СПОСОБ ДЕФОРМАЦИИ КОНСТРУКЦИИ И ОКРУЖАЮЩЕЙ ЕЕ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК B64D15/00 B08B7/02 

Изобретение относится к электроимпульсным устройствам преобразования электрической энергии в механическую работу и может быть использовано для возбуждения ударных волн в конструкциях, возбуждения акустических, гидравлических и геофизических ударных волн.

Известен способ деформации прикрепляемого к обшивке самолета антиобледенителя импульсным силовым воздействием, осуществляемым в результате воздействия переменного электромагнитного поля проводников с током, жестко соединенных с антиобледенителем, с электрическим током в обшивке самолета, возбуждаемым переменным электромагнитным полем этих проводников. Упругая деформация антиобледенителя и возбуждаемая вдоль конструкции антиобледенителя ударная волна вызывают разрушение отложившегося на поверхности антиобледенителя льда [1].

Известный способ обладает невысоким коэффициентом полезного действия вследствие непроизводительного рассеяния электромагнитного поля проводников через их межвитковую изоляцию и материал проводников.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению являются способ деформации конструкции и окружающей ее среды, включающий импульсное силовое воздействие на обшивку летательного аппарата вихревым электромагнитным полем индукторов, расположенных под обшивкой самолета, подвергаемой обледенению.

Вихревое электромагнитное поле индукторов, взаимодействуя с током, возбуждаемым этим полем в обшивке самолета, вызывает упругую деформацию обшивки и разрушение льда на ее поверхности [2].

Известный способ обладает невысоким коэффициентом полезного действия вследствие больших непроизводительных потерь энергии в индукторе и обшивке самолета. Кроме того, электрические токи, возбуждаемые в обшивке по известному способу, значительно ограничены или вовсе исключены для различных авиационных материалов, таких как титан его сплавы, композиционные материалы на основе графита, стекла, полимерных материалов.

Целью изобретения является увеличение коэффициента полезного действия.

Поставленная цель достигается тем, что в способе деформации конструкции и окружающей ее среды, включающем воздействие вихревым электромагнитным полем, согласно изобретению на конструкцию воздействуют вихревым электромагнитным полем с напряженностью магнитного поля, увеличивающейся к оси вихря напряженности электрического поля, при этом время нарастания электромагнитного поля до максимального значения устанавливается из соотношения:
t_m ≤ K•d²•γ, (1)
где t_m - время нарастания электромагнитного поля до максимального значения, сек;
K - коэффициент пропорциональности, равный 10 • 10^-6 сек • Ом/м;
d - толщина токопроводящей конструкции вдоль оси вихря напряженности электрического поля, м;
γ - Электрическая проводимость материала конструкции, 1/Ом • м.

В способе деформации конструкции и окружающей ее среды перед воздействием вихревым электромагнитным полем увеличивают токопроподность конструкции или ее части в зоне воздействия вихревым электромагнитным полем со стороны его воздействия.

Известно устройство для деформации обшивки летательного аппарата с отложившимися на его поверхности льдообразованиями, включающее импульсный генератор электромагнитного поля, установленный под обшивкой [3].

В известном устройстве обшивка летательного аппарата выполнена из материала ограниченной толщины с низкой электропроводностью, вследствие чего часть электромагнитного поля импульсного генератора проникает через обшивку, демпфируя силовое воздействие на обшивку, что приводит к снижению коэффициента полезного действия устройства.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для деформации конструкции и окружающей ее среды, включающее источник импульсов тока и катушку с витками проводников электрического тока [1].

В известном устройстве напряженность магнитного поля, возбуждаемая над наружными витками вдоль радиуса катушки, практически одинакова, а коэффициент полезного действия устройства невелик вследствие рассеяния магнитного поля витков через изоляционные зазоры и материал витков.

Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия устройства за счет возбуждения над витками катушки электромагнитного поля с напряженностью магнитного поля, увеличивающейся вдоль радиуса катушки к оси катушки.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для деформации конструкции и окружающей ее среды, включающем источник импульсов тока и катушку с витками проводников электрического тока, витки катушки выполнены из проводников электрического тока с T-образным профилем поперечного сечения и послойно сориентированы так, что основания T-образных проводников нечетного слоя направлены навстречу основаниям T-образных проводников четного слоя и размещены между основаниями T-образных проводников соседнего четного слоя.

