Статья из сайта petrovlam.ru
Автор: Петров В. М.
Введена 12.01.2013
Последнее обновление: 05.05.2013

Дополнена: 26.02.13

 

Центробежный движитель ЦДП-63

(На Магнитной Линейке)

 

Аннотация.    Приведено описание центробежного движителя с магнитной линейкой в качестве привода.

 

        Появилась идея применить линейно-магнитный мотор в качестве основного привода в  центробежном движителе.

        Схема такого движителя приведена на рисунке 1.

 

 

Рис. 1

 

        На платформе (светло-коричневый контур) установлена дуговая линейка, составленная из постоянных магнитов (розовые окружности).

        Вокруг магнитов имеется направляющая (голубой цвет).

        Ниже угловой линейки предусмотрены затворы (тёмно-синие прямоугольники). На затворах тоже имеются линейки из таких же магнитов.

        Для управления затворами предусмотрен коммутатор (серый квадрат).

        Наконец, сбоку от затворов к направляющей пристроены ограничители (коричневый цвет). Позиция для установки ограничителя выбирается так, чтобы шар «застревал» около него.

        По наружной поверхности направляющей может катиться магнитный шар (зелёный цвет). Платформа, по которой катится шар, должна обеспечивать такую высоту положения шара, чтобы его среднее горизонтальное сечение располагалось чуть ниже верхних торцов магнитной линейки.

 

        Движитель на рисунке 1 показан в одной из двух исходных позиций.

        Левый (по схеме) затвор отклонён от дуговой линейки.

        Шар начинает своё движение от ограничителя по началу направляющей, свободному от затвора, в направлении стрелки и закатывается на дуговую линейку (рисунок 2).

 

 

Рис. 2

 

        Обкатав дуговую линейку, шар продолжает своё движение уже по правому затвору и «прилипает» к противоположному ограничителю (рисунок 3).

 

 

Рис. 3

 

        После этого левый затвор закрывается, а правый – открывается, и устройство приводится в зеркально-первоначальную позицию (рисунок 4).

 

 

Рис. 4

 

        Во время обкатывания шаром дуговой линейки он генерирует центробежную силу, понуждающую всё устройство к движению вверх (по схеме).

 

        Предварительные измерения показали результаты:

 

Rн   - радиус дуговой направляющей равен 94мм

r      - радиус шара равен 30мм

t      - время, затрачиваемое шаром на обкат дуговой линейки, равно, примерно, 0.3сек

m    - масса шара равна 113гр

P     - центробежная сила, развиваемая шаром при обкатке им дуги

 

        Из приведённых данных следует, что на полный оборот шару потребовалось бы 0.6сек, что эквивалентно числу оборотов груза (шара) n = 100 об/мин.

        Далее.

        Радиус вращения центра шара равен: R = Rн + r = 94 + 15 = 109мм

        Следовательно:

 

 

        В зависимости от угловой позиции шара относительно горизонтальной оси тяговая компонента от центробежной силы будет изменяться по закону синуса.

        Понятно, что и траектория движения самой платформ с движителем будет тоже синусоидальной.

        Однако, в данном случае, это пока не имеет значения. Ни что не мешает иметь такую же, но зеркальную платформу. Тогда тяговая компонента удвоится, а боковые компоненты взаимно компенсируются.

        Понятно так же, что при малой тяговой силе рассчитывать на колёсное движение платформы (рассчитывать на успешное движение в варианте «мобиль») может быть и можно, но сомнительно. А вот проверка движителя на плоту представляется достаточно реальной.

 

 

ДОПОЛНЕНИЕ от 26.02.13

 

        Для коммутатора я выбрал схему, показанную на рисунке 5.

 

 

Рис. 5

 

        Измеренная сила, «приклеивающая» шар к магнитной линейке, равна 5кг.

        С целью уменьшения момента вращения на валу привода (голубой круг) принято решение удлинить плечо рычага, при помощи которого шар освобождается от удерживающей его силы сцепления с магнитами затвора.

        При качении по линейке шар не достигает её конца и останавливается (начинает возвратное качение) не доходя до конца на расстояние трёх магнитов. Именно в этом месте и поставлен ограничитель.

 

        В моём макете соотношение плеч составляет примерно 3.7 крат.

        Очень важно принять к сведению, что на конечные магниты затворов действует нешуточная подъёмная сила. В связи с этим рычаги должны быть достаточно жёсткими, а оси их вращения – максимально устойчивыми.

