СПОСОБ СОЗДАНИЯ ДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ Российский патент 1998 года по МПК H02K41/00 F03H5/00 

Изобретение относится к области создания движущей силы в безопорном пространстве и может быть использовано при создании двигательных систем для космических кораблей.

Известен способ создания движущей силы (см. патент Российской Федерации N 1801245, кл. H 02 K 41/00. Опубл. в Б.И. N 9, 1993 г.), основанный на взаимодействии электрического тока, индуцируемого во вращающемся контуре, с внешним магнитным полем. В соответствии с этим способом в процессе вращения контура его токоиндуцирующие элементы перемещают с различными тангенциальными скоростями, причем при переходах контура в противофазу индуцирование тока в нем прекращают.

Общими признаками для аналога и заявляемого объекта являются протекание через индуктор (контур) переменного электрического тока и взаимодействие этого тока с магнитным полем.

Получение требуемого технического результата при использовании аналога невозможно, поскольку для создания движущей силы необходимо наличие внешнего магнитного поля.

Недостатком этого способа является и необходимость в движении токоиндуцирующих элементов.

Известен также способ создания движущей силы, реализуемый в процессе работы линейного электродвигателя (см. а.с. СССР N 811430, кл. H 02 K 41/00. Опубл. в Б.И. N 9, 1981 г.), который основан на взаимодействии двух индукторов постоянного тока, один из которых движется относительно другого.

Общими признаками для аналога и заявляемого объекта являются пропускание токов через два индуктора и взаимодействие тока, пропускаемого через один индуктор, с магнитным полем другого индуктора.

Получение требуемого технического результата при использовании аналога невозможно, поскольку вся система из двух индукторов в целом остается неподвижной.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому и выбранным в качестве прототипа является способ создания движущей силы, реализуемый в процессе работы линейного электродвигателя по а.с. СССР N 595835 (кл. H 02 K 41/04. Опубл. в Б.И. N 8, 1978 г.), и предусматривающий взаимодействие двух индукторов переменного тока (подвижного и неподвижного), токи в обмотках которых сдвинуты по фазе.

Для прототипа и заявляемого объекта общими являются следующие признаки: пропускание через индукторы переменного тока, сдвиг токов индукторов по фазе и взаимодействие тока одного индуктора с магнитным полем другого индуктора.

Получение требуемого технического результата при использовании прототипа невозможно, потому что в безопорном пространстве вся система из двух индукторов в целом остается неподвижной.

Указанный недостаток прототипа обусловлен тем, что в каждый момент времени сила, взаимодействующая на подвижный индуктор равна по величине и противоположна по направлению силе, воздействующей на неподвижный индуктор.

В основу изобретения поставлена задача разработки такого способа создания движущей силы, который бы обеспечивал перемещение объектов в безопорном пространстве.

Для решения поставленной задачи в способе создания движущей силы, включающем взаимодействие переменных токов, пропускаемых со сдвигом по фазе через по меньшей мере два индуктора, и создаваемых при этом магнитных полей, в отличие от прототипа индукторы, согласно изобретению, располагают между собой на фиксированном расстоянии L, определяемом в зависимости от частоты токов N, максимальной разности потенциалов U между индукторами, скорости V распространения магнитного поля в среде, разделяющей индукторы, и электрической прочности E_пр этой среды из соотношения
U : E_пр < L ≤ V : 4N,
а сдвиг по фазе устанавливают равным 0,23-0,27 периода тока.

Расположение индукторов на фиксированном расстоянии L между собой, определяемом в зависимости от частоты тока N, скорости V распространения магнитного поля в среде, разделяющей индукторы, электрической прочности E_пр этой среды и максимальной разности потенциалов U между индукторами, а также установление определенного сдвига по фазе, обеспечивает создание движущей силы, воздействующей на систему из двух индукторов и обеспечивающей их перемещение в безопорном пространстве как целого.

Изобретение поясняется чертежами, на которых схематически изображено:
фиг. 1 - система из двух соосно расположенных индукторов для осуществления способа;
фиг. 2 - диаграмма взаимодействия двух индукторов при пропускании через их обмотки импульсов тока постоянного направления;
фиг. 3 - диаграмма взаимодействия двух индукторов при пропускании через их обмотки переменного тока.

Способ осуществляют следующим образом.

Пропускание тока два соосно расположенных индуктора 1 и 2, жестко закрепленных на платформе 3 и находящихся на расстоянии L друг от друга (фиг. 1), вызывает силы взаимодействия между током одного из индукторов и магнитным полем другого индуктора. Индукторы в зависимости от направления токов будут притягиваться друг к другу или отталкиваться.