Площадь поперечного сечения витков предыдущего слоя может быть меньше или больше площади поперечного сечения витков последующего слоя.

Суммарную толщину проводников электрического тока вдоль оси катушки определяют из соотношения:

где D - суммарная толщина проводников вдоль оси катушки, м;
t_m - время нарастания электромагнитного поля до максимального значения, сек;
K - коэффициент пропорциональности, равный 10 • 10^-6 сек • Ом/м;
γ - электрическая проводимость материала конструкции, 1/Ом • м.

Между катушкой и конструкцией может быть расположена прокладка из токопроводящего материала с поверхностью, обращенной к конструкции, конструкции, повторяющей слепок рельефа поверхности конструкции, и противоположной поверхностью прокладки, повторяющей слепок рельефа поверхности катушки.

Деформируемая конструкция может быть расположена с обеих сторон катушки. Катушка может быть жестко соединена с диэлектрической конструкцией, контактирующей с окружающей средой, и расположена над токопроводящей конструкцией.

Токопроводящая конструкция может быть выполнена в виде второй катушки, подключенной к источнику импульсов тока.

Вторая катушка может представлять собой зеркальное отображение первой катушки с встречено направленным первой катушке электромагнитным полем.

Сущность изобретения.

В основу изобретения положена задача повышения коэффициента преобразования энергии вихревого электромагнитного поля в механическую работу по деформации конструкции и окружающей ее среды, которая решает формирование электромагнитного поля, изменяющимся в пространстве и во времени, определенным изобретением способом, по которому напряженность магнитного поля увеличивается вдоль радиуса к оси вихря напряженности электрического поля, а время нарастания электромагнитного поля до максимального значения ограничивается конструктивными и электромеханическими параметрами деформируемой конструкции и возбудителя электромагнитного поля.

Предложенный способ осуществляется устройствами, обеспечивающими уменьшение рассеяния электромагнитного поля и его концентрацию в рабочем объеме между деформируемой конструкцией и возбудителем электромагнитного поля, выполненного в виде катушки с витками проводников электрического тока.

Уменьшение рассеяния электромагнитного поля через деформируемую конструкцию достигается ограничением времени нарастания электромагнитного поля до максимального значения t_m, при котором большая часть электромагнитного поля катушки концентрируется в зазоре между деформируемой конструкцией и катушкой и не просачивается через конструкцию.

Уменьшение рассеяния электромагнитного поля через деформируемую конструкцию достигается также увеличением электропроводности конструкции и введением между катушкой и конструкцией прокладки из токопроводящего материала.

Изменяющееся магнитное поле катушки возбуждает в конструкции, прилегающей к катушке, вихревые макро- и микротоки. Причем вихревые макротоки циркулируют в конструкции по контуру, являющемуся зеркальным отображением контуров витков катушки.

На фиг. 1 представлена схема устройства с контурами циркуляции магнитного поля и вихревых макро- и микротоков.

На фиг. 2 приведены кривые изменения уровня напряженности магнитного поля вдоль радиуса катушки.

Условием, обеспечивающим циркуляцию макротоков (I) в конструкции (фиг. 1), является обеспечение электропроводности вдоль всего контура зеркального отображения витков катушки.

Вихревые микротоки i циркулируют в каждой точке конструкции 1 над витками 4 катушки 3. Для циркуляции микротоков достаточно точечной электропроводности конструкции, а условием, обеспечивающим циркуляцию микротоков, является воздействие на конструкцию вихревого электромагнитного поля с напряженностью магнитного поля H(r) (фиг. 2), увеличивающейся к оси 5 вихря напряженности электрического поля. Причем чем больше перепад напряженности магнитного поля (H₁ - H₂) (фиг. 2) вдоль радиуса (r) катушки 3, тем больше величина возбуждаемого микротока (i), определяемого из выражения (3):
i = i₁ - i₂ = lH₁ - lH₂ = l(H₁ - H₂), (3)
где l - длина стороны микроконтура вдоль витков катушки, м;
H₁, H₂ - напряженности магнитного поля на расстоянии r₁ и r₂ от оси катушки, А/м.

