МОСКОВСКИЙ ГОРОДСКОЙ КОНКУРС НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ И ПРОЕКТНЫХ РАБОТ ОБУЧАЮЩИХСЯ
Межрайонный совет директоров образовательных организаций СВАО № 3
Проектная работа
Соленоидный двигатель.
Выполнил:
Ученик 10 А класса
ГБОУ города Москвы "Лицей № 000 имени Пабло Неруды"
Научный руководитель:
Учитель высшей категории
ГБОУ города Москвы "Лицей № 000 имени Пабло Неруды"
Оглавление
Введение 3
Основная часть 4
1. Типы электродвигателей. 4
2. Создание работающей модели. 5
Кинематическая схема двигателя 6
Электрическая схема 6
3. Сборка двигателя 7
4. Оценка КПД. 8
5. Заключение. 9
Вывод. 9
Перспективы. 9
Список использованной литературы: 10
Введение
В настоящее время трудно представить себе мир без широчайшего использования тепловых двигателей, что значительно расширило возможности современного человека. Однако продукты сгорания топлива, промышленные выбросы при его производстве и транспортировке являются причиной возникновения серьезных экологических проблем.
Создание электромагнитных двигателей как одного из альтернативных экологически чистых вариантов двигателей предпринимались неоднократно, но столь широкого применения, как двигатели внутреннего сгорания, несмотря на достаточно простую конструкцию, они не нашли.
Чтобы понять, почему экологически чистые электродвигатели не могут в настоящее время составить реальную конкуренцию двигателям внутреннего сгорания, необходимо четко представлять конструкционные особенности двигателей такого типа. Поэтому целью моего проекта было изучение принципа работы электромагнитного двигателя (соленоидного) и создание его рабочей модели.
Рабочая модель такого двигателя могла бы быть наглядной иллюстрацией действия магнитного поля на намагниченное тело. Кроме того, данный тип двигателей прост в сборке.
Задачей моего проекта были разработка схем (кинематическаой и электрической), практическое их воплощение, выяснение возможного применения данного типа двигателей на практике путем изучения его КПД и индивидуальных особенностей конструкций, а также ответ на вопрос, почему данный тип двигателя не нашел своего масштабного применения в технических устройствах.
Основная часть
1. Существуют множество типов электродвигателей.
Открытие явления электромагнитной индукции М. Фарадеем и его исследования взаимодействия проводника с током и магнитов в 1821г. стало толчком для разработки первых электродвигателей. Так в 1824г. П. Барлоу описал устройство под названием «колесо Барлоу» [1]. Принцип действия колеса Барлоу основан на взаимодействии поля постоянных магнитов и тока, проходящего через зубчатые колеса.
В 1831г. Дж. Генри разработал двигатель, действие которого основано на притяжении и отталкивании одноименных полюсов магнита[2]. Данный тип двигателей не получил дальнейшего развития, так как научное сообщество пришло к выводу, что схема двигателя с вращающимся якорем[3] является более перспективной.
В 2001 году группа российских конструкторов заявила, что у них есть чертежи и готовые модели уникального электромагнитного двигателя, которому не нужно топливо, поскольку движущую силу он черпает из взаимодействия с магнитным полем Земли.
Основная идея изобретения состояло в следующем: чтобы создать нужную тягу, необходимо изолировать одну половинку замкнутого проводника (контура) от магнитного поля. В этом случае на одну часть проводника (неизолированную от магнитного поля Земли) будет действовать сила Ампера, а в изолированной от магнитного поля половине никакой силы не возникнет. Таким образом, одна из двух сил останется неуравновешенной – она то и создаст тягу.
Соленоидный двигатель – электрический двигатель основанный на действии магнитного поля внутри соленоида на намагниченное тело (в данном случае поршень из ферромагнетика). Принцип действия: ток от сети поступает через щетку одной из катушек к распределителю тока, затем идет в данную катушку. Пройдя по обмотке соленоида, ток возвращается в сеть через общие кольца и щетку распределителя. Возникающее магнитное поле втягивает внутрь катушки сердечник, а привод поворачивают коленчатый вал [3].
Модель двух - и трехкатушечного соленоидного двигателя и её изготовление в домашних условиях была описана в СССР в 1965г. [4].
В 1970г. опубликована модель соленоидного двигателя, где в качестве сердечника и ключа электрической цепи выступает шарик[4].
Соленоидный двигатель рассматривался для применения для нефтяных насосов. Предложена классификация соленоидных двигателей на резонансные и нерезонансные. Для нерезонансных двигателей характерны многокатушечные конструкции [3]. Преимуществами данного двигателя названы простота конструкции и небольшие размеры. К недостаткам относятся низкий коэффициент полезного действия (КПД) и высокая скорость движения рабочей части, из-за чего применение соленоидного двигателя для нефтяных насосов было признано бесперспективным.
Однокатушечный соленоидный двигатель используется в качестве электромагнитного золотникового распределителя во многих технических устройствах: в сетях водоснабжения и теплоснабжения, в различных отраслях промышленности, в системах водоподготовки и кондиционирования, а также в сельскохозяйственном производстве.
2 . Создание работающей модели.
Изначально была создана модель одноцилиндрового соленоидного двигателя. Но в ходе испытаний модели я столкнулся с тем, что поршень не проходил полный цикл. Возможно, это было связано с большой силой трения, дефектом в скользящем контакте и с неровностями вала. В итоге модель была переделана на двухцилиндровую. Несмотря на простоту конструкции, модель оказалась рабочей [7] в отличие от первого опыта, и можно было считать, что первая основная цель проекта была достигнута.
