Изобретение относится к гидро- и аэродинамике объектов, находящихся и движущихся в пространстве. Изобретение также относится к электрическим асинхронным машинам и может быть использовано в судостроении и ракетостроении. Предлагается новый тип движителя, способный создавать силу упора, независимо от характера среды. Изобретение является пионерным.
В качестве отдаленного аналога можно рассмотреть асинхронный электрический двигатель с короткозамкнутым ротором типа "беличья клетка". Вращающееся магнитное поле (ВМП) в двигателе создается за счет магнитопровода круговой конструкции, имеющей систему пазов и зубцов, расположенных по окружности внутренней расточки статора. При трехфазной системе питания в пазы укладываются три обмотки. Они распределены по окружности статора так, что между осями полюсов имеется угол в 120 градусов. Наличие в симметричной трехфазной системе временного и пространственного сдвига в 120 градусов обуславливает появление ВМП.
Путь распространения магнитного потока проходит через зубцы, обращенные к оси вращения магнитного поля зазоры между статором и ротором и тело ротора. На периферии магнитный поток замыкается по ярму. Магнитный поток пересекает стержни "беличьи клетки" (они проходят параллельно оси вращения), наводит в них электрический ток. От последнего возникает магнитное поле, взаимодействующее с первичным магнитным полем. Создается вращающий момент, приложенный к ротору (1, с.270-276). Ротор увлекается магнитным полем статора с некоторым отставанием (скольжением). На наружную поверхность статора магнитное поле почти не выходит (исключая потоки рассеяния). Однако в рассматриваемом случае (создание нового движителя) требуется его выход на поверхность статора, например раскручивание пограничного слоя среды, в которой движется объект. При этом пограничный слой должен обладать определенной электропроводностью. Указанное способно компенсировать силу давления среды на корпус объекта и снижать лобовое сопротивление.
С целью получения вращающегося магнитного поля при помощи трехфазной системы обмоток статора последние должны иметь оси, сдвинутые в пространстве на 120 градусов. Направление, в котором основная волна индукции имеет наибольшее значение, называют осью магнитного поля.
Магнитное поле, ось которого вращается, принято называть вращающимся магнитным полем. Если значение индукции в воздушном зазоре в точке, лежащей на оси полюса вращающегося поля, остается неизменным, то такое поле называют круговым вращающимся полем, так как его можно изобразить вращающимся вектором неизменной длины, описывающим своим концом окружность (4, часть вторая, с.186).
Другим аналогом может быть однофазный конденсаторный асинхронный электродвигатель, ротор которого выполнен в виде беличьей клетки или в виде тонкостенного немагнитного полого цилиндра (1, с.278-316). В этих двигателях используются две отдельные однофазные обмотки, распределенные в пазах статора и взаимно сдвинутые по его окружности на половину полюсного деления. В одну из обмоток включается фазосдвигающий конденсатор. При этом поле получается эллиптическим и снижается коэффициент полезного действия (КПД).
Третьим аналогом (прототипом) может быть асинхронный двухфазный управляемый двигатель (2, с.128-161). Ротор такого двигателя является короткозамкнутым и выполняется в виде беличьей клетки или полого немагнитного с внутренним магнитопроводом. На статоре двигателя располагаются две распределенные обмотки, сдвинутые в пространстве на 90 электрических градусов. Одна обмотка (ОВ) называется обмоткой возбуждения. Она постоянно включена в сеть переменного тока. Вторая обмотка (ОУ) является управляющей. Применяются следующие режимы управления: амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый. Этот аналог больше других может быть прототипом, так как вращается полый ротор (подобие пограничного слоя) и возможно плавное изменение скорости вращения.
Общей особенностью рассмотренных аналогов является обращение полюсов статора (зубцов статора) внутрь, к оси вращения. Последнее делает невозможным их использование для воздействия на пограничный слой и вынуждает осуществить конструктивные изменения.
Понимая, что магнитное поле может воздействовать только на свободные электрические заряды, находящиеся в пограничном слое (степень воздействия определяется силой Лоренца), условно заменим это воздействие на обычное, механическое, подобное от действия вращающегося диска, кольца или винта. Такое упрощение позволит приблизительно оценить необходимые скорость и мощность вращения. Далее в эти цифры будут внесены поправки.