При пропускании через индуктор 1 импульсного тока I₁ (фиг. 2) воздействие поля, создаваемого индуктором 1, на индуктор 2 произойдет через время t_L = L : V после начала пропускания тока, где V-скорость распространения магнитного поля в среде, разделяющей индукторы.

Если в этот момент t_L начать пропускать ток I₂ того же направления через индуктор 2, то поле индуктора 1 начнет воздействовать на индуктор 2 с силой F_1-2, притягивая его к индуктору 1, причем в этот момент, как и в течение последующего промежутка времени, равного t_L, поле индуктора 2 еще не будет оказывать воздействия на индуктор 1, и, поскольку индукторы жестко связаны, вся система, как целое, придет в движение в направлении от индуктора 2 к индуктору 1.

Периодическое повторение этого процесса с частотой N, равной или меньшей 1 : 4t_L (см. фиг. 2), что необходимо для предотвращения воздействия поля индуктора 2 на индуктор 1, обеспечит прямолинейное поступательное движение всей системы. Если длительность импульса тока будет больше чем 2t_L на величину Δt, то поле индуктора 2 начнет воздействовать на индуктор 1 с силой F_2-1, и эффективность процесса уменьшится в (2t_L + Δt):2t_L раз.

Если в момент 2t_L начать пропускать через индуктор 1 ток обратного направления (фиг. 3), то с момента 2t_L и в течение последующего промежутка времени, равного 2t_L, поле индуктора 2 уже будет оказывать воздействие на индуктор 1, отталкивая его, то есть сила F_2-1, воздействующая на индуктор 1, будет иметь то же направление, что и сила F_2-1, действующая на индуктор 2. В этом случае, в установившемся режиме, сила, воздействующая на систему в целом, будет в 2 раза больше силы, воздействующей на один индуктор.

Силы, воздействующие на каждый из двух индукторов, расположенных на расстоянии L, определяемом в зависимости от частоты N токов, пропускаемых через индукторы со сдвигом по фазе, равным 0,25 периода тока, и скорости V распространения магнитного поля в среде, разделяющей индукторы, из соотношения L = V : 4N, в каждый момент времени имеют одно и то же направление, что и определяет возникновение движущей силы.

Увеличение величины L по сравнению с величиной V : 4N приводит к тому, что силы, воздействующие на индукторы, в течение части периода тока имеют различные направления, что в общем случае приводит к уменьшению эффективности способа. Кроме того, при использовании индукторов, величина индукции которых снижается с увеличением L, уменьшается и абсолютная величина сил, воздействующих на индукторы, что и определяет нецелесообразность повышения расстояния между индукторами.

Уменьшение величины L по сравнению с величиной V : 4N также приводит к тому, что силы, воздействующие на индукторы, в течение части периода тока имеют различные направления, что в общем случае могло бы привести к уменьшению эффективности способа, однако, при использовании индукторов, величина индукции которых повышается пропорционально величине 1 : L или быстрее, например пропорционально величине 1 : L², увеличивается и сила, воздействующая на индукторы, что в целом приводит к повышению результирующей движущей силы.

Однако, поскольку токи, пропускаемые через индукторы, сдвинуты по фазе, то уменьшение расстояния между индукторами до величины, равной или меньшей U : E_пр, вызовет электрический пробой, что и определяет невозможность осуществления способа при малых значениях L.

Уменьшение или увеличение величины сдвига токов по фазе (по сравнению с оптимальным значением, равным 0,25 периода тока), также приводит к тому, что силы, воздействующие на индукторы, в течение части периода тока имеют различные направления, и соответственно снижается эффективность способа. Поддержание величины сдвига по фазе в пределах уже чем 0,23-0,27 периода тока вызывает значительные трудности, тогда как в этих пределах эффективность способа падает не более чем на 1%.

Расчет влияния расстояния L, сдвига по фазе f и круговой частоты тока w = 2πN на эффективности способа показал (см. ниже пример 1 осуществления способа), что для синусоидального тока сила F, воздействующая на систему в целом, пропорциональна величина sinf₁ sinf₂, где f₁ = 2πLN:V и f₂ - сдвиг по фазе. Расчет также показал, что в случае отклонения фактической частоты w' от расчетной w₀ = πV:2L, сила F, воздействующая на систему в целом, пропорциональна величине cos(π•Δw:2w₀), где Δw = w' - w₀.

