ротора в угловом направлении в одной плоскости. Это увеличивает плотность магнитной системы преобразователя и увеличивает его эффективность. Для увеличения передаваемого усилия количество магнитов штока 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 дополнено магнитным отталкиванием от соседних полюсов.

В Модификации N°2 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 используются как магнитопроводы.

Двигатель, использующий описанный преобразователь, может быть как тепловым внутреннего или внешнего сгорания, так и например, пневматическим. Если в двигателе требуется преобразователь возвратно- поступательного движения во вращательное, можно использовать предлагаемый преобразователь. Например, на шток устанавливаются поршни, цикл сгорания - двухтактный. Более эффективно использовать преобразователь по Модификации 2, т.к. он имеет более высокую плотность установки магнитов.

Транспортное средство, использующее двигатель с преобразователем по настоящему изобретению, может быть воздушным, водным, сухопутным. Краткое описание чертежей

ФИГ.1 Преобразователь с магнитом ротора 1 , полюса которого 7 расположены вдоль линии 5, имеющей один минимум и один максимум в направлении оси штока 3. Показаны линии 5 по верхнему и нижнему краю магнитных полюсов 7, с минимумом и максимумом по оси Z, параллельной оси штока и ротора. ФИГ.2 Шток 3 с магнитом штока 2 с двумя максимумами и минимумами линии 5 по оси Z, параллельной оси штока и ротора. Магнит штока имеет единственный полюс волнообразной формы.

ФИГ.З Шток 3 с магнитами 2 чередующейся полярности и магниты ротора 1.

ФИГ.4 Шток 3 с магнитами 2 чередующейся полярности и магниты ротора 1 повышенной мощности.

ФИГ.5 Преобразователь с подшипниками 8 в разрезе. Для наглядности не показана часть корпуса 9, к которой крепятся роликовые подшипники- направляющие 8.

ФИГ.6 Один из возможных вариантов двигателя с преобразователем в разрезе. Вспомогательные системы двигателя, такие как стартер, продувочный насос, не показаны.

Осуществление изобретения.

На Фиг. 1 представлен один из самых простых вариантов предложенного преобразователя.

Для пуска преобразователя в режиме преобразования возвратно- поступательного движения во вращательное, необходимо придать ротору 4 начальное вращение в необходимом направлении.

Во время хода штока 3 в одном направлении ротор 4 под действием магнитной силы взаимодействия магнита штока 2 и магнита ротора 1 вращается. Взаимодействие происходит по типу «винт-гайка», т.к. полюс магнита ротора имеет наклон. Удерживающие подшипники и корпус на Фиг.1 не показаны.

При прохождении 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 штока 6 и полюса магнита ротора 7. Магнит ротора 1 изображен наборным из множества магнитов. Прохождение минимума и максимума линии полюсов 5 совпадает с крайним положением штока 3 при возвратно-поступательном движении. Таким образом, амплитуда движения штока 3 определяет, какое необходимо расстояние между минимумом и максимумом линии полюсов 5 по оси штока 3.

После прохождения минимума или максимума наклон линии полюсов 5 меняется, при этом меняется и направление движения штока 3. При этом направление вращающего момента преобразователя не меняется.

Передача мощности от движущегося поступательно штока 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. Кроме того, режим срыва передачи мощности является аварийным, т.е. не должен использоваться постоянно.

Изображенный на Фиг.1 вариант преобразователя наглядно демонстрирует принцип работы предлагаемого преобразователя, но имеет низкую эффективность. На Фиг. 2 показан шток 3 преобразователя с магнитом штока 2, линия полюсов 5 которого имеет два минимума и два максимума. Такая конструкция позволяет уменьшить количество оборотов ротора 4 при той же частоте колебаний штока 3, а также увеличить объем магнитов ротора (на Фиг. 2 не показаны, их два, а не один, как на Фиг.1).

Наклон и количество максимумов и минимумов линии полюсов 5 определяет кинематическую характеристику преобразователя - соотношение скоростей штока 3 и ротора 4 в режиме передачи мощности.

Высокая эффективность работы магнитной системы достигается при минимальных воздушных зазорах. Все потоки должны быть по возможности замкнуты магнитопроводами. Это можно реализовать в данном преобразователе, используя несколько рядов магнитов штока 2 и магнитов ротора 1 с чередующейся полярностью, как показано на Фиг.З. Замыкание потоков происходит через шток 3 и ротор 4, изготовленные из материала с высокой магнитной проницаемостью. Кроме того, что повышается магнитный поток в рабочих зазорах, эффективность преобразователя возрастает за счет отталкивания одноименных полюсов магнитов штока 6 и ротора 7. На Фиг.З рабочие полюса магнитов ротора 7, не видны, т.к. обращены к штоку 3.

Полюс или полюса магнита штока 6 располагаются вдоль волнистой линии 5. Эта волнистая линия 5 может определяться уравнением синусоиды, спроецированной на цилиндрическую поверхность.

Магниты ротора 1 имеют цилиндрическую форму, неоптимальную при расположении в радиальном направлении в смысле максимизации объема магнита при определенном радиусе ротора 4.