Силовое воздействие вихревого электромагнитного поля на конструкцию складывается из взаимодействия вихревых электромагнитных полей с макро- и микротоками, индуцируемыми в конструкции, что повышает коэффициент преобразования энергии вихревого электромагнитного поля в механическую работу по деформации конструкции (1) и окружающей ее среды (2), т.е. приводит к повышению коэффициента полезного действия.

Помимо этого, предлагаемый способ и устройство позволяют увеличить область применения бесконтактной деформации путем направленного силового воздействия:
- на микроорганизмы, под действием которого микроорганизмы разрушаются, видоизменяются и мутируют;
- на токопроводящие микрочастицы, с целью их метания и отделения от окружающей среды (породы);
- на полупроводящие и электролитические среды и т.п.

Увеличение напряженности магнитного поля (H) к оси 5 (фиг. 1) вихря напряженности (E) электрического поля, совпадающей с осью 5 катушки 3, достигают уменьшением, а в лучшем варианте исполнения катушки - исключением, рассеяния электромагнитного поля как через изоляционные зазоры витков 4, так и через электропроводный материал витков.

Уменьшению рассеяния магнитного поля через изоляционные зазоры способствует послойная ориентация витков, выполненных из проводников с T-образным профилем поперечного сечения, когда основания T-образных проводников нечетного слоя направлены навстречу основаниям T-образных проводников четного слоя и размещены между основаниями T-образных проводников соседнего четного слоя.

Уменьшению рассеяния магнитного поля через электропроводный материал витков способствует суммарная толщина витков вдоль оси катушки, выбираемая из соотношения (2).

В лучшем варианте исполнения катушки, когда рассеяние магнитного поля через катушку исключено, достигают максимального увеличения напряженности магнитного поля H(r) вдоль радиуса (r) к оси 5 катушки (фиг. 2). При этом напряженность магнитного поля увеличивается вдоль радиуса к оси катушки обратно пропорционально обратно величине радиуса катушки. В отсутствии рассеяния магнитного поля магнитный поток (Φ) катушки 3 (фиг. 1) сосредоточен в зазоре высотой h между конструкцией 1 и плоскостью витков 4 катушки.

Магнитный поток, пронизывающий замкнутую боковую поверхность цилиндра высокой h и радиусом r, равен:
Φ = μ₀H(r)2πrh (4)
откуда
H(r) = Φ/μ₀2πrh (5)
где Φ - магнитный поток катушки, Вб;
μ₀ - магнитная постоянная, равная 4π10^-7 Гн/м;
r - текущее значение радиуса катушки, м;
π - постоянная, равная 3,14;
h - высота зазора между конструкцией и плоскостью катушки, м;
H(r) - напряженность магнитного поля в зазоре на расстоянии r от оси катушки, А/м.

Таким образом, из уравнения (5) напряженность магнитного поля увеличивается к оси катушки вдоль радиуса катушки обратно пропорционально обратной величине радиуса катушки.

На фиг. 3 представлено устройство для деформации конструкции.

Устройство (фиг. 3) включает в себя деформируемую конструкцию 1, окружающую среду 2, катушку 3 с витками проводников 4 электрического тока, симметричную относительно оси 5.

Витка катушки 3 выполнены из проводников с T-образным профилем поперечного сечения и послойно сориентированы так, что основания T-образных проводников первого 6 и третьего 7 слоев направлены вниз, а T-образные основания проводников второго 8 и четвертого 9 слоев направлены вверх и размещены между T-образными основаниями проводников первого 6 и третьего 7 слоев соответственно.

Приведенное на фиг. 3 расположение проводников уменьшает рассеяние магнитного поля в зазорах между витками, имеющее место в катушках с обычной рядовой намоткой, выполненной из проводников прямоугольного или круглого сечения. Рассеянию магнитного поля витков нечетного слоя через материал витков четного слоя и наоборот - препятствует использование проводников с суммарной толщиной, определяемой из соотношения (2).

