ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПРИВОДОМ Российский патент 2004 года по МПК H02K7/06 

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в автомобилестроении и моторостроении.

Известен электрический двигатель возвратно-поступательного движения, содержащий однокатушечную обмотку, два якоря, перемещающихся в противофазе, пневматическую буферную полость [1].

Недостатками известного двигателя являются:

а) невозможность преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное;

б) невозможность работы двигателя при отключении от внешней сети.

Известен также электромагнитный привод поршневой машины [2], содержащей грузы для преобразования кинетической энергии в энергию сжатия, в которой вращение вала с грузами вокруг оси осуществляется с помощью сегментированного кольцевого электромагнита. При вращении вала коленчатое звено преобразует вращательное движение в линейное перемещение поршней.

Недостатком известной поршневой машины, принятой за прототип, является осуществление питания электромагнита от внешнего источника тока.

Целью предлагаемого изобретения является преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала без постоянного использования внешнего источника тока.

Это достигается тем, что поршневой двигатель возвратно-поступательного движения, включающий поршень, цилиндр, коленчатый вал, коробку передач, трансмиссию, аккумуляторную батарею, генератор постоянного тока и автоматическую систему управления, согласно изобретению снабжен высоковольтным трансформатором, выпрямителем, поршень выполнен из двух половин, верхней - в виде токопроводной пластины и нижней - в виде постоянного магнита и установлен в цилиндр из немагнитного материала, индуктор установлен в верхней “мертвой точке” поршня, соленоид - в его нижней “мертвой точке” и на него подаются импульсы постоянного тока от аккумуляторной батареи, конденсаторная батарея выполнена из N последовательно расположенных автономных импульсных конденсаторов, параллельно подключенных к индуктору, периодически заряжаемых постоянным током от указанного генератора постоянного тока или от внешней сети и разряжаемых через коммутатор на индуктор по командам автоматической системы управления, а коленчатый вал по обеим сторонам от оси поршня снабжен маховиками, соединенными через электромагнитные порошковые муфты с одной стороны с указанным генератором постоянного тока для подзарядки аккумуляторной и конденсаторной батарей, а с другой стороны через коленчатый вал и коробку передач - на трансмиссию.

Кроме того, для увеличения кинетической энергии, запасаемой маховиками при вращении, они выполнены из материала с максимально возможной плотностью, например до ρ=20 г/см³.

Для лучшего скольжения поршня относительно стенки цилиндра и уменьшения трения нижняя часть поршня с боковой стороны снабжена кольцевым шариковым сепаратором.

Для длительной работы без подзарядки конденсаторная батарея выполнена из N числа последовательно расположенных автономных импульсных конденсаторов, параллельно подключенных к индуктору, периодически заряжаемых постоянным током через высоковольтный трансформатор и выпрямитель от внешней сети и разряжаемых через коммутатор на индуктор по командам автоматической системы управления двигателем.

Для увеличения мощности двигателя он может содержать несколько последовательно соединенных друг с другом поршней и цилиндров при помощи общего коленчатого вала.

На фиг.1 показана функциональная схема однотактного двигателя. На фиг.2 показаны верхняя и нижняя части поршня и сепаратор. На фиг.3 показана схема взаимодействия магнитных потоков индуктора и соленоида с поршнем, на фиг.4 - схема повышающего трансформатора с укладкой первичной обмотки в полотно дороги.

Сущность предлагаемого изобретения показана на чертеже (фиг.1) в момент, когда поршень находится в верхней "мертвой точке".

Поршневой двигатель возвратно-поступательного движения состоит из цилиндра 1 из немагнитного материала, поршня 2, шатуна 3 из немагнитного материала, коленчатого вала 4, картера 5 из немагнитного материала, двух маховиков 6, симметрично расположенных на коленчатом валу относительно вертикальной оси поршня, генератора 7 постоянного тока, конденсаторной батареи 8, повышающего трансформатора 9, выпрямителя 10, коммутатора 11, коробки передач 12, электромагнитных муфт 13 и 14, индуктора 15, расположенного в верхней "мертвой точке" (в.м.т.) поршня, соленоида - 16, расположенного в нижней "мертвой точке" поршня (н.м.т.), автоматической системы управления 17 двигателем (АСУ).