С целью создания вращающегося магнитного поля используется принцип, лежащий в основе работы асинхронного двигателя (используется только статор). Его магнитная система проходит через внутреннюю часть, включающую воздушный зазор и ротор. В предлагаемой магнитной системе магнитный поток выходит на внешнюю поверхность статора (зубцы обращены от оси вращения, а ярмо перенесено внутрь).
Указанное пространство обладает магнитной проводимостью, более низкой по сравнению с магнитопроводом, выполненным, например, из электротехнической стали. При индукции, равной 1 Тл, падение намагничивающей силы на единицу длины потока по воздуху в 50-300 раз больше, чем на ферромагнитных участках магнитопровода. При индукции в зубцах в 2 Тл это отношение уменьшается до 6-8 (3, с.66). Очевидно, что в предлагаемой конструкции статора (назовем его обращенным статором) необходимо до минимума снизить длину пути магнитного потока вне магнитопровода (от полюса до полюса). Это достигается увеличением до возможного максимума числа пар полюсов.
Другое мероприятие заключается в подъеме индукции до возможного максимума в зубцах статора. Оно возможно за счет выбора материала магнитопровода и оптимальной геометрии. Длина пути магнитного потока по магнитопроводу должна значительно превышать длину пути вне его. При этом не должно происходить насыщение магнитопровода.
Рассмотренное подтверждается формулой для величины номинального пускового момента, приходящего на один ватт потребляемой мощности для асинхронного двигателя с полым ротором (2, с.148-152)
где: Р - число пар полюсов, f - частота питающей сети, А - коэффициент, структуру которого можно определить из указанного источника.
В соответствии с (1, с.271) вращающий момент многофазного асинхронного двигателя определяется выражением
где: mф - число фаз статора, Uф - фазное напряжение питающей сети, ω1 - угловая синхронная скорость вращающегося поля, К - сомножитель, включающий электрическое сопротивление и скольжение.
Из выражения 2 следует, что момент можно увеличить за счет увеличения напряжения (наиболее эффективно), числа фаз и снижения электрического сопротивления пограничного слоя среды, в которую помещен обращенный статор. Увеличение первых двух величин осуществляется обычными схемными решениями. Уменьшение сопротивления возможно за счет искусственного внесения в пограничный слой вещества (его раствора) например, электролита. Увеличение электропроводности возможно путем предварительной ударной ионизации. Последняя возникает (сопровождает) в процессе раскрутки пограничного слоя.
Основное назначение обращенного статора заключается в воздействии на пограничный слой среды (снижение лобового сопротивления), в которой движется объект (аппарат). Обращенный статор устанавливается в головной части аппарата перед и на самом напряженном (в смысле лобового сопротивления) участке. При этом ось вращения магнитного поля должна совпадать с продольной осью симметрии аппарата.
В указанной системе пограничный слой находится под действием центробежной силы, силы противодействия вхождению в магнитное поле и силы трения. Вкладывая энергию в магнитное поле обращенного статора, мы уменьшаем силу давления среды на корпус, т.е. силу трения. Последнее приводит к значительной экономии энергии главной энергетической установки.
Кинетическая энергия вращающегося пограничного слоя определяется по формуле
где: m - масса пограничного слоя, V - линейная скорость вращения пограничного слоя.
Массу пограничного слоя можно рассчитать по формуле
где геометрические параметры слоя: L - длина, R - наименьший радиус, δ - толщина, ρ - плотность слоя.
Синхронная (угловая) скорость вращения магнитного поля имеет зависимость
Центробежная сила, обусловленная вращением магнитного поля, имеет
где: m - масса элементарного объема пограничного слоя, R - радиус вращения и V - линейная скорость вращения элементарного объема.
Сила статического давления среды на наружную поверхность обращенного статора или на элементарный объем пограничного слоя определяется по формуле
где: Po - абсолютное давление на границе двух сред (воды и воздуха), γh - избыточное (дефицитное) давление, h - глубина погружения (высота полета) аппарата, γ - удельный вес среды.
Приравняв выражения 6 и 7, получим формулу для нахождения необходимой скорости вращения магнитного поля в зависимости от горизонта движения
Встречный поток оказывает динамическое давление на поверхность статора (точнее, его нормальная составляющая). Последняя связана с углом расхождения носовой части аппарата зависимостью
где: Рдин - динамическое давление потока, Рн дин - нормальная составляющая динамического потока, α - угол расхождения носовой части аппарата.
