Доброго времени суток!

Задача стоит интересная. Нужно сделать маломощный линейный привод соленоидного типа.
Под катушку дан цилиндрический корпус диаметром 0,8 см (считай - наружный диаметр катушки - она внутри корпуса будет), длиной 2 см. Ход "поршня" должен быть не менее 1 см. Напряжение планируется 12 вольт.

Возникает вполне понятное желание получить при минимальных размерах макисмальную тягу. Я человек без высшего технического образования, но из курса школы помню, что чем больше витков, чем больше сила тока, тем лучше. Возникают вопросы о конструкции катушки, которые приводят к дилеме:
-чем больше витков - тем больше длина провода а соответствено выше сопротивление и ниже сила тока;
-чем больше витков хочется уместить в одном и том же объеме, тем тоньше провод и больше его сопротивление и ниже сила тока.

Как это все свести к макисмальному КПД. Искал литературу в интернете на эту тему - мало что интересного. ПОскольку экспериментировать не хочется, может быть кто-то посоветует как рассчитать.

Хотя если честно, дело наверное не в рассчетах, меня интересует не цифра обозначающая тягу, а принципы при которых тяга буте максимальной, компромисс между сечением провода, количеством витков и подаваемым током и напряжением.

Никаких чудес не бывает - магнитное поле зависит от плотности тока в обмотке, котрая ограничивается рассеиваемой мощностью, поэтому Вам нужно выбрать удобное для Вас сопротивление, а по нему сечение.

Тягу в первом приближении оценить легко:
Ежели потянуть за "поршень" с силой F и тем самым заставить его переместиться на расстояние dx,
то будет произведена работа F*dx, а энергия магнитного поля (W) увеличится на величину dW, равную этой самой F*dx.
Энергия поля это интеграл по объёму от B*H/2.
Величина B одинакова в железе и в воздухе, а H = B/(мю*мю0). Так как мю железа много больше единицы достаточно посчитать энергию только в воздушном зазоре площадью S и шириной x.

W = B*B*S*x/(2*мю0);
F = dW/dx = B*B*S/(2*мю0);

Индукция B ограничена насыщением железа.
При B=1Тл и "поршне" диаметром 4мм получается сила порядка 5 Ньютонов, примерно полкилограмма.

А по части выделения тепла в катушке - посмотрите книжки по расчёту трансформаторов.
В первом приближении всё сводится к площади сечения окна для обмотки и допустимой плотности тока в меди, а она - в свою очередь - определяется условиями охлаждения.

Для трансформаторов малой мощности обычно принимают плотность тока от 3 до 5 Ампер на кв.мм (для внутренних обмоток при непрерывной работе), но условия охлаждения для катушки соленоида будут получше, возможно удастся и 10 А/кв.мм получить.

Ламерский вопрос - а сердечник в такой катушке нужен? Или металлический "поршень" сам будет втягиваться в медную обмотку?

На сколько процентов длины он изначально должен быть в катушке, чтобы сразу развивалась максимальная тяга?



То есть я был не прав если думал что при одинаковой площади сечения всех витков катушки тяга будет больше там, где витков больше?

И какой же все-таки оптимум соотношения наружного и внутреннего (то есть наружного диаметра сердечника) диаметров катушки?

Вы не написали, какой должен быть привод. Что будет служить сердечником - магнит или магнитомягкий материал. Геометрия зависит (но не очень сильно) от необходимых Вам параметров, как то: должна ли сила быть постоянной по ходу, ход сердечника, и т.д. Можно, например сделать как бы ярмо, заключив соленоид в магнитный кожух в виде наружного цилиндра с "полюсами", один из которых ваш подвижный. Тогда будет большой энергетический выигрыш.
Короче, целевая функция неясна. Поиск по ключевой фразе "магнитные цепи" Вам поможет.

Ок, поищу.

А по теме - сердечник железный, ход сердечника - 1 см, сила желательно постоянная, однако если ето сопряжено со снижением мощности, то не обязательно. Кстати, если применять магнит, мощность увеличится? По крайней мере плюс будет в том, что можно будет двигать сердечник в обе стороны.