Поршень 2 выполнен из двух половин (фиг.2). Верхняя часть поршня выполнена в виде электропроводной пластины 18, нижняя часть поршня выполнена в виде постоянного магнита 19. Поршень 2 по образующей снабжен кольцевым шариковым сепаратором 20, цилиндр снабжен водоохлаждаемой рубашкой 21, соединенной с системой охлаждения 22. Маховики 6 выполнены из материала с высокой плотностью, например до 20 г/см³.

Конденсаторная батарея 8 выполнена в виде набора автономных импульсных конденсаторов “С”, заряжаемых постоянным током через повышающий трансформатор 9 и выпрямитель 10 и разряжаемых через коммутатор 11 по командам автоматической системы управления 17.

Для отбора мощности от коленчатого вала 4 к коробке передач 12 предусмотрена электромагнитная порошковая муфта 13, а к генератору 7 предусмотрена электромагнитная порошковая муфта 14.

Поршневой двигатель транспортного средства, например автомобиля, работает следующим образом (фиг.2, 3). Перед запуском высоковольтный трансформатор 9 подключается к внешней сети 24 переменного тока, который преобразуется в постоянный с помощью выпрямителя 10 и заряжает конденсаторную батарею 8, после зарядки транспортное средство отключается от внешней сети 24. Если транспортное средство имеет постоянную связь с внешней сетью, например электровоз, или стационарный аппарат, например компрессор, то отключение не производится и процесс зарядки происходит непрерывно или отключение производится периодически с целью экономии электроэнергии.

Для запуска двигателя автоматической системой управления 17 от аккумуляторной батареи 23 подаются импульсы постоянного тока на соленоид 16. В результате взаимодействия магнитных полей соленоида Ф_с и постоянного магнита Ф_м поршня 2 поршень многократно отталкивается от соленоида, совершая возвратно-поступательное движение, приводя во вращение коленчатый вал 4. Разгон двигателя (вала 4 и маховиков 6) осуществляется через коммутатор 11 путем подачи ряда импульсов на индуктор 15 в момент нахождения поршня 2 в верхней "мертвой точке". Внешнее поле индуктора Ф_и наводит в электропроводной пластине 18 поршня 2 индукционный ток I_и, В результате взаимодействия внешнего поля индуктора Ф_и с магнитным полем пластины Ф_п, последняя многократно отталкивается от индуктора 15, разгоняя двигатель до максимальных оборотов. Одновременно отключается соленоид 16.

Отбор мощности от коленчатого вала к коробке передач 12 осуществляется через электромагнитную порошковую муфту 13.

Автоматическая система управления 17 управляет зарядкой и разрядкой конденсаторной батареи и подзарядкой аккумуляторной батареи. После полного расхода мощности конденсаторной батареи транспортное средство вновь присоединяется к внешней сети 24. Стационарные двигатели могут подзаряжаться непрерывно от внешней сети 24 (например, электровозы). Генератор 7 служит для подзарядки аккумуляторной батареи 23 во время движения транспортного средства.

Для остановки или торможения двигателя в соленоид и индуктор подаются импульсы тока обратного знака, при этом поршень начинает втягиваться в соленоид и индуктор и замедляет свое движение или останавливается.

Таким образом, кинетическая энергия поршня, сообщенная ему электромагнитным импульсом, преобразуется в кинетическую энергию маховиков, которая передается через вал и коробку передач на трансмиссию 5 и частично расходуется на подзарядку аккумуляторной батареи во время движения транспортного средства.

Предлагаемый двигатель использует внутреннюю энергию, запасенную в батареях, и не использует при работе источник внешнего тока (за исключением стационарных установок, которые постоянно подключены к внешней сети).

В технике сильных токов для индукционного ускорения проводников применяются индукторы, создающие в тракте ускорения магнитную индукцию до 70 Тл [3].

Зная индукцию, найдем давление на пластину по формуле

где В - индукция; μ₀=4π·10^-7 Гн/м - магнитная проницаемость вакуума. Пусть B=5 Тл, тогда

Тогда сила отталкивания поршня от индуктора будет равна

где S_п - площадь поверхности поршня.

Если диаметр поршня (пластины) принять равным 80 мм, то сила будет равна

С учетом КПД индуктора (η=0,8) для дальнейших расчетов примем F=4000 кгс.

Скорость перемещения поршня найдем по выражению

где Q=2 кг - вес поршня; g=10 м/с² - ускорение силы тяжести; t=10^-3 с - время импульса. Тогда получим

Угловую скорость коленчатого вала найдем по формуле

Тогда ω=20/0,03=666 с^-1 или n=6660 об/мин.