Общее давление среды на аппарат равно сумме нормальных составляющих статического и динамического
Приравняв выражения 6 и 9 и решая относительно V, получим зависимость для скорости вращения магнитного поля
Известно (I, c.11), что магнитное полз в расточке асинхронного статора может вращаться со скоростью от 1000 до 180000 об/мин. Частота питающего напряжения находится в диапазоне от 50 до 3000 Гц.
В случае самоходного подводного аппарата (СПА) наибольшая скорость набегающего потока составляет 1800 м/мин. Линейная скорость вращения ротора асинхронного двигателя мощностью 1000 Вт, диаметром 0,2 м и скоростью 3000 об/мин составляет 1880 м/мин.
Для летательного аппарата (ЛА) наибольшая скорость набегающего потока составляет 25800 м/мин. При среднем радиусе статора в 0,2 м поле должно совершать 20541 об/мин.
Приведенные данные показывают реальность выполнения данного предложения при использовании обычной технологии и материалов.
Таким образом обращенный статор должен быть электрической машиной, аппаратом многофазным, высоковольтным, многополюсным, с повышенной частотой питания, с запасом по мощности и скорости вращения магнитного поля. При этом его внешний диаметр в большинстве случаях определяется внешним диаметром объекта использования статора, внутренний диаметр и длина по оси вращения определяются необходимой мощностью. Ширина зубцов доводится до минимума, а их длина по оси вращения определяется максимально возможной индукцией в зубце. Межполюсное расстояние доводится до возможного минимума.
Рассчитаем необходимую мощность обращенного статора для СПА и ЛА используя формулы 3 и 4. Скорость вращения пограничного слоя должна во много раз превосходить скорость набегающего потока, точнее его составляющую, параллельную поверхности
где: K1 - коэффициент превышения. При значительном K1 траектория движения элементарного объема пограничного слоя будет представлять спираль с малым шагом. Более точное значение скорости можно рассчитать по формуле 11.
Пусть обращенный статор имеет внешний диаметр 0,4 м, плотность воды 1000 кг/м3, скорость набегающего потока 30 м/с, значения K1:1,5, и 10, толщина пограничного слоя 0,01 м, угол расхождения носовой части аппарата 90 град и длину 0,64 м. При перечисленных значениях полезная мощность обращенного статора должна составлять соответственно: 1,8 кВт, 45 кВт и 180 кВт. При этом масса пограничного слоя составляет 8,21 кг.
Пусть обращенный статор для СПА имеет 40 пар полюсов, тогда в соответствии с формулой 5 обеспечить скорости вращения магнитного поля 21, 105 и 210 м/с можно, используя частоты питания 669, 3339 и 6678 Гц.
Для ЛА оценим необходимую полезную мощность, принимая указанные диаметр, длину обращенного статора, угол расхождения носовой части ЛА, значения коэффициента K1. Плотность воздуха принимаем равной 1,226 кг/м3, а скорость набегающего потока 430 м/с. Масса пограничного слоя, рассчитанная по формуле 4, составляет 0,01 кг. Полезная мощность равна 0,5 кВт, 11,3 кВт и 45,3 кВт. Пусть статор имеет 40 пар полюсов, тогда для обеспечения скорости вращения магнитного поля в 301, 1505 и 3010 м/с необходимо иметь частоты питание в 9586, 47930 и 95860 Гц.
Заметим, что движение электрического заряда в магнитном поле определяется силой Лоренца 
где: е - величина заряда, 
- векторное произведение скорости V движения заряда относительно создающих магнитное поле источников на напряженность магнитного поля Н (5, с.407-409).
Сила 
направлена перпендикулярно векторам 
(векторное произведение перпендикулярно направлениям обоих перемножаемых векторов). При этом сила Fm совпадает по направлению с [] для положительного заряда и направлена навстречу [] для отрицательного заряда.
Вследствие перпендикулярности к 
сила Fm столько изменяет направление скорости , не изменяя ее величины, т.е. только искривляет траекторию заряда. В случае постоянства скорости и напряженности сила также постоянна и равна произведению 
Ускорение, сообщаемое заряду силой Fm, постоянно по величине и перпендикулярно траектории заряда, т.е. траектория является окружностью. При этом заряды, имеющие разные знаки, вращаются в противоположном направлении.