Количество индукторов может быть и больше двух, требуется только, чтобы расстояние между каждой парой соседних индукторов было равно L, а сдвиг токов соседних индукторов по фазе составлял 0,23-0,27 периода.

Применение в качестве среды, разделяющей индукторы, материала со скоростью распространения магнитного поля V < C (где C - скорость света в вакууме), способствует снижению требуемой частоты пропорционально величине C : V.

Аналогичное взаимодействие будет наблюдаться между любыми индукторами, расстояние между которыми не изменяется. В качестве индукторов могут быть использованы соосно расположенные соленоиды (с сердечниками, в том числе и на общем сердечнике или без сердечников), прямолинейные параллельные проводники или параллельные пучки заряженных частиц (с отклоняющей системой) при условии, что расстояние между индукторами, частота тока и сдвиг по фазе будут связаны вышеприведенными соотношениями.

Пример 1. Применение в качестве индукторов двух находящихся в вакууме (где скорость распространения поля равна скорости света) жестко связанных параллельных проводников, через которые пропускается синусоидальный ток.

В примере представлен расчет влияния параметров способа (расстояния L между индукторами, сдвига f токов по фазе, круговой частоты тока w и частоты тока N) на эффективность способа.

Расчет выполнен для двух взаимодействующих индукторов, находящихся на фиксированном расстоянии L (закрепленных на какой-либо платформе), причем размер индукторов и длина их обмоток меньше расстояния между индукторами.

Пусть по обмотке индуктора 1 протекает синусоидальный ток
I₁ = I₀sint,
создающий в области расположения индуктора 2 индукцию
B₁ = B₀sin(wt-f₁),
где B₀ определяется конструкцией индуктора, величиной I_o и свойствами среды, разделяющей индукторы, а f₁ - сдвиг по фазе индукции, определяющийся расстоянием L между индукторами и соответственно временем запаздывания взаимодействия, а по обмотке индуктора 2 протекает ток
I₂ = I₀sin(wt-f₂),
где f₂ - заданный сдвиг по фазе, тогда в области расположения индуктора 1 будет создана индукция
B₂ = B₀sin[wt-(f₁+f₂)]
В этом случае сила F_1-2, с которой поле индуктора 1 воздействует на индуктор 2, составит (коэффициенты пропорциональности опущены)
F_1-2 = B₁ • I₂ = B₀sin(wt-f₁) I₀sin(wt-f₂),
а сила F_2-1, с которой поле индуктора 2 воздействует на индуктор 1, составит соответственно
F_2-1 = -B₂ • I₁ = -B₀sin[wt-(f₁+f₂)] I₀sinwt,
(знак "-" перед величиной B₂ связан с противоположным направлением поля).

Таким образом, сила F, воздействующая на систему из двух индукторов в целом, будет равна
F - F_1-2 + F_2-1
или
F=B₀I₀{sin(wt-f₁) sin(wt-f₂) - sin[wt-(f₁+f₂)]sinwt} = B₀I₀{(sinwt cosf₁ - coswt sinf₁)(sinwt cosf₂ - coswt sinf₂) - sinwt[sinwt cos(f₁+f₂) - coswt sin(f₁+f₂)]} = B₀I₀sinf₁sin₂(sin²wt + cos²wt) = B₀I₀sinf₁sin₂.

Поскольку f₁ = 2π_L:T, где t_L = L : V (время запаздывания) и T = 1 : N (период колебаний), то f₁ = 2πLN:V, и F имеет максимальные значения при sinf₁=sinf₂ = 1 или при f₁ = f₂ = π:2,
то есть 2πLN:V = : 2 и L = 4N.

Таким образом сила, воздействующая на систему из двух индукторов, будет максимальной в том случае, если
L = V : 4N и f₂ = π:2.
Если через индукторы, находящиеся на расстоянии L, пропустить ток с частотой w', отличной от оптимальной w₀, и со сдвигом по фазе то можно записать
I₁ = I₀sin(w't)
B₁ = B₀sin(w't-f₁)
I₂ = I₀sin(w't-f₂) = I₀sin(w't - ) = -I₀cos(w't)
B₂ = B₀sin[w't-(f₁+f₂)] = B₀sin[w't-(f₁+ )] = -B₀cos(w't-f₁)
При этом сила, воздействующая на систему в целом, будет равна
F = I₀B₀[sinw't cos(w't-f₁) - cosw't sin(w't-f₁)] = I₀B₀sinf₁.