А нельзя ли какую-нибудь картинку поясняющую...

Картинку трудно. На словах. Представьте банку от маслин, внутри которой к ее дну впаян стержень до половины ее высоты. Все это из магнитомягкого материала. Диаметр стержня равен диаметру подвижного магнита. В верхней части банки отверстие того же диаметра. Только стенки банки толстые.
Или упрощенный вариант. Буква Ф со срезанной верхней половиной вертикальной палки. Но габариты будут несколько больше, чем у банки. Сечение (площадь) у стержня и оболочки должны быть примерно равны. Расчет (честный) такой магнитной системы весьма трудоемок. Но можно все сделать на глазок - будет чуть хуже, но чуть-чуть.

Можно еще снизить напряжение питания.Дальнейшая ваша конструкция не ясна. У вас не совсем
линейный двигатель.В вашей конструкции не создается бегущее магнитное поле.У вас возвратно-поступательное движение.Чтобы его преобразовать нужен , в идеале, кривошипно шатунный механизм.
В соленоиде сердечник возвращает пружина.Вам придется переключать полярность на катушке.
Честно говоря 2см. длина катушки и 1см. вылет сердечника,меня смущают.Какой должен быть момент?
Подобный механизм в китайских часах, которые завалили всю Россию.И размеры небольшие и всего
1 батарейка.Можно посмотреть и сколько витков в катушке.

Короче, вы профессионпалы будете смеяться над любителем-робототезником, но задача такая - есть шагающий робот-шестиног.
Приводится в движение он мини-актуаторами - моторчик от вибры сотового на вал цепляется винт с резьбой, а тяга цепляется к гайке, накрученной на винт. Все-бы хорошо, но хочется сделать передвижение робота более интеллектуальным. А вышеописанный механизм лишен возможности к пассивным движениям (что кстати делает его ломким при внешних воздействиях на "ноги"), кроме того сложно контроллироватть силу и невозможна "работа на удержание".

Вот и подумываю, как бы все сделать на соленоидах.

А габариты такой "мышцы" для ноги я уже описал выше - цилиндр 2х0,8 см, ход тяги - 1 см. Какая должна быть тяга? Да максимально возможная при габаритх катушки, способной уместиться в вышеуказанный корпус. Вот тут кто-то писал про 5Н- меня устроит.

Надеюсь все тенические моменты моей задачи ясны.
На мой вопрос так и не ответили - будет ли сила выше, если сердечник намагнитить, или сделать его самого катушкой, втягивающейся в другую катушку,

ИМХО моторчик и передача винт-гайка наиболее экономичный вариант. К тому же, как мне кажется, его КПД и сила будут в бесконечное число раз больше чем у электромагнита.
Есть ли в вашем устройстве измерение тока вибромоторчика?
Что значит "работа на удержание"?

Смеяться не буду (как достаточно опытный робототехник)
но скажу что ходить на соленойдах не получется если АКБ нести на спине - слишком большая мощность нужна, а сила, развиваемая катушкой с сердечником будет существенно нелинейна. Именно в первом посте, про линейный двигатель был шанс увеличить КПД системы, и добиться малых колебаний момента на ноге, однако мне видится весьма проблематичным изготовление таких маленьких приводов с требуемой точностью и приемлемым числом магнитной редукции в двигателе.
Естественно сердечник катушки следует делать не просто из магнита, а из редкоземельного магнита с высокой напряженностью магнитного поля, чтобы получить максимальный кпд системы. Но опять-таки изготовить требуемый штивт с многополюсным магнитом с точностью сотых милиметра - проблема. да и управление линейным двигателем - почти тоже самое что синхронным - нужны точные датчики положения, а так же точные измерения величины тока через катушки.

