ПРИВОД ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H02K41/00 F03H5/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве привода средств транспорта.

Известно, что привод средств транспорта отличается высоким разнообразием. Как правило, он состоит из источника энергии, преобразователя энергии, трансмиссии [1,2]. Источником энергии могут быть химическая энергия топлива, источник электродвижущей силы (ЭДС), накопители энергии автономные (аккумуляторы, маховики и т. п. ). Преобразователи могут быть тепловые (двигатели внутреннего сгорания, турбины и т.п.), электрические (электрические двигатели постоянного и переменного тока) совместно с регулятором тока или напряжения. Трансмиссии - коробки передач, различные валы и т.п.

Недостатком известных приводов поступательного перемещения являются высокая сложность изготовления и эксплуатации, наличие большой массы подвижных систем с низкой энергетикой на различных ступенях преобразования разного рода движений, ограничивающих технологические возможности применения.

Известен привод дисколета [3]. Сущность известного привода заключается в том, что в плоскости кругового проводника с током создано радиальное магнитное поле. Его обеспечивают плоские прямоугольные соленоиды. Как следствие, на проводник (он закреплен на дисколете) действует сила Ампера - она-то и потянет всю конструкцию. Радиальные силы, действующие на обмотки соленоидов от кругового проводника с током, взаимно компенсируются и не влияют на движущую силу. Направление перемещения управляется перемещением вектора силы тяги, а величина силы тяги управляется величиной тока кругового проводника или его заряда. Сила тяги ограничена проводимостью кругового проводника, индукцией соленоидов и прочностью конструкции. Продолжительность работы ограничена запасом энергии, обеспечивающей токи в соленоидах и проводнике.

Технический результат, достигаемый изобретением, - расширение технологических возможностей применения при одновременном снижении потерь в приводе и его сложности.

Это достигается тем, что в приводе поступательного перемещения, содержащем источник энергии и двигатель, в плоскости кругового проводника с током которого расположен соленоид обмотки возбуждения, подключенный к источнику энергии, последний выполнен в виде источника регулируемой ЭДС, круговой проводник жестко закреплен в кольцевом пазу магнитопровода двигателя, в другом кольцевом пазу магнитопровода двигателя также жестко закреплен соленоид обмотки возбуждения, причем пазы выполнены соосно магнитопроводу, а противоположные концы кругового проводника подключены к источнику ЭДС. Источник регулируемой ЭДС выполнен в виде электромеханической системы двигателя внутреннего сгорания и генератора, например униполярного; или в виде электрически связанных полупроводникового преобразователя и аккумуляторной батареи. Магнитопровод выполнен в виде постоянного магнита.

Сравнение заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый привод поступательного перемещения отличается тем, что источник энергии выполнен в виде источника регулируемой ЭДС, круговой проводник выполнен в кольцевом пазу магнитопровода двигателя, в другом кольцевом пазу магнитопровода двигателя также жестко закреплен соленоид обмотки возбуждения, причем пазы выполнены соосно магнитопроводу, а противоположные концы кругового проводника подключены к источнику ЭДС. Источник регулируемой ЭДС выполнен в виде электромеханической системы двигателя внутреннего сгорания и генератора, например униполярного; или в виде электрически связанных полупроводникового преобразователя и аккумуляторной батареи. Магнитопровод выполнен в виде постоянного магнита.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них данной совокупности признаков, а именно вышеуказанная совокупность признаков позволяет достигнуть необходимого технического результата - расширения технологических возможностей применения при одновременном снижении потерь в приводе и его сложности.

Предлагаемое техническое решение может быть реализовано в качестве привода поступательного перемещения средств транспорта, при этом необходимым и достаточным условием для его реализации является наличие источника регулируемой ЭДС для питания предлагаемого электродвигателя привода. Известно, что сила, действующая в магнитном поле, и энергия магнитного поля есть взаимно обуславливаемые явления. При наложении (суперпозиции) нескольких магнитных полей (например, полей постоянного магнита, магнита с обмоткой возбуждения и проводника(ов) с током) сила, действующая в результирующем поле, определяется поведением его силовых линий.

Сила, действующая на движущийся заряд в магнитном поле, носит название силы Лоренца (то же в проводнике - сила Ампера), направление и величина которой описывается выражением
FL = Q • V • B, (1)
где Q - заряд;
V - скорость, векторная величина;
B - индукция, векторная величина.

В частном случае носителем заряда является электрон. Для электрона, двигающегося перпендикулярно направлению индукции магнитного поля, формула упрощается
FL = e • V • B, (2)
где e - заряд электрона.

Так как сила FL действует перпендикулярно вектору скорости V и индукции B, она создает центростремительное ускорение, т.е. изменяет направление вектора скорости V, не меняя ее величины. Поэтому электрон движется в магнитном поле по окружности. При этом абсолютная величина скорости, а следовательно, и импульса остается прежней, а вот вектор (направление) меняется вплоть до противоположного. Следствием силы Лоренца является сила Ампера - она действует не на отдельно заряженную частицу, а на проводник с током (объемный заряд).

