III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

Электромеханические узлы являются неотъемлемыми частями современных приборов.   Широкий ассортимент серийно выпускаемых электромеханических   измерительных и исполнительных элементов позволяет разработчику  на их основе создавать узлы различного назначения. Однако встречаются ситуации, когда по конструктивным и другим соображениям существующие элементы не могут быть использованы. В этом случае появляется необходимость разработки и проектирования элемента со специальными характеристиками, определяемыми требованиями к электромеханическому узлу. Вновь разрабатываемый элемент не обязательно должен быть близким аналогом существующему, он может отличаться как по конструкции, так и по особенностям его действия.  В настоящей работе рассматривается возможность использования в качестве активного элемента исполнительного устройства намотки из электропроводящей ленты.  Известно, что большинство исполнительных устройств (электромагнитов, электродвигателей) имеют обмотки, выполненные из обмоточного провода. Наиболее часто используются в приборах электродвигатели, обмотки которых укладываются в пазы статора или ротора. Создание таких обмоток представляет собой достаточно сложный технологический процесс, не всегда обеспечивающий необходимую надежность устройства. Величина развиваемого электродвигателем момента ограничена, в том числе и током, протекающим по обмотке. Большее значение тока может привести к перегреву, а в дальнейшем и к разрушению обмотки, так как теплоотвод от проводников обмотки, лежащих в пазах, ограничен пазовой изоляцией, представляющей большое тепловое сопротивление.

Предлагается традиционную обмотку электродвигателей (преимущественно моментных магнитоэлектрических) заменить на намотку, выполненную из изолированной электропроводящей ленты. В этом случае упрощается процесс изготовления активного элемента, по которому протекает ток, и обеспечивается лучшее его охлаждение за счет увеличенной поверхности.

Рассмотрим один из вариантов применения активного элемента в виде ленточной намотки в моментном двигателе. Основные элементы такого двигателя показаны на рис.1.

Постоянный магнит 1 и магнитопровод 2 монтируются на немагнитной диафрагме 3, которая крепится на подвижной части прибора. В зазоре между магнитом и магнитопроводом помещен  активный элемент- намотка 4, крепящаяся на неподвижной части прибора. Упомянутая намотка выполняется из тонкой ленты электропроводящего материала, которая наматывается на тонкую трубчатую основу, представляющую собой конструктивный элемент корпуса (неподвижной части прибора).

 Постоянный магнит 1 и магнитопровод 2 монтируются на немагнитной диафрагме 3, которая крепится на подвижной части прибора. В зазоре между магнитом и магнитопроводом помещен  активный элемент- намотка 4, крепящаяся на неподвижной части прибора. Упомянутая намотка выполняется из тонкой ленты электропроводящего материала, которая наматывается на тонкую трубчатую основу, представляющую собой конструктивный элемент корпуса -неподвижной части прибора. Лента, из которой  выполнена намотка, покрыта слоем изоляционного материала. На боковых краях ленты выполнены поперечные вырезы, которые обеспечивают необходимый характер протекания тока, в том случае, когда начало и конец ленты подключены к источнику питания. Упомянутые вырезы выполнены поочередно с одного и другого боковых краев ленты и их расположение таково, что они на каждом витке намотки ленты находятся над и под аналогичными вырезами на нижележащем и вышележащем слоях, образуя пазы в намотке. При этом расстояние между смежными пазами в намотке равно полюсному делению магнита ротора.

         Принцип работы моментного двигателя поясним следующим образом.  Если к началу и концу ленты подключить источник постоянного тока, то характер протекания тока определится наличием в ленте вырезов. Поперечные составляющие этого тока, направленные вдоль оси вращения ротора, взаимодействуя с полем постоянного магнита, вызовут появление сил, создающих момент относительно оси вращения ротора. На рис.2 представлен фрагмент ленты, из которой выполняется намотка.  

           Поперечные вырезы, выполненные на боковых сторонах  ленты, заставляют ток J протекать по диагоналям участков ленты, лежащих между вырезами. При этом ток J имеет две компоненты: J_п  - продольную, направленную вдоль ленты, и J_о - поперечную (осевую), направленную поперек ленты в направлении, совпадающем с осью вращения ротора моментного двигателя. Полюсы магнита на рис.2 отображены прямоугольниками  N и S. Предполагается, что полюсы находятся над плоскостью рисунка и силовые линии магнитного поля, создаваемого полюсом N,  входят в плоскость рисунка, а силовые линии полюса  S выходят из него. Взаимодействие компонент тока J_o с магнитным полем приводит к появлению сил  F, действующих на магнит - источник магнитного поля. Суммарное действие этих сил приводит к появлению вращающего момента, который стремится повернуть магнитную систему относительно неподвижной намотки из ленты. Продольные составляющие тока J_п  вызывают появление сил P, которые действуют со стороны магнита на опоры его подвеса. В том случае, если магнит имеет одну пару полюсов, то эти силы создают момент, перпендикулярный оси вращения моментного двигателя, и вызывают радиальную нагрузку на опоры. Если число пар полюсов магнита больше одной, то силы в осевом направлении взаимно компенсируются и в радиальном направлении нагрузки на опоры не создают. Величина полезного момента, создаваемого силами F,  будет тем больше, чем больше выполнено витков в намотке, так как под действием магнитного потока полюса будут находиться участки ленты с одним и тем же характером протекания тока.

         Предварительные аналитические и экспериментальные исследования предложенного активного элемента проводятся при изучении его отдельной части - пластины (фрагмента ленты), расположенной между двумя смежными вырезами. Полученные результаты могут быть распространены на весь активный элемент.