В отсутствии рассеяния магнитного поля через катушку над витками катушки формируется вихревое электромагнитное поле с напряженностью магнитного поля, увеличивающейся в оси вихря напряженности электрического поля, совпадающей с осью катушки.

На фиг. 4 представлено устройство для деформации конструкции и окружающей среды, которое работает также, но между деформируемой конструкцией 1 и катушкой 3 расположена прокладка 12 из токопроводящего материала, позволяющая производить деформацию конструкции сложного профиля из нетокопроводящего материала.

В данном устройстве увеличение коэффициента полезного действия достигнуто за счет изготовления прокладки из высокопроводящего материала, обеспечивающего концентрацию электромагнитного поля в зазоре между катушкой и прокладкой.

На фиг. 5 представлено устройство для деформации конструкции 1 и окружающей ее среды 2, расположенной с обеих сторон катушки 3, которое работает также, но с большим коэффициентом полезного действия за счет использования электромагнитного поля, формируемого у второй стороны катушки.

На фиг. 5 в качестве окружающей среды выступает жидкость, а устройство применяется для возбуждения гидравлических ударных волн.

Конструкция 1, деформируемая импульсом вихревого электромагнитного поля катушки 3, подключенной к источнику импульсов тока 13, воздействует на окружающую конструкцию жидкость 2 и возбуждает в ней гидравлическую ударную волну. Устройство включает в себя механизм 14 возврата деформируемой конструкции 1 в исходное положение по окончании процесса деформации.

На фиг. 6 представлено устройство для деформации конструкции, которое работает также, но позволяет расширить область применения устройства за счет деформации диэлектрической конструкции 15, с которой жестко соединяется катушка 3, и располагается над токопроводящей конструкцией 1.

На фиг. 7 представлено устройство для деформации конструкций, которое работает также, но с большим коэффициентом полезного действия при больших длительностях импульсов тока за счет выполнения токопроводящей конструкции в виде второй катушки 16, подключенной к источнику импульсов тока 13, и представляющей собой зеркальное отображение первой. Электромагнитные поля катушек направлены встречно друг другу, когда требуется произвести деформацию конструкции путем отталкивания катушек 3 и 16, и согласно, когда требуется произвести деформацию конструкции путем притягивания катушек 3 и 16.

Встречное или согласное включение катушек осуществляется переключением выводов катушек к источнику импульсов тока 13.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. Производят деформацию конструкции (фиг. 3), представляющей собой обшивку 1 крыла самолета и образовавшегося на его поверхности льда 2.

Толщина обшивки составляет d = 1,2 мм.

Материал обшивки - дуралюминиевый сплав Д16АТ.

Электрическая проводимость материала конструкции - 3,2 • 10⁷ 1/Ом • м.

Определяют предельное значение времени нарастания электромагнитного поля до максимального значения из соотношения:

Устанавливают время нарастания электромагнитного поля до максимального значения: t_m = 450 • 10^-6 сек.

Для возбуждения вихревого электромагнитного поля с напряженностью магнитного поля, увеличивающейся к оси 5 вихря напряженности электрического поля, применяют катушку 3 с витками 4 электрического тока, выполненную из проводника электрического тока с T-образным профилем поперечного сечения и послойно сориентированными так, что основания T-образных проводников нечетного слоя направлены навстречу основаниям T-образных проводников четного слоя и размещены между основаниями T-образных проводников соседнего четного слоя.

Параметры катушки:
материалов витков - мель с электрической проводимостью 5,7 • 10⁷ 1/Ом • м.

число слоев - 4.

число витков - 38.

толщина витка - 0,5 мм, в т.ч. высота T-образного основания - 0,1 мм.

ширина витка - 3 мм.

суммарная толщина проводников вдоль оси 5 катушки - 1,2 - 1,6 мм.

Суммарная толщина проводников определяется из соотношение (2):

где t_m = 450 • 10^-6 сек;
K = 10 • 10^-6 сек • Ом/м;
γ = 5,7 • 10⁷ 1/Ом • м,
оставляет D ≤ 0,9 мм, что не противоречит толщине проводников в примере 1.