Для создания модели были разработаны кинематическая и электрическая схемы.
Кинематическая схема двигателя | |
| Коленчатый вал Соленоид Поршень Шатун Опоры Щетки |
Электрическая схема | |
| Соленоид Источник тока Скользящий контакт |
Работу двухкатушечного двигателя можно разбить на две фазы:
Первая: Поршень находится вне соленоида. В этот момент катушка подключена к источнику тока, в соленоиде (и вокруг него) существует магнитное поле, которое своим воздействием на поршень, втягивает его внутрь.
Вторая: Поршень находится уже внутри соленоида. В этот момент ток внутри соленоида отключается, и поршень может свободно вернуться в исходное положение. Возвращается он за счет работы другого поршня во втором цилиндре, который работает в противофазе с первым.
Замыкание и размыкание схемы, позволяющее контролировать наличие магнитного поля внутри одного из соленоидов, осуществляется благодаря следующей конструкции: вал, в качестве которого используется металлический стержень определенной конфигурации, позволяет замыкать и размыкать цепь в зависимости от его положения[6].
3. Сборка двигателя:
- Для изготовления соленоида использовалась медная проволока, которая наматывалась на полый пластиковый стержень. Для ускорения процесса намотки проволоки использовался шуруповерт. В качестве вала использовалась медная проволока большого диаметра. Этот этап был одним из самых сложных, так как вал должен был быть строго определенной конфигурации. Для этого сначала пришлось сделать идеально прямой стержень, а потом, сгибая, постоянно сохранять единую ось вращения.[6] В качестве источника тока использовалось зарядное устройство для аккумуляторов (12В). В качестве поршня использовался распиленный пополам гвоздь, с одной стороны которого приклеивалось кольцо, за которое к нему прикрепляется шатун. В качестве шатуна использовалась медная проволока того же диаметра, что и для вала. В роли скользящего контакта использовались оголенные провода, которые в зависимости от вращения вала замыкали и размыкали цепь.
4. Оценка КПД.
Для данной модели было очевидно, что КПД будет низким, но найти его было интересно.
При помощи вала электромотора можно было поднять груз на определенную высоту, то есть оценить полезную работу двигателя[8]. Зная мощность источника, можно было определить затрачиваемую энергию, что и позволяло определить КПД электродвигателя. Результаты 5 опытов представлены в таблице.
h, м | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
T, с | 0,9 | 1,1 | 1,2 | 1,0 | 1,1 |
M, г | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
P, Вт | 10,8 | 10,8 | 10,8 | 10,8 | 10,8 |
Посчитав среднее время подъема груза, подставил все в формулу и получил КПД равный 0,9%.
Полученный КПД объясняет, почему данный тип двигателей не стал широко применяем (даже если учитывать тот факт, что моя установка неидеальна и далека от совершенной). Однако принцип действия соленоида нашел свое применение в роли электромагнитного клапана благодаря простоте его устройства, достаточно малых размеров и возвратно-поступательного движения, которого он выдает. Соленоидный клапан[9] применяется в сетях водоснабжения и теплоснабжения, в различных отраслях промышленности, в системах водоподготовки и кондиционирования, а также в сельскохозяйственном производстве.
5. Заключение.
В конечном итоге могу сказать, что удалось создать рабочую модель соленоидного двигателя. Работа над созданием модели помогла мне понять принцип взаимодействия магнитного поля с ферромагнитным сердечником, разобраться в конструкции соленоидного двигателя, а также оценить его КПД.
Изучение литературных источников и работа по созданию модели позволило мне понять, почему такого типа соленоидные двигатели имеют сравнительно узкую область применения в технических устройствах. Также я нашел сферы широкого применения двигателя, что помогло мне понять принцип работы многих устройств.
Вывод.
- Рассмотрел несколько альтернативных двигателей. Собрал работающую модель соленоидного двигателя. Оценил его КПД. Объяснил нераспространённость данного типа двигателей. Нашел область применения соленоидов.
Перспективы.
- Создать четырехкатушный двигатель (для плавности хода). Использовать катушки большего размера, предаврительно рассчитав их приблизительные размеры. Добавить маховик (тоже для плавности хода). Модифицировать скользящий контакт. Сделать ключ, управляющий работой двигателя, и прибор для управления мощностью двигателя.
Список использованной литературы:
1. История энергетической техники/ [и др.]; М: Государственное энергетическое издательство, Москва, Ленинград, 1960. – 665 с.
2. electro-machines. ru: Электромобили сегодня, вчера и завтра. – [Электронный ресурс]. – 2010. – Режим доступа: http://www. electro-machines. ru/content/pervyi-etap-razvitiya-elektrod, свободный. – Электромобили сегодня, вчера и завтра.
3. Юный техник:
Нирошин, В. Строим соленоидный двигатель. – 1965. – №4. – М: Юный техник, 1965. – Режим доступа: http://журнал-юный-техник. рф/thumbnails. php? album=111, свободный.
4. Юный техник:
Соленоидный двигатель, Юный техник. – 197.– №10.– М: Юный техник, 1970. – Режим доступа: http://журнал-юный-техник. рф/thumbnails. php? album=517, свободный.
5. Большая энциклопедия нефти и газа [Электронный ресурс]. – М: 2014. – Режим доступа: http://www. ngpedia. ru/id656799p1.html, свободный. – Соленоидный двигатель.
6. Образовательный портал о загадках Планеты Земля. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www. planeta-zemla. info/kseld. html, свободный. – Электромагнитный двигатель.
7. Список дополнительной литературы [10].