Согласно квантовой теории любое поле, в том числе и магнитное, - форма пространственно энергетического состояния вакуума. Переносчиком силового взаимодействия в нем выступают виртуальные фотоны - коротко живущие кванты энергии. Поэтому систему, в которой мы учитываем магнитные силы, нельзя считать замкнутой, так как в нее вторгается физический вакуум. Известно, что если система замкнута, то ее суммарный импульс (или количество движения) всегда равен нулю. Все силы в ней опираются на внутренние "элементы" системы. Пример - механическая система. Значит в силу собственной физической природы силы Лоренца и Ампера не бывают внутренними. Поэтому, используя их взаимодействие с физическим вакуумом (конкретно с магнитным полем, созданным в системе), можно построить привод поступательного перемещения, в том числе и для средств транспорта.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого привода поступательного перемещения некоторого тела массой Mt (масса привода входит в состав суммарной массы M_t); на фиг. 2 - схема продольного сечения двигателя и его энергопитание; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2.

Предложенный привод состоит из источника 1 регулируемой ЭДС и двигателя 2 привода. В свою очередь, источник 1 регулируемой ЭДС (далее источник 1 ЭДС) состоит из преобразователя 3, например химической энергии топлива через тепловую в механическую на основе двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и генератора 4, например униполярного. Преобразователь 3 и генератор 4 соединены своими валами через муфту 5 и образовали электромеханическое устройство типа мотор-генератор. Преобразователь 3 соединен с аккумулятором 6, который через ключи 7 и 8 соединен с обмотками 9 возбуждения двигателя 2. При этом ключ 8 для двигателя 2 выполнен реверсивным. Обмотки возбуждения генератора 4 соединены с аккумулятором 6 через ключ 7 и с двигателем 2 через ключ 8. Электросиловой вывод генератора 4 через шину 10(+) и шину 11(-) подключен к проводнику 12 кольцевой формы двигателя 2. Проводник 12 и обмотки 9 возбуждения двигателя 2 расположены каждый в своем кольцевом пазу магнитопровода 13 соосно последнему и жестко закреплены в нем. Ось магнитопровода 13 обозначена под номером 14, магнитные силовые линии 15 магнитной индукции 8, вектор 16 скорости движения носителей заряда V. Магнитопровод 13 в данном схемном изображении имеет цилиндрическую форму. Вообще число двигателей 2 может быть более одного. Необходимо только выполнить условие, чтобы их суммарная мощность не превышала мощности источника 1 регулируемой ЭДС, исходя из соображений минимального массогабарита.

Линейная скорость V при равномерном движении, в том числе и носителей заряда Q, при радиусе r кольцевого проводника 12 тока составит
V = 2 • pi • r/t, (3)
где pi = 3,14159...;
t - время, с.

Электрический заряд через проводник 12 за то же время t составит
Q = I • t, (4)
где I - ток от источника 1 ЭДС через шины 10 и 11.

Тогда исходя из формулы (1) сила Лоренца составит
FL = I • t • (2 • pi • r/t) • B. (5)
Согласно закону полного тока для расчета магнитных систем можно записать
H_n • L_n + H_m + L_m = I_v • W_v, (6)
где H_n = B_n/M₀; (7)
H_m = B_m/M_m; (8)
H_n - напряженность магнитного поля через поперечное сечение проводника 12;
L_n - толщина проводника 12;
H_m - напряженность магнитного поля в магнитопроводе 13;
L_m - длина магнитной силовой линии 15 в магнитопроводе 13;
B_n - индукция магнитного поля в поперечном сечении проводника 12;
B_m - индукция магнитного поля в магнитопроводе 13;
M₀ = 4 • pi • 1e-7 - магнитная постоянная;
M_m - магнитная проницаемость материала магнитопровода 13;
I_v - ток возбуждения обмотки 9 возбуждения;
W_v - число витков обмотки 9 возбуждения.

Формула (6) принимает вид
(B_n • L_n/M₀) + (B_m • L_m/M₀/M_m) = I_v • W_v. (9)
Тогда индукция магнитного поля обмотки 9 возбуждения через проводник 12 на длине магнитной силовой линии L_n, равной толщине проводника 12, составит
B_n = M₀ • (I_v • W_v - B_m • L_m/M₀/M_m)/L_n. (10)
С учетом (10) формула (5) принимает вид
FL = I • 2 • pi • r • M₀ • (I_v • W_v - B_m • L_m/M₀/M_m)/L_n. (11)
Из формулы (11) следует, что все величины формулы (11) при I_v = const (по величине) зависят от геометрии двигателя, кроме силы тока I через проводник 12. Если знак тока I_v поменять на обратный ключом 8, то знак силы FL также поменяется на обратный исходному, т.е. осуществляется реверс силы тяги FL двигателя 2.