 

        К валу привода приклеены резиновые тяги (серые нити), соединённые с концами рычагов.

        Противоположные концы рычагов соединены между собой через жёсткую связку (широкая голубая линия).

 

        Механическое переключение приведёт к повышению мощности привода из-за потерь на преодоления дополнительных сил трения.

        Поэтому лучше всего осуществлять привод рычагов при помощи электромотора с двунаправленным вращением (на схеме сам мотор не показан).

        Подходящий вариант в моём арсенале отсутствует. Но попался однонаправленный электромотор от миксера, с паспортной мощностью 250Вт. Это больше ожидаемой (интуитивно) мощности. Я рискнул переделать мотор с однонаправленного вращения в мотор с двумя направлениями вращения. Для этого я просто поменял подключение концов одной  из двух статорных обмоток, а подвод сети к щёткам (красный цвет) сделал отдельным (рисунок 6).

        Я переключаю обмотки при помощи введённого в схему тумблера (голубой цвет). Вместо тумблера могут использоваться: тумблер, кнопки, контакты реле или полупроводниковый триггер.

 

 

Рис. 6

 

        Поскольку мощность, требуемая от привода, меньше, чем мощность каждой из половин полученного двунаправленного мотора, постольку нет необходимости потреблять из сети энергии больше, чем необходимо.

        Разумным будет, если запитывать устройство через специальный понижающий трансформатор с требуемыми выходными напряжением и мощностью. Я для этой цели применяю ЛАТР. Но можно применить и реактивное сопротивление из конденсаторов. У меня получился набор на сумму 5.5мкФ (для питания от сети 220В).

        Моему макету требуются: выходное напряжение 100В и потребляемый ток 1.2А (120Вт).

        Можно посмотреть видеоролики о работе движителя:

        «Сюжет 1» показывает режим прямого ручного переключения.

        «Сюжет 2» показывает режим переключения при помощи электромотора.

 

        ВНИМАНИЕ! На загрузку каждого видеоролика требуется некоторое время.

 

 

Сюжет 1

 

 

Сюжет 2

 

        В дальнейшем, естественным представляется переход на автоматическое переключение направлений вращения. Но это уже – в следующем дополнении (если оно будет).

 

 


Просмотров: 2405

Комментарии к статье:

№ 1048   Васильев Денис Исаевич   2013-12-01 15:41:17
По наружной поверхности направляющей катиться магнитный шар (зелёный цвет), достигая платформы (светло-коричневый контур), передает ей импульс...
№ 1049   Владимир Максимович   2013-12-01 16:34:06
На №1048
     Денис, мне кажется, что я понимаю Вашу мысль.
     Вы считаете, что импульс, передаваемый шаром на ограничитель, толкает устройство назад.
     Я на этот счёт рассуждаю так:
     Да, толчок платформе в направлении "назад" действительно произойдет. Но скорость движения устройства в обратном направлении во столько раз меньше скорости движения шара в прямом направлении, во сколько раз масса всего устройства больше массы шара. Практически получается, что устройство даже и "не заметит" обратного толчка.
     При этом не следует забывать, что новое движение шара по своей траектории практически сразу же начинает генерировать не скомпенсированную центробежную силу и, соответственно, компоненту тяговой силы.
№ 1050   Васильев Денис Исаевич   2013-12-01 21:05:02
Радиус вращения центра шара равен: R = Rн + r = 94 + 15 = 109 мм, время, затрачиваемое шаром на обкат дуговой линейки, равно, примерно, 0.3сек.
Средняя скорость шара равна 3.14*R/(2*t)=0.5705 м/c.
Масса шара равна 113 гр.
Центробежная сила, развиваемая шаром при обкатке им дуги (0.113*0.5705^2)/0.109=0.34 H.
Центробежная сила, понуждающая все устройство к движению вверх (по схеме),грубо, равна 0.75*0.34=0.255 H или 0.026 кГс (сумма проекций силы в каждый момент времени, действующих в заданном направлении)...
№ 1051   Владимир Максимович   2013-12-01 23:33:53
На №1050
     Денис, на этот раз я не очень понимаю Ваш комментарий. Тем не менее, попробую расширить данную в моей статье информацию.
1. Скорость перемещения шара по направляющей измерена при помощи секундомера. Я считаю, что скорость эта не зависит от формы направляющей. Такая же скорость была и на прямой линейке. Правда, на линейке она измерялась по длине 92см.
     Так вот, скорость точки контакта принята равной 0.3сек. А поскольку центр шара проходит путь по радиусу, увеличенному на 15мм, постольку для прохода увеличенного пути за те же 0.3сек, скорость движения шара должна увеличиться пропорционально изменению радиуса дуги.
2. Я не знаю, что Вы называете средней скоростью шара. Я принимаю скорость движения шара постоянной величиной.
     Мне лично удобнее вести расчёты через параметры "число оборотов" и "килограмм". Соответствующие вычисления приведены в статье. И по моим расчётам центробежная сила в килограммах получается равной 0.138кг, а вовсе не 0.026кг. В расчётах моих предыдущих макетов движителей (действия зарегестрированы видеороликами) расчёты по принятым мною формулам подтвердились.
3. Нельзя говорить о суммарной силе в каждый момент времени, потому что в каждый момент времени и во все моменты вместе взятые имеется только одна единественная сила, генерируемая на момент качения шара по дуговой линейке и изменяющаяся по синусоидальному закону.
№ 1052   Васильев Денис Исаевич   2013-13-01 00:42:33
Владимир Максимович, по первому пункту:
я так понял, что за время 0.3 секунды шар переместился на 92 сантиметра? Движение шара ускоренное, скорость его возрастает от 0 до ...? А какая скорость будет достигнута шаром, прошедшим расстояние, равное длине дуги, радиусом 109 мм?
По второму пункту комментарии после ответа на вопросы первого.
С уважением!
№ 1053   Владимир Максимович   2013-13-01 01:23:31
На №1052
1. Нет. Линейку шар проходит, примерно, за 1 сек. (в зависимости от диаметра шара - от 0.8сек (шар - 20мм)до 1.2сек (шар - 30мм))
2. Движение шара является ускоренным только на стартовом отрезке (от ограничителя до первого магнита в линейке). Далее шар движется равномерно по всей длине линейки. Во всяком случае визуально ускорение не замечается.(На сайте имеется отдельная статья про линейку "Почему она работает?")
3. Скорость шара не зависит от длины линейки. От длины линейки зависит только время, необходимое шару на преодоление заданной длины.
№ 1054   Васильев Денис Исаевич   2013-13-01 01:54:37
Теперь понятно. Я думал, что движение шара ускоренное на всем пути. Поэтому писал о средней скорости.
Второй пункт отпал.
По третьему пункту № 1051:
Я не так выразился, не сумма, а среднее значение ЦБ силы (ее проекции), действующей в заданном направлении за время движения шара по дуге.
№ 1055   Владимир Максимович   2013-13-01 10:19:22
На №1054
1. Если говорить о среднем значении некоей величины, то для начала необходимо определиться с параметром, на который будем делить усредняемую величину.
     Вы в качестве усредняемой величины почему-то рассматриваете ЦБ. Я не знаю, почему. Ну, да это - Ваше право. Но следует принять во внимание, что величина ЦБ является величиной постоянной. Во всяком случае до тех пор, пока шар катится по дуговой линейке. На других участках своей траектории шар НЕ генерирует ЦБ.
     А проекция вектора ЦБ на направление движения - это уже не ЦБ, а тяговая сила (тяговая компонента)
     Далее, следует обозначить параметр.
     В нашем случае за наиболее вероятный параметр следует принять ВРЕМЯ, так как параметр УГОЛ, пробегаемый шаром от горизонтального (по схеме) направления, применительно к ЦБ не имеет смысла из-за постоянства величины ЦБ.
     Но за время, пока шар катится по дуге, среднее значение ЦБ равно самой ЦБ.
     Если же учитывать время цикла от начала качения до качения в обратном направлении, то результат будет зависеть от скородействия коммутатора. А я пока даже не выбрал ни его схему, ни даже принцип работы. Так что среднюю величину ЦБ по времени можно будет определить только после выбора и реализации самого коммутатора.
2. Допускаю, что в своём следующем комментарии Вы захотите обсуждать среднюю величину тяговой компоненты (тяговой силы). Но это тогда будет уже совсем другая тема.

Ваще сообщение:
 

 

Добавить комментарий

[B] [I] [u] [S] [2] [2]       [TAB] [∑] [∓] [≈] [≠] [≤] [≥] [π] [×] [√]       [RED] [GRE] [BLU]

[α] [β] [Γ] [γ] [Σ] [σ] [Δ] [δ] [Ω] [ω] [μ] [Λ] [λ]