УСТРОЙСТВО ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ДВИЖИТЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК B64G1/32 

Изобретение относится к системам управления искусственными спутниками Земли (ИСЗ) с использованием магнитного поля Земли Б64G132.

2. Уровень техники.

Известны устройства для создания внешних управляющих моментов, действующих на ИСЗ, с помощью электромагнитов, взаимодействующих с магнитным полем Земли, используемых в системах ориентации ИСЗ (см. авторское свидетельство СССР N 579740 от 14 июля 1977 г. с приоритетом от 1 марта 1963 г.). Устройства для создания внешних линейных сил (тяги) за счет взаимодействия с магнитным полем Земли, работающие без выброса (расхода) рабочего тела, неизвестны. Таким образом, устройство линейного электромагнитного движителя (ЛЭМД), предназначенное для создания линейной внешней силы (тяги) за счет взаимодействия с магнитным полем Земли, не имеет прототипов и является пионерским.

3. Сущность изобретения.

3.1. Назначение ЛЭМД.

Устройство ЛЭМД предназначено для создания внешней линейной силы, действующей на ИСЗ, ориентируемый в орбитальной системе координат и выводимый на полярную или наклонную орбиту с высотой до 2500 - 3000 км от Земли. ЛЭМД может быть использован для компенсации сил лобового сопротивления среды и для регулирования положения ИСЗ на орбите.

3.2. Описание конструкции ЛЭМД.

ЛЭМД состоит из замкнутого магнитопровода ромбовидной формы с обрезанными и закругленными острыми углами, выполненного из широких тонких (толщиной δ_м ) полос магнитомягкого ферромагнитного материала. Магнитопровод располагается на ИСЗ в вертикальной плоскости YoZ, перпендикулярной направлению полета. При этом большая ось ромба направлена вдоль бинормали к орбите, а малая ось ромба направлена вдоль местной вертикали (см. фиг.1).

Части магнитопровода, располагаемые вдоль "отрезанных" частей ромба, будем называть вертикальными (ВМ), а остальные части - наклонными (НМ) или концентраторами внешнего магнитного поля (КВП).

Вдоль всего магнитопровода, равномерно по его ширине, расположены узкие пазы (шириной δ_п ). В пазах вертикальных частей магнитопровода размещены рабочие обмотки (РО), по которым пропускается постоянный ток I_р (рабочий).

Ток во всех витках рабочих обмоток в пределах пазов обоих вертикальных частей магнитопровода течет в одну сторону. Части витков рабочих обмоток, располагаемые вне паза, обхватывают вертикальный магнитопровод с боковой стороны (см. фиг.2).

Такая конструкция обеспечивает практически полное отсутствие в магнитопроводе магнитных потоков, создаваемых токами в рабочих обмотках.

Расположенный на ИСЗ в плоскости, перпендикулярной направлению полета (указано стрелкой НП на фиг.1), магнитопровод ЛЭМД с высотой h_МАКС и длиной L состоит из наклонных частей (поз. 1 фиг. 1) и вертикальных частей (поз. 2 фиг. 1).

На вертикальных частях магнитопровода с высотой h_МИН размещены рабочие обмотки (поз. 3 фиг. 1).

Для сохранения требуемой ромбовидной формы магнитопровода используются немагнитные крепежные детали (поз. 4 фиг. 1).

Для сохранения расстояния между отдельными полосами используются специальные узлы крепления полос (поз. 5 фиг. 1). Поперечный разрез (по A-A) узла крепления полос приведен на поз. 1, фиг. 2.

Для образования замкнутого магнитопровода из отдельных ферромагнитных полос используются специальные узлы сочленения (поз. 6 фиг. 1). Продольный и поперечный разрезы узла сочленения (по B-B и D-D) приведены на поз. 2 и 3 фиг. 2.

Узел сочленения состоит из двух немагнитных цилиндрических спиц (поз. 3.1 фиг. 2), двух зажимающих пластин (поз. 3.2 фиг. 2) и немагнитных болтовых соединений (поз. 3.3 фиг. 2).

Рабочие обмотки, показанные на разрезах E-E и F-F (поз. 4 фиг. 2), располагаются на каркасе из изоляционного материала, состоящем из двух частей (поз. 5 фиг. 2), между которыми размещаются пластины вертикальных частей магнитопровода (поз. 6 фиг. 2). Расположение всех приведенных на фиг.2 разрезов показано на общем виде ЛЭМД (фиг. 1).

Вдоль всего магнитопровода расположены несколько узлов крепления полос магнитопровода и два узла сочленения частей магнитопровода. В местах сочленения частей магнитопровода обеспечивается хороший магнитопроводящий контакт.

3.3. Описание принципа работы ЛЭМД.

