清华大学机械创意设计大赛决赛作品之“共轴双转子电动机”

共轴双转子电动机

创意小组:水木之翼 精52

Ψ创意背景

传统电动机的局限:传统的电动机已经发展到了一个十分成熟的阶段,但是第一个电动机的转子都是向一个方向转动的,在产生扭矩的同时给它应用的广泛性带来了一些限制。

现实中复杂的共轴机械:有时候我们使用某些共轴机械,如共轴双旋翼直升机,具有明显优势。为了从单独的一根轴上获取功率,它们的复杂程度令人生畏。那可不可以直接应用双轴的发动机呢?

钟表轴系设计的启示:你如果观察你的手表,会发现三根表针的轴是互相穿过的,各只“hand”并行不悖。如果我们的电动机也有两根互相穿过的轴,那样是不是可以解决许多问题?

Ψ我们的创意

由以上的三个背景,我们想到了一种电动机的方案:它有两个串列的转子,每一个转子都有各自的轴系,其中一根是中空的,其间让另一根穿过。两个转子共用一个定子但通以相反方向电流,从而达到对转的目的

由于电动机已经发展到了一种十分完善的境地,因此创意定位在原有技术的组合这个层面上。这种新型的电动机的大部分技术将和传统的相同。在电机基本类型上,我们选用的是交流异步电动机直流无刷电动机。之所以选它们是为下文的技术革新作铺垫。

Ψ技术的革新

我们并不满足于在原有技术的结合,进一步的创新与突破要从新技术上做起。因此我们提出了技术改进的方案:

一是使用电磁悬浮轴承/刹车。这样可以大大降低摩擦损耗,延长使用寿命,同时使其更具可控性,可以频繁而有效地改变运行状态。

二是实现数字变频控制。两套转子系统使用独立的数字变频电路,各自实现数字变频控制以达到无级变速,大大增加灵活性并且提高了系统可靠性。

Ψ方案可行性

制造工艺:这种电动机大量保留了成熟技术,而运用的新技术也并不复杂:电磁悬浮轴承/刹车的理论已相当成熟;数字变频技术(无论是直流还是交流)也已在国产家电上广泛应用。因此制造工艺将不是问题。

制造成本:因为结构较之传统电动机复杂,成本显然会高出一些,但由于对工艺没有过高的要求,可以较多地沿用传统制造技术,其成本将会是一个可接受﹑符合市场经济规律的水平。

Ψ创新带来的优点

机械结构简单,系统简洁。两套转子各自独立,而且直接实现了数字控制,节省了机械变速装置,使得一台电动机构成了整个动力系统,从而降低了系统复杂性,并且运用十分灵活。

具有良好的可控性。电磁悬浮轴承与数字变频控制的应用使其可控性大增。这是电子技术发展带来的进步。

具有良好的可靠性。两套转子系统虽然共轴,但在电路上完全独立,使用过程中如果其中一个系统出现故障,另一个仍可正常工作,确保机械与任务的安全。高可靠性将使其具有更加广泛的应用。

具有广泛的用途。这种电动机发明的初衷即在此,即制造一种简捷而高效的发动机。尤其在要运用共轴机械的场合将更加展现其效能。在下面有详细的举例。

Ψ应用举例

飞行器发动机。由于对转的螺旋桨具有更好的气动效率,而且不存在克服扭矩的问题,我们可以在飞行器上方便地运用这种电动机,电能来自于燃料电池,太阳能电池或传统发动机带动发电机。

鱼雷。鱼雷对高速的追求使其也大量采用对转式螺桨,同样这种电动机也可以运用于此。

钻头。对转的钻头将比单一方向转动的钻头具有更高的效率,从而提高钻探或开采的效率。

搅拌机。可以提高搅拌的效率。

SO ON……

Ψ我们的口号:反,正,都是自我!

Ψ我们的收获

最大的收获是这个过程。在从没有到初具雏形,到有完整报告的这个过程中,我们体验了科技活动的过程,这是一次良好的体验,也是步入清华的第一次。

在制作过程中我们初步接触了信息检索与处理。通过上网搜集、图书馆查找等方式,我们学会了一些工科学生必备的技能。

通过与科协成员和互相之间的交流,我们还增长了表达、交流与探讨的能力。

SO ON……

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