На Фиг. 4 показан шток 3 с магнитами 2 и магниты ротора 1 преобразователя. Такое исполнение имеет более близкие к оптимальным по форме магниты ротора 1, уширенные к наружной части ротора 4.

На Фиг. 5 показан преобразователь с четырьмя слоями магнитов штока 2, шестью группами по четыре магнита ротора 1 , установленных в корпусе 9 посредством подшипников 8. Часть корпуса 9, к которой крепятся роликовые подшипники-направляющие штока 8, не показана.

Предложенный преобразователь может также работать в режиме преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, благодаря взаимодействию магнитных полюсов ротора 7 и штока 6. Это его свойство может использоваться при его запуске в режиме преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.

Двигатель на базе предложенного преобразователя представлен на Фиг. 6. На штоке преобразователя 3 оппозитно установлены поршни 16 (компрессионные кольца на Фиг. 6 не показаны), двигающиеся в цилиндрах с внешним оребрением 12. Двигатель работает по двухтактной дизельной схеме с петлевой продувкой от компрессора (на фиг. 6 компрессор не показан). Воздух от компрессора через продувочный ресивер (ресивер на Фиг. 6 не показан) и через продувочное окно 14 попадает в цилиндр 12, сжимается поршнем 16, и при достижении поршнем мертвой точки, через форсунки 13 в цилиндр подается топливо. Момент времени подачи топлива регулируется автоматизированной системой управления впрыском, учитывающей данные с датчика положения поршня (на Фиг. 6 система управления и датчик не показаны). После взрыва и такта расширения продукты сгорания удаляются через выпускное окно 15 и далее в выхлопной патрубок 10.

Крутящий момент передается на выходной вал 1 1 посредством зубчатой ременной передачи. Может быть использован также любой подходящий способ передачи - шестеренчатая, цепная, непосредственная и т.д. Передача может быть для удобства сопряжена с вариатором для регулирования скорости вращения выходного вала.

Пуск двигателя осуществляется электростартером, подключаемым на время пуска к валу 1 1 (на Фиг. 6 стартер не показан). В режиме пуска преобразователь используется как преобразователь вращательного движения в возвратно-поступательное. Ротор 4 раскручивается, поршни 16 сжимают воздух в цилиндрах 12, в которые при достижении мертвой точки подается топливо.

Регулировка мощности производится регулировкой количества топлива, подаваемого в цилиндр 12 через форсунки 13. Это может определяться как продолжительностью впрыска, так и количеством задействованных форсунок 13.

Предотвращение ударов поршня 16 о торцевую стенку цилиндра 12 происходит благодаря сопротивлению сжатого воздуха в цилиндре 12.

Двигатель может быть выполнен бессмазочным, на керамических подшипниках и с воздушным охлаждением. Это возможно благодаря тому, что вектор вращающего момента параллелен оси цилиндра 12, и поршень 16 не создает боковой нагрузки на стенку цилиндра 12, а также благодаря возможности использовать высокие степени сжатия, обеспечивающие высокий КПД и низкую температуру выхлопных газов.

Двигатель на базе предлагаемого преобразователя может выполняться и по четырехтактному циклу. В таком случае, необходимо использовать электромагнитные клапана и автоматизированную систему управления ими.

Несколько преобразователей можно размещать на одном выходном валу 1 1. На базе такой системы можно создавать двигатели с числом цилиндров более 2 или, например, двигатель со встречно движущимися поршнями.

Транспортное средство, использующее двигатель с предложенным преобразователем, может быть любым.

Наилучший вариант выполнения изобретения

Наилучшим вариантом выполнения преобразователя возвратно- поступательного движения во вращательное и наоборот, является Модификация N° 2, т.к. объем магнитной системы при тех же габаритах преобразователя выше. Внутренняя часть преобразователя по Модификации Ν°2 представлена на Фиг. 3 и 4.

Наилучшим вариантом двигателя будет соответственно двигатель на основе этого варианта преобразователя, а наилучший вариант транспортного средства - на базе наилучшего варианта двигателя.

Промышленная применимость

Модификация Ν°2 была подвергнута расчету максимального передаваемого момента в программе FEMM [4]. Оказалось, что при внешнем диаметре магнитов штока 150 мм, внешнем диаметре ротора 300 мм и ходе штока 40 мм максимальный передаваемый вращающий момент составляет около 250 Н-м. Этой величины достаточно для работы двигателя и транспортного средства, использующих двигатель с преобразователем указанных размеров.

Передаваемый вращающий момент может быть увеличен наращиванием как радиальных, так и осевых габаритов преобразователя, например, количеством магнитов штока 2. Выбор определяется требованиями к компоновке двигателя в транспортном средстве.

Литература и ссылки

1. Ганзбург Л.Б., Федотов А.И. Проектирование электромагнитных и

магнитных механизмов: Справочник. - Л.: Машиностроение, 1980, с. 10

2. Патент США US6190409 от 20.02.2001

3. Альтман А.Б., Герберг А.Н. и др. Постоянные магниты. Справочник.— М.: Энергия, 1980, с. 389 - 433

4. Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов:

Магнитные цепи, поля и программа FEMM. - М. : Издательский центр

"Академия", 2005, с. 191-226