Поскольку f₁ = 2πt_L : T' = w't_L, где w' = w₀ + Δw, то
f₁ = w′t_L = w₀t_L + Δwt_L
и
sinf₁ = sin(w₀t_L + Δwt_L ) при w₀t_L = π:2 равен
sinf₁ = sin(Δwt_L + π:2) = cos(Δwt_L) = cos(π•Δw:2w₀).
Таким образом, при малых значениях Δw:w₀ величина cos(πΔw:2w₀) незначительно отличается от 1. Так, при Δw:w₀ = 0,05 величина cos(π•Δw:2w₀) превышает 0,99, а это означает, что неизбежные отклонения частоты тока не будет существенно влиять на движущую силу.

Поскольку для параллельных проводников величина индукции пропорциональна 1 : L, то для двух таких жестко связанных проводников, по которым протекает ток частотой 75 МГц и величиной 1A со сдвигом по фазе, равным 0,25 периода, и находящихся в вакууме на расстоянии 1 м, величина движущей силы составит 4 • 10^-9 H на 1 см длины проводника, что в 2 раза превышает силу взаимодействия двух аналогичных проводников в случае применения постоянного тока той же величины.

Пример 2. Применение в качестве индукторов двух находящихся в вакууме жестко связанных параллельных проводников, через которые пропускают синусоидальный ток величиной 1A частотой 75 МГц со сдвигом по фазе, равным 0,25 периода, и расстояние между которыми составляет 0,001 м, обеспечивает величину движущей силы 6,3 • 10^-9 H на 1 см длины проводника.

Пример 3. Применение в качестве индукторов двух жестко связанных и разделенных фарфоровой пластиной толщиной 0,001 м параллельных проводников, через которые пропускают синусоидальный ток частотой 28,3 МГц и величиной 1A со сдвигом по фазе, равным 0,25 периода (максимальная разность потенциалов между индукторами равна 8 кВ), величина движущей силы также составит 6,3 • 10^-9 H на 1 см длины проводника. При этом расстояние между проводниками больше величины
U : E_пр = 8 кВ : 9000 кВ/м = 0,00089 м
(9000 кВ/м - электрическая прочность фарфора). Возможность снижения частоты тока (по сравнению с примером 2) определена тем, что скорость распространения поля в фарфоре в 2,65 раза меньше, чем в вакууме.

Согласно вышеизложенным данным заявляемое изобретение в сравнении с прототипом обладает следующими преимуществами:
а) позволяет создать движущую силу в безопорном пространстве;
б) не требует относительного движения индукторов, что упрощает применение способа;
в) cила, воздействующая на систему из двух индукторов, в 2 раза больше силы, воздействующей на каждый из индукторов, что повышает эффективность способа.

Изобретение при его использовании позволяет приводить в движение объекты, находящиеся в безопорном пространстве, например космические корабли, а также осуществлять изменение их ориентации в пространстве.

По сравнению с применяющимися в настоящее время реактивными (ракетными) способами создания движущей силы данный способ отличается повышенной безопасностью и простотой изменения направления силы.

Изобретение может быть использовано при разработке двигательных систем космических кораблей. Для решения задачи создания движущей силы в безопорном пространстве за счет взаимодействия индукторов без относительного их перемещения предлагается способ создания движущей силы, заключающийся во взаимодействии переменных токов, пропускаемых со сдвигом по фазе через по меньшей мере два индуктора и создаваемых при этом магнитных полей, причем индукторы располагаются между собой на фиксированном расстоянии L, определяемом в зависимости от частоты токов N, максимальной разности потенциала U между индукторами, скорости V распространения магнитного поля в среде, разделяющей индукторы, и электрической прочности E_пр этой среды из соотношения
U : E_пр < L < V : 4N,
а сдвиг по фазе устанавливают равным 0,23 - 0,27 периода тока. Способ отличается повышенной безопасностью и простотой изменения направления силы. 3 ил.

Способ создания движущей силы, заключающийся во взаимодействии переменных токов, пропускаемых со сдвигом по фазе через по меньшей мере два индуктора и создаваемых при этом магнитных полей, отличающийся тем, что индукторы располагают между собой на фиксированном расстоянии L, определяемом в зависимости от частоты токов N, максимальной разности потенциалов U между индукторами, скорости V распространения магнитного поля в среде, разделяющей индукторы, и электрической прочности E_пр этой среды из соотношения
U : E_пр < L ≤ V : 4N,
а сдвиг по фазе устанавливают равным 0,23-0,27 периода тока.