III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ДВИГАТЕЛЯ ИНДУКЦИОННО-МАГНИТНЫМ СПОСОБОМ
Хрусталев А.А.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF



Введение

В наши дни резко встаёт вопрос о герметизации приводной части механизмов, которая часто имеет неприспособленные элементы для данной окружающей среды. Основную проблему составляет герметизация двигателя.

В современном мире магнитная муфта очень необходима, так как на её основе сделаны такие устройства, как: циркуляционные насосные системы для перекачивания экологически опасных и агрессивных жидкостей в химической, микробиологической, пищевой и др. отраслях промышленности, водяные бойлеры, судомоделирование, глубоководная техника, и даже космос. Кроме того, они могут использоваться как предохранительные соединения валов, поскольку срывы (разрыв магнитной связи полумуфт) при пусках и эксплуатации не влияют на величину крутящего момента, а также срыв не ведет к поломке оборудования даже при ударном торможении. Применяется в механизмах, требующих передачи вращения, между частями конструкции, полностью изолированных друг от друга, позволяя сохранить чистоту перекачиваемого продукта. Магнитная муфта проста в устройстве и работе и не имеют изнашивающихся деталей, благодаря чему срок службы определяется сроком службы магнитов (не менее 15 лет). ГММ (герметичная магнитная муфта) имеет следующие преимущества: достигается абсолютная герметизация процесса, возможность использования в глубоком вакууме, КПД – 95%, срывы не влияют на величину крутящего момента, могут быть изготовлены для работы со скоростями до 1500 об/мин и давлением до 100 технических атмосфер (возможно большее давление). И в ГММ этом превосходит своих конкурентов: сальниковую и торцевую герметизацию.

Цель моей исследовательской работы-создание магнитной муфты, испытание её свойств, доказательство её эффективности и нахождение применения ГММ.

Для достижения поставленной цели я поставил и выполнил следующие задачи:

  • Понять, из каких частей состоит магнитная муфта

  • Понять принцип действия муфты

  • Найти все необходимые детали и заготовки для создания магнитной муфты

  • Создать магнитную муфту

  • Исследовать магнитную муфту

  • Научиться применять магнитную муфту

  • Изолировать приводную часть по вводу энергии

Теоретическая часть

Из материалов журнала «Популярная механика» я понял, из каких «компонентов» состоит магнитная муфта. Конечно же, необходимая часть магнитной муфты — это постоянные магниты. Чем они сильнее и компактнее, тем более совершенную конструкцию можно осуществить. Я решил применить одни из самых сильных магнитов на сей день-неодимовые магниты. Но магниты должны быть закреплены в двух телах вращения подходящей формы. Итак, узнаем подробнее о составляющих магнитной муфты.

Постоянный магнит – это тело, длительное время сохраняющее собственную намагниченность. Основное свойство магнитов-притяжение тел из никеля, кобальта, железа и его сплавов. Постоянный магнит всегда имеет 2 магнитных полюса: «северный» (N) и «южный» (S). Наиболее сильно магнитное поле постоянного магнита у его полюсов. Сила притяжения между двумя разноимёнными полюсами двух магнитов (N­-S) значительно больше, чем между магнитом и не намагниченным железным телом. Если расположить два магнита одинаковыми полюсами друг к другу (N-N) или (S-S), то магниты будут отталкиваться. Сила взаимодействия магнитов резко убывает с увеличением расстояния между ними.

Постоянный неодимовый магнит - высокотехнологичное изделие, созданное из специальной керамики, включающей сплав Nd-Fe-B. Благодаря высокому содержанию в этих магнитах редкоземельного металла неодима, они и получили своё название – «Неодимовые магниты». Неодимовые магниты являются самыми мощными из широкодоступных на сей день.

Для защиты от механических повреждений, коррозии, раскалывания, окисления, магниты покрываются специальным покрытием из металлов или полимеров. Одним из лучших защитных покрытий является трёхслойное металлическое покрытие Ni-Cu-Ni.

Муфта— устройство, предназначенное для соединения друг с другом концов валов и свободно сидящих на них деталей

для передачи крутящего момента. Служат для соединения двух валов, расположенных соосно или под углом друг к другу.

Муфты, входящие во многие механизмы и машины, являются ответственными узлами, часто определяющими надежность и долго-вечность всей машины.

Основное их назначение - передача момента вращения с одного вала на другой или с вала на свободно вращающуюся на нем деталь (шкив, зубчатое колесо, звездочка и т.п.) и обратно.

Магнитная муфта— механическое изделие, предназначенное для передачи крутящего момента с ведущего вала на ведомый без механического контакта, за счет взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов. Есть два вида магнитных муфт: торцевые и радиальные. Торцевые муфты менее требовательны к соосности валов и поэтому я решил создать торцевую магнитную муфту.

Индукционная катушка-тип трансформатора, который может не иметь магнитопровода и строго закреплённые друг к другу первичную и вторичную обмотки. Это позволяет передавать электрический ток через не магнитопроводящие и не электропроводящие материалы без непосредственного механического контакта обмоток друг с другом.

Практическая часть

Цель работы: создать магнитную муфту и продемонстрировать особенности её работы.