Кинетическая энергия маховиков определяется по выражению

где - момент инерции маховиков; m - масса маховиков, m=Q/g=50/10=5 кг, где Q=2·25 - вес двух маховиков; R=0,2 - радиус маховика. Тогда I=5·0,2²=0,2 кгм·с², E=0,5·0,2·666²=44355 кгм.

Чтобы автомобиль весом Q=1500 кг двигался со скоростью 72 км/ч (20 м/с), его кинетическая энергия должна быть равна

Использование электромагнитных муфт 13, 14 при передаче крутящего момента от коленчатого вала 4 на коробку передач 12 позволяет замедлять, ускорять или останавливать автомобиль (станок, тепловоз и проч.) без остановки коленчатого вала с маховиками, периодически разгоняя его мощными импульсами.

Постоянную или периодическую зарядку конденсаторных батарей, установленных на движущемся транспорте (например, автомобиля), можно осуществлять путем закладки первичной обмотки 25 повышающего трансформатора 9 в полотно дороги 26, устраивая для этой цели параллельные участки 27 или предусматривая длинные специальные полосы на автомобильных трассах 28 (фиг.4).

К основным преимуществам предлагаемого поршневого двигателя с электромагнитным приводом относятся:

1) экологическая чистота;

2) бесшумность;

3) безопосность;

4) несложность в изготовлении и эксплуатации.

Отказ от бензиновых двигателей внутреннего сгорания позволит значительно оздоровить экологическую обстановку в атмосфере городов и густонаселенных районов, а также резко сократить расходы на производство бензина.

Источники информации

1. А.с. СССР №350103, 04.09.1972.

2. Патент США №3792295, 12.03.1974.

3. Механические взаимодействия в сильных магнитных полях Межвузовский сборник. Л.: Издание СЗПИ, 1974.

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в автомобилестроении и моторостроении. Технический результат заключается в преобразовании возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала при помощи электромагнитного привода без использования внешнего источника тока. Поршневой двигатель возвратно-поступательного движения включает поршень, цилиндр, коленчатый вал, коробку передач, трансмиссию и электромагнитную систему. Поршень выполнен из двух половин, верхней - в виде токопроводной пластины и нижней - в виде постоянного магнита и установлен в цилиндр из немагнитного материала. Индуктор установлен в верхней "мертвой точке" поршня, а соленоид установлен в нижней "мертвой точке" поршня и соединен с конденсаторной и аккумуляторной батареями через повышающий трансформатор и коммутатор. Коленчатый вал по обеим сторонам поршня снабжен маховиками, соединенными с одной стороны с генератором постоянного тока, а с другой стороны - с коробкой передач через электромагнитные порошковые муфты. Отказ от бензиновых двигателей внутреннего сгорания позволит значительно оздоровить экологическую обстановку в атмосфере мегаполисов и густонаселенных районов, а также резко сократить расходы на производство бензина. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Поршневой двигатель возвратно-поступательного движения, включающий поршень, цилиндр, коленчатый вал, коробку передач, трансмиссию, аккумуляторную батарею, генератор постоянного тока и автоматическую систему управления, отличающийся тем, что он снабжен высоковольтным трансформатором, выпрямителем, индуктором и соленоидом, поршень выполнен из двух половин, верхней - в виде токопроводной пластины и нижней - в виде постоянного магнита и установлен в цилиндр из немагнитного материала, индуктор установлен в верхней “мертвой точке” поршня, соленоид - в его нижней “мертвой точке”, и на него подаются импульсы постоянного тока от аккумуляторной батареи, конденсаторная батарея выполнена из N последовательно расположенных автономных импульсных конденсаторов, параллельно подключенных к индуктору, периодически заряжаемых постоянным током от указанного генератора постоянного тока или от внешней сети и разряжаемых через коммутатор на индуктор по командам автоматической системы управления, а коленчатый вал по обеим сторонам от оси поршня снабжен маховиками, соединенными через электромагнитные порошковые муфты с одной стороны - с указанным генератором постоянного тока для подзарядки аккумуляторной и конденсаторной батарей, а с другой стороны через коленчатый вал и коробку передач - на трансмиссию.2. Поршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что он содержит несколько последовательно соединенных друг с другом поршней и цилиндров при помощи общего коленчатого вала.3. Поршневой двигатель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что первичная обмотка повышающего трансформатора расположена вне транспортного средства, на котором установлен двигатель, например, вмонтирована в дорожное полотно.