Теперь про конструкцию робота.
для удержания робота на ногах лучше использовать подпружиненые ноги, чтобы система находилась в равновесии когда робот стоит на месте. Тогда все энергозатраты пойдут лишь на перемещение робота в пространстве.
Не знаю как далеко вы продвинулись в создании своей шагалки (было бы крайне интересно взгянуть на фото). Но по опыту моих коллег должен предупредить, что удерживающие двигатели и переносные двигатели должны иметь существенно различные динамические диапазоны.
Касательно винтовой пары - не все так старшно, можно сделать конструкцию, которая не будет ломаться при внешних нагрузках . Для этого надо использовать не целиковую гайку, а разрезную, или только ее половину, и пружиной поджимать ее к винту. при черезмерной нагрузке она будет проскакивать по резьбе.

Сообщение отредактировал Колян - Jul 25 2006, 17:05

Разъясните мне эту китайскуй грамоту, пожалуйста...



Хм.... можно тогда не гайку а линейку с зубцами... Короче надо подумать. А идея с соленоидами привлекательна...
Много аналогий с человеческой мышцей. Там если вам интересно тоже разнотипные мышечные фибриллы втягиваются друг в друга.

Соленоид может мгновенно "расслабиться". КРоме того, представьте себе задачу - с определенной скоростью опускать груз некоего, неизвестного заранее веса. Я слабо себе представляю такое на моторчиках с проскальзывающими гайками. А если робота заставить спрыгивать с небольшой высоты - амортизировать приземление как он будет?

Колян, как опытный робототехник, объясните мне. Простите, выражсь по-простонародному - навскидку - какой максимальной тяги можно добиться от соленоида, пусть идеально сконстуированного, если размеры его огранициваются длиной 2 см, диаметром 1 см.


Спасибо.

с китайской грамотой значит так.
что такое динамический диапазон надеюсь писать не надо.
представьте себе 6-ти ногую шагающую машину, которая идет статической походкой со скоростью V - в каждый момент времени 3 ноги стоят на земле, а 3 переносятся вперед.
Очевидно, что стоящие ноги движутся относительно корпуса со скоростью -V, а оторванные от земли со скоростью V, и все они имеют достаточно большую амплитуду колебаний. Теперь следует обратить внимание, на то, что ноги весят значительно меньше корпуса робота, а следовательно усилие, требуемое для их переноса невелико.
Другое дело удерживающие двигатели - 3 ноги должны быть в состоянии удерживать весь вес робота продолжительное время, а высота их отрыва от земли может быть мала, следовательно скорость может быть малой.

Про соленойды и мышцы - всем это известно, однако КПД не идет ни в какое сравнение.
Уж лучше тогда жгут резиновый закручивать двигателем - вот и гибкость системы появится, и самоадаптивность, и непредсказуемость в управлении

А как при спрыгивании человек делает - разбирается по-месту - так что с прыжками - это к системе управления.

И вообще, забыл сказать, что построить шагающий аппарат это только 10% пути до момента, когда он начнет сам ходить.

С соленойдом, я, к сожалению уже институтский курс физики забыл
Хотя метод расчета описанный выше вполне подходит по-моему, правда получить поле в 1Тл сдается мне будет трудновато. Но может я чего и подзабыл, в справочник надо лезть и считать.

Да это я уже продумал, и даже более детально.

Меня беспокоит мощность такого робота. Я видел в интернете роботов на сервомашинках. У одной машинки усилие около 3 кг. Мне столько не надо, я кататься на нем не собираюсь ))) Если робот весит 200 гр, я думаю, 3 одновременно стоящие ноги... по 66, плюс запас для бодрости... ну хоть 100 грамм тяги даст соленоид вышеуказанных размеров при качественном исполнении?

И еще.... Если вы представляете себе механику ноги "паука", то перенос ноги будет осуществлять один соленоид, а поднятие ноги или удержание корпуса над землей - другой.


Попался мне раз винчестер битый... Там в системе позиционирования головки есть катушка простенькая - витков на 100, и магнит - не знаю, что это за магнит, но тяга получается внушительная, без сердечника, просто магнит и обмотка.... именно тогда я впервые подумал о том, что соленоид может что-то вытянуть. Правда в винчестере в этой системе принцип вращения и отталкивания...

Я к тому и завел весь этот разговор - стоит ли браться за дело, если мне не нужна большая мощьность робота, если я хочу 200 гр поднять тремя соленоидами, диаметром не более 1 см - получится ли?