Устройство работает следующим образом. При протекании через витки 4 катушки 3 нарастающего электрического тока в рабочем объеме между катушкой 3 и конструкцией 1 конструируется вихревые микро- и макротоки. Взаимодействие электромагнитного поля катушки с вихревыми токами приводит к взаимоотталкиванию конструкции и витков катушки, вследствие чего конструкция 1 подвергается упругой деформации, а образовавшийся на ее поверхности лед 2 подвергается остаточной деформации и сбрасывается набегающим потоком воздуха.

Пример 2. Выполняют как пример 1, но площадь поперечного сечения витков предыдущего слоя вдоль оси катушки больше площади поперечного сечения витков последующего слоя вдоль оси катушки, исходя из расчета увеличения КПД за счет уменьшения активных потерь в витках катушки.

Параметры катушки:
материалов витков - медь с электрической проводимостью 5,7 • 10⁷ 1/Ом • м;
число слоем вдоль радиуса катушки - 4;
число слоев вдоль оси катушки - 9;
число витков - 36;
толщина витка - 0,5 мм;
ширина витков первого слоя вдоль оси катушки - 6 мм;
ширина витков второго слоя вдоль оси катушки - 4 мм;
ширина витков последующих слоев вдоль оси катушки - 3 мм.

Увеличение площади поперечного сечения витков первого и второго слоев вдоль оси катушки позволяет компенсировать увеличение их активного сопротивления вследствие эффекта близости, вытесняющего ток витков первого слоя от оси катушки к периферии сечения витка.

Пример 3. Выполняют как пример 1, но между поверхностью катушки и поверхностью конструкции 1 вводят прокладку 12 из токопроводящего материала с рельефом поверхности, обращенной к конструкции, повторяющим слепок рельефа поверхности конструкции, и рельефом противоположной поверхности прокладки, повторяющим слепок рельефа поверхности катушки (фиг. 4), за счет чего увеличивается концентрация электромагнитного поля между катушкой и прокладкой. Силовое воздействие электромагнитного поля производится непосредственно на прокладку, а через нее - на конструкцию, подвергаемую обледенению. При этом возможно деформация конструкций, выполненных из нетокопроводящих материалов.

Пример 4. Выполняют как пример 1, но деформируемую конструкцию 1 и окружающую ее среду 2 располагают с обеих сторон катушки 3 (фиг. 5). В данном примере в качестве окружающей среды выступает жидкость, а устройство применяется для возбуждения гидравлических ударных волн. Устройство содержит источник импульсов тока 13 и механизм 14 возврата деформируемой конструкции 1 в исходное положение по окончании процесса деформации.

Пример 5. Выполняют как пример 1, но катушка 3 жестко соединена с диэлектрической конструкцией 15, контактирующей с окружающей средой 2, и расположена над токопроводящей конструкцией 1 (фиг. 6).

Пример 6. Выполняют как пример 5, но токопроводящую конструкцию выполняют в виде второй катушки 16, подключенной к источнику импульсов тока 13.

Вторая катушка 16 изготовляется и располагается как зеркальное отображение первой 3, а их магнитные поля направлены встречно друг другу (фиг. 7).

Пример 7. Выполняют как пример 1, но материал обшивки заменяют на материал обладающий большей токопроводностью - на дуралюминиевый сплав Д16АТ, электрическая проводимость которого γ = 3,2 • 10⁷ 1/Ом • м, что позволяет увеличить эффективность очистки поверхности и повысить коэффициенты полезного действия.

Пример 8. Выполняют как пример 7, но материал обшивки заменяют частично на материал, обладающий большей токопроводностью, т.е. только в зоне льдообразования.

Применение предложенного способа и устройства позволит повысить коэффициент полезного действия на 10 - 40%, снизить вес устройства и расширить области применения.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки
1. Патент США N 5129598, кл. B 64 D 15/00, опубл. 1992 г. - прототип.