Известно, что величина ЭДС генератора 4 (униполярного) в общем виде может быть представлена
E = L_r • R_r • W_r • B_r, (12)
где L_r - длина ротора генератора 4;
R_r - радиус ротора генератора 4;
W_r - угловая частота ротора генератора 4;
B_r - индукция обмотки возбуждения магнитопровода генератора 4 (расчет по формулам закона полного тока подобным (6)).

Из формулы (12) следует что величина ЭДС генератора 4
E = W_r • C_r, (13)
где C_r - магнитная постоянная генератора;
W_r - переменная угловая частота вращения ротора генератора 4,
возникает при изменении частоты вращения преобразователя 3 (например ДВС) путем изменения подачи энергоносителя (топлива) согласно заданных условий изменения частоты W_r. Следовательно, в целом комплекс преобразователя 3 и генератора 4 выступает как источник 2 регулируемой ЭДС.

Согласно закону Ома для полной цепи (постоянного тока)
I = E/(R_н + R_вн), (14)
где R_н - сопротивление шин 10 и 11 кольцевого проводника 12, т.е. внешней нагрузки,
R_вн - внутренне сопротивление генератора 4.

Согласно второму закону Ньютона
A_t = F_t/M_t, (15)
где A_t - ускорение тела массой M_t;
F_t - сила, действующая на тело.

Если предлагаемый привод установить на подвижную платформу с суммарной массой M_t, то тело придет в ускоренное движение согласно (15), так как в качестве силы тяги F_t выступит сила FL
F_t = FL. (16)
С учетом (11), (14), (16) уравнение (15) принимает вид
A_t = FL/M_t = (+/-)E • C_p/M_t, (17)
где C_p - постоянная привода поступательного перемещения, пропорциональная его установленной мощности и геометрии двигателя 2.

От знака (+/-) у ЭДС E зависит знак ускорения A_t, с которым движется тело массой M_t.

Согласно вышеизложенному и изображению по фиг. 3 для тока I, движущегося перпендикулярно индукции B_n магнитного поля магнитопровода 13 со скоростью V, сила тяги типа FL направлена перпендикулярно плоскости чертежа. Таким образом, согласно приведенной конструкции двигателя 2 привода сила Лоренца возникает перпендикулярно скорости V носителей заряда и направлению индукции B_n, она создает центростремительное ускорение, т.е. изменяет направление скорости, не меняя ее величины.

Дополнительно в качестве регулируемого источника 1 ЭДС может быть использована аккумуляторная батарея соответствующей емкости совместно с преобразователем полупроводниковым, который изменяет величину и направление тока через проводник 12 двигателя 2, достигая того же результата.

Изобретение может быть использовано в качестве привода средств транспорта, в том числе электромобилей. Изобретение обеспечивает расширение технологических возможностей применения при одновременном снижении потерь в приводе и его сложности. Привод поступательного перемещения содержит источник 1 регулируемой ЭДС и двигатель 2. Источник 1 регулируемой ЭДС состоит из преобразователя 3 и генератора 4. Преобразователь 3 и генератор 4 соединены своими валами через муфту 5 и образуют электромеханическое устройство типа мотор-генератор. Часть энергии преобразователя 3 отводится в аккумулятор 6, от которого через ключ 7 и ключ 8 поступает энергопитание обмотки возбуждения генератора 4 и обмотки 9 возбуждения двигателя 2. Электросиловой вывод генератора 4 через шину 10(+) и шину 11(-) подключены к проводнику 12 кольцевой формы двигателя 2. Проводник 12 и обмотка 9 возбуждения двигателя расположены каждый в своем кольцевом пазу магнитопровода 13 соосно последнему и жестко в нем закреплены. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Привод поступательного перемещения, содержащий источник энергии и двигатель, в плоскости кругового проводника с током которого расположен соленоид обмотки возбуждения, подключенный к источнику энергии, отличающийся тем, что источник энергии выполнен в виде источника регулируемой ЭДС, круговой проводник жестко закреплен в кольцевом пазу магнитопровода двигателя, в другом кольцевом пазу магнитопровода также жестко закреплен соленоид обмотки возбуждения, причем пазы выполнены соосно с магнитопроводом, а противоположные концы кругового проводника подключены к источнику регулируемой ЭДС. 2. Привод по п.1, отличающийся тем, что источник регулируемой ЭДС выполнен в виде электромеханической системы двигателя внутреннего сгорания и генератора. 3. Привод по п.1, отличающийся тем, что источник регулируемой ЭДС выполнен в виде электрически связанных полупроводникового преобразователя и аккумуляторной батареи. 4. Привод по п.1, отличающийся тем, что магнитопровод двигателя выполнен в виде постоянного магнита.