Оборудование: отвёртка, адаптер 220-12 вольт, шуруповёрт, паяльник.

Материалы: 12 неодимовых магнитов шаровидной формы диаметром 5,0 мм, шесть винтов М4, тумблер, клей, две текстолитовых обоймы, реверсивный электродвигатель постоянного тока (12 вольт 2 ампера).

Схема обоймы для муфты

Ход работы

Сборка магнитной муфты

  1. Подобрал обоймы для магнитной муфты

  2. Вставил в отверстия первой обоймы и зафиксировал магниты клеем так, чтобы все магниты располагались одним и тем же полюсом (N) к рабочему торцу муфты

  3. Вставил в отверстия второй обоймы и зафиксировал магниты клеем так, чтобы все магниты располагались одним и тем же полюсом (S) к рабочему торцу муфты

  4. Настроил магнитную муфту: определил максимальное рабочее расстояние между торцами муфты, выбрал оптимальную стартовую скорость передающей муфты.

Заключительный этап сборки: закрепление муфты на валу, затем сборка демонстрационного стенда, закрепление на стенке стенда индукционной катушки и соединение её с двигателем через диодный мост.

Исследование

Есть много способов герметизации двигателя, но все они имеют значительные недостатки. Например, сальниковая герметизация валов-удобный, экономный и недорогой способ загерметизировать двигатель, но данная система выбрасывает смазку в окружающую среду и не держит больших давлений (равносильно не может работать в вакууме), т.к. в соответствии с ГОСТ 8752-79 сальники для валов должны работать в диапазоне температур от -60 до +1800 С и выдерживать давление до 1,0 избыточной атмосферы при скорости вращения вала до 20 м/сек, что далеко не является идеалом.

Самый лучший способ герметизации двигателя-магнитная муфта. Именно за счет неё достигается абсолютная герметизация процесса, что делает их незаменимыми в высокотоксичных, взрывоопасных производствах и глубоком вакууме.

Далее мне понадобился динамометр и тахометр. Затем я измерил крутящий момент на всевозможных оптимальных расстояниях и скоростях с различным количеством магнитных элементов. Я выяснил, что КПД Герметичной Магнитной Муфты =95%. Срывы (разрыв магнитной связи полумуфт) при пусках и эксплуатации не влияют на величину крутящего момента. Магнитные муфты могут быть изготовлены для работы со скоростями до 2500 об/мин и давлением до 100 атмосфер, что в 100 раз превосходит конкурентов. Крутящий момент зависит от радиуса, расстояния между частями муфты и количества магнитных элементов. Рабочая температура от -200 до температуры не доходящей до температуры плавления материала.

Далее я собрал схему питания системы-парную катушку индуктивности. При работе с ней необходимо определить радиус катушки и количество витков. От этого будет зависеть КПД, ток и напряжение на вторичной обмотке.

Я выбрал окружность со 200 витками, т.к. по расчётам данное соотношение удовлетворяет моей задаче.

Результаты

Что бы доказать, что магнитная изоляция достаточно эффективна, я разработал магнитную муфту и сделал её с помощью ЧПУ. Затем я собрал демонстрационный стенд, включающий в себя двигатель, стабилизированный источник питания с возможностью регулировки тока и напряжения, держатель двигателя, сборку, состоящую из двух элементов магнитной муфты, стоящих соосно оси вращения и с возможностью регулировки расстояния между элементами. Затем я измерил крутящий момент на всевозможных оптимальных расстояниях и скоростях, и с различным количеством магнитных элементов.

Оптимальными условиями работы для данного механизма является большое количество магнитных элементов, расположенных симметрично; радиально относительно оси вращения. При этом условии КПД зависит от расстояния и практически не зависит от скорости.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что цель работы достигнута и доказано, что магнитная муфта действительно является лучшим способом герметизации двигателя.

Заключение и возможные пути развития

Т.к. КПД практически не зависит от скорости, то целесообразно на вал с приёмной части муфты установить понижающий редуктор для того, чтобы крутящий момент был больше. Это позволит делать более силовые конструкции.

Так же желательно изолировать двигатель по вводу энергии.

Магнитная муфта может стать революционным порывом в ветрогенераторах: магнитная муфта может обратимо разъединить вал идущий от крыльчатки к генератору на время шквального ветра, который влечёт за собой очень большие обороты вала, которые могут привести к поломке генератора и вызвать дополнительные затраты материальных средств.

В качестве нового горизонта я планирую немного увеличить диаметр муфты и количество магнитов, ведь чем больше магнитов, тем больше сила сцепления и возможное расстояние между вращающимися валами.

Источники

  1. Идея: Журнал «Популярная механика», книга Гулиа Н. В. Удивительная физика: О чем умолчали учебники

  2. Сайт http://erga.ru/rus/vstraivaemye_magnitnye_mufty/

  3. Сайт http://www.teslatech.com.ua/index.php

  4. Сайт http://roboforum.ru/forum8/topic15004.html

  5. Сайт http://www.unikom-service.ru/uplotneniya_valov

  6. Сайт http://chhmt.org.ru/uchebnik/TOO/680.php

  7. Сайт https://habrahabr.ru/sandbox/79045/

  8. Сайт http://www.ruselectronic.com/news/katushka-induktivnosti/