При полете ИСЗ по полярной или наклонной орбите в высоких широтах (более 50^o северной или южной широты) существенная составляющая вектора магнитного поля Земли (МПЗ) в точке расположения ИСЗ направлена вдоль местной вертикали (B_оп). В процессе полета ИСЗ при расположении ЛЭМД на ИСЗ, как указано в разделе 3.2, наклонные части магнитопровода пересекают вертикальную составляющую МПЗ и магнитное поле проходит, в значительной части, по магнитопроводу, и лишь малая часть попадающего на наклонный магнитопровод магнитного потока проходит сквозь пространство между двумя наклонными частями магнитопровода.

При величине магнитного потока, проходящего по магнитопроводу, равной kФ_on, где Ф_on - магнитный поток, попадающий на внешнюю поверхность магнитопровода; k - коэффициент полезного использования внешнего магнитного потока (k<1):
B_вм = kB_on·L/ 2δ_м (1)
где B_вм - магнитная индукция в вертикальной части магнитопровода,
B_on - вертикальная составляющая магнитной индукции внешнего магнитного поля,
L - длина магнитопровода (вдоль большой оси ромба).

При движении ЛЭМД вместе с ИСЗ вдоль орбиты магнитные силовые линии внешнего поля, перемещаясь поперек магнитопровода, пересекают проводники с током, размещенные в пазах вертикальных частей магнитопровода.

За счет взаимодействия тока в обмотке (I_р) с внешним магнитным полем проводники в пазах испытывают воздействие силы F_раб, равной
F_раб = B_вм·I_р·W_р· δ_м = kB_on·L/2·I_р·W_р (2)
где W_р - число витков рабочей обмотки.

Стороны витков, находящиеся вне магнитопровода и параллельные частям витков, находящихся в пазах вертикального магнитопровода, испытывают от взаимодействия с внешним полем силу, противодействующую рабочей - F_пр, равную
F_пр = -B_on·I_р·W_р·в_ро (3)
где в_ро - ширина рабочей обмотки.

При этом полезная сила, развиваемая одной обмоткой, будет равна
F_пол.о = F_раб - F_пр (4)
Полезная сила, развиваемая ЛЭМД,
F_пол. = 2F_пол.о = 2kB_on·I_р·W_р·(L/2 - в_ро/k) (5)
Так, при L = 1,5 м; I = 4 А; W = 600; B_on = 0,35·10^-4 Тл; k = 0,95 и, задаваясь В_ро = 40 мм

4. Перечень фигур
4.1. Фиг. 1. Линейный электромагнитный движитель ЛЭМД. Общий вид.

4.2. Линейный электромагнитный движитель ЛЭМД. Разрезы.

5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления
Конструкция ЛЭМД, описанная выше, не содержит ничего, кроме магнитопроводов, выполненных из полос ферромагнитного материала и обмоток из изолированного медного провода. Указанные конструкции могут быть выполнены на любом электромашиностроительном заводе.

Изобретение относится к системам управления искусственными спутниками Земли с использованием магнитного поля Земли. Замкнутый магнитопровод ромбовидной формы с отсеченными острыми углами является концентратором вертикальной составляющей магнитного поля Земли. Концентратор выполнен из полос ферромагнитного материала с расположением плоскости ромба перпендикулярно направлению полета, а большой оси - вдоль бинормали к орбите. Узкие пазы расположены вдоль полос магнитопровода равномерно по его ширине. Рабочие стороны прямоугольных рабочих обмоток размещены в пазах на участках магнитопровода, замыкающих отсеченные острые углы ромба, а другие стороны охватывают полосы магнитопровода. Стороны витков, противоположные рабочим, расположены вне магнитопровода. При протекании по ним постоянного тока создается внешняя сила вдоль направления полета, знак которой определяется направлением тока. Отличие устройства заключается в том, что одна из сторон прямоугольных витков расположена в концентраторе магнитного поля Земли. Данный движитель характеризуется повышенными значениями развиваемой силы тяги. 2 ил.

Устройство линейного электромагнитного движителя, предназначенное для установки на ИСЗ, ориентируемом в орбитальной системе координат и выводимом на полярную или наклонную орбиту с высотой до 2500 - 3000 км, содержащее замкнутый магнитопровод ромбовидной формы с отсеченными острыми углами, являющийся концентратором вертикальной составляющей магнитного поля Земли и выполненный из полос ферромагнитного материала с расположением плоскости ромба перпендикулярно направлению полета, а большой оси ромба - вдоль бинорамли к орбите и расположением узких пазов вдоль полос магнитопровода равномерно по его ширине, прямоугольные рабочие обмотки из изолированного медного провода, рабочие стороны которых размещены в пазах на участках магнитопровода, замыкающих отсеченные острые углы ромба, а другие стороны охватывают полосы магнитопровода с расположением сторон витков, противоположных рабочим, вне магнитопровода и с возможностью создания при протекании по ним постоянного тока внешней силы вдоль направления полета, знак которой определяется направлением тока, отличающееся тем, что одна из сторон прямоугольных витков рабочей обмотки расположена в концентраторе магнитного поля Земли.