2. Патент США N 4678144, кл. B 64 D 15/00, опубл. 1987 г. - прототип.

3. Патент США N 3549964, кл. B 64 D 15/00, опубл. 1986 г.

Изобретение относится к области электроимпульсного образования электрической энергии в механическую работу и предназначено для использования при возбуждении ударных, акустических, гидравлических и геофизических волн. На конструкцию воздействуют вихревым электромагнитным полем с напряженностью магнитного поля, увеличивающейся к оси вихря напряженности электрического поля. Время нарастания электромагнитного поля до максимального значения устанавливается из соотношения t_m ≤ kd²γ (k - коэффициент пропорциональности; d - толщина токопроводящей конструкции вдоль оси вихря напряженности электрического поля; γ - электрическая проводимость материала конструкции). Для осуществления способа используют катушки с витками проводников Т-образного профиля. Проводники сориентированы в катушке так, что пазы заполнены выступами. Суммарную толщину проводников вдоль оси катушки определяют из соотношения суммарная толщина проводников вдоль оси катушки; γ - электрическая проводимость материала конструкции). Данное техническое решение характеризуется повышенной экономичностью. 2 с. и 12 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Способ деформации конструкции и окружающей ее среды, включающий воздействие вихревым электромагнитным полем, отличающийся тем, что на конструкцию воздействуют вихревым электромагнитным полем с напряженностью магнитного поля, увеличивающейся к оси вихря напряженности электрического поля, при этом время нарастания электромагнитного поля до максимального значения устанавливают из соотношения
t_m≤ kd²γ,
где t_m - время нарастания электромагнитного поля до максимального значения, с;
k - коэффициент пропорциональности, равный 10 • 10^-6 с • Ом/м;
d - толщина токопроводящей конструкции вдоль оси вихря напряженности электрического поля, м;
γ - электрическая проводимость материала конструкции, 1/Ом • м. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед воздействием увеличивают электропроводность конструкции. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что увеличивают электропроводность части конструкции. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что увеличивают электропроводность конструкции в зоне воздействия вихревого электромагнитного поля. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что увеличивают электропроводность конструкции со стороны воздействия вихревого электромагнитного поля. 6. Устройство для деформации конструкции и окружающей ее среды, включающее источник импульсов тока и подключенную к нему катушку с витками проводников электрического тока, отличающееся тем, что витки катушки выполнены из проводников с Т-образным профилем поперечного сечения и послойно сориентированы так, что основания Т-образных проводников нечетного слоя направлены навстречу основаниям Т-образных проводников соседнего четного слоя и размещены между основаниями Т-образных проводников соседнего четного слоя. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что площадь поперечного сечения витков предыдущего слоя меньше или больше площади поперечного сечения витков последующего слоя. 8. Устройство по п. 6 или 7, отличающееся тем, что суммарная толщина проводников электрического тока вдоль оси катушки определяется из соотношения

где D - суммарная толщина проводников вдоль оси катушки, м;
t_m - время нарастания электромагнитного поля до максимального значения, с;
k - коэффициент пропорциональности, равный 10 • 10^-6 с • Ом/м;
γ - электрическая проводимость материала конструкции, 1/Ом • м. 9. Устройство по любому из пп.6 - 8, отличающееся тем, что между катушкой и конструкцией расположена прокладка из токопроводящего материала с поверхностью, обращенной к конструкции, повторяющей слепок рельефа поверхности конструкции, и противоположной поверхностью, повторяющей слепок рельефа поверхности катушки. 10. Устройство по любому из пп.6 - 9, отличающееся тем, что деформируемая конструкция расположена с обеих сторон катушки. 11. Устройство по любому из пп.6 - 8, отличающееся тем, что катушка жестко соединена с диэлектрической конструкцией, контактирующей с окружающей средой, и расположена над токопроводящей конструкцией. 12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что токопроводящая конструкция выполнена в виде второй катушки, подключенной к источнику импульсов тока. 13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что вторая катушка представляет собой зеркальное отображение первой катушки. 14. Устройство по п.12 или 13, отличающееся тем, что электромагнитные поля катушек направлены навстречу друг другу.