В промежутке между магнитными полюсами плоскость вращения зарядов перпендикулярна внешней поверхности зубцовой зоны и расположена поперек. Располагая над зубцовой зоной (с определенным зазором) механическую преграду (магнитный шунт-отражатель), можно использовать силу Лоренца, бомбардируя зарядами внутреннюю поверхность шунта, для получения силы упора. Таким образом, можно преобразовать электромагнитную энергию в механическую, не имея перемещающихся механических узлов и деталей. Меняя пространственное расположение шунта, можно изменять расположение магнитных силовых линий, находя их оптимальную ориентацию.
На практике магнитное поле неоднородно. Скорость не перпендикулярна 
. При этом скорость можно разложить на две составляющие: Vn, лежащую в плоскости, перпендикулярной Н, и Vt, направленную вдоль Н. Вторая составляющая превращает движение по окружности в движение по спирали. Время обращения по спирали также не зависит от V, как и время обращения по окружности.
Представим магнитное поле, вращающееся над зубцовой зоной обращенного статора, в виде части сферы, в которой наибольшая напряженность имеет место в продольной плоскости, проходящей через середину зубцов и пазов. Рассмотрим упрощенные траектории выхода свободных зарядов из магнитного поля, в которое они попадают в результате вращения поля. Пусть заряды попадают только в пространство до наибольшей напряженности и они создаются разрядным устройством (его электродами), расположенным перед обращенным статором. Заряды будут выталкиваться силой Лоренца из магнитного поля на его внешнюю (ближайшую к разрядному устройству) поверхность по сложной, спиралевидной траектории. Для однородного поля при 
ускорение а и радиус вращения определяются по формулам:
где m - масса заряда.
В некоторых случаях (конструктивные особенности или ходовые и летные) нет необходимости иметь магнитное поле, вращающееся по окружности. Достаточно иметь поле, перемещающееся по замкнутой, эллиптической кривой или подобной ей, по незамкнутой кривой, по прямой линии и т.п. В этом случае обращенный статор круговой превращается в некруговой, или в развернутый нелинейный или в линейный.
"Разрезая" круговой обращенный статор по радиусу в районе паза, можно путем "развертывания" (его в линейку (прямоугольный параллелепипед) или в иную фигуру получить непрерывное движение магнитного поля в одну сторону, например слева направо. Располагая такую линейку (фигуру) на корпусе объекта (аппарата) и ориентируя ее по-разному относительно оси симметрии, можно получить необходимый эффект снижения лобового сопротивления.
Алюминиевый стакан вращается в расточке статора, так как его материал обладает электронной проводимостью и сцеплен с магнитным потоком. Наличие указанных условий является обязательным. Существование в материале (пограничном слое) свободных зарядов разного знака и в равном количестве обусловит появление вихревых токов противоположного направления и соответствующих вращающих моментов, компенсирующих друг друга. Отсутствие потокосцепления у пограничного слоя также обусловит нулевой вращающий момент.
При наличии результирующего вращающего момента пограничный слой, прошедший обращенный статор, по структуре (поле скоростей) будет подобен пограничному слою, образованному на корпусе корабля или ЛА. Его средняя скорость будет обусловлена средней скоростью вращения магнитного поля и скоростью перемещения объекта (сложение двух векторов). Пульсационная составляющая (наличие турбулентности) определяется неравномерностью магнитного поля и неоднородностью пограничного слоя.
Рассмотрим пригодность обращенного статора для работы в различных средах. Металлы обладают электронной проводимостью. Свободные электроны, имеющие минусовой заряд, обуславливают появление результирующего вращающего момента. Жидкости и газы обладают ионной проводимостью. В них имеются как частицы, заряженные плюсом, так и минусом. При их равном количестве результирующий момент равен нулю (нет вращения).
В обычных (естественных) условиях жидкости и газы электрически нейтральны. Однако существуют обстоятельства (условиям), при которых они теряют нейтральность и становятся полярными. При этом разность потенциалов может достигать очень большой величины (разряд между облаками или между облаком и землей). Указанное обуславливает необходимость наличия на корпусе объекта перед обращенным статором участка для интенсивной электризации пограничного слоя. Во избежание разряда как участок, так и поверхность статора должны быть покрыты электроизолирующим слоем. Длина участка определяется необходимой степенью электризации.
Назовем первый участок траектории относительного движения пограничного слоя участком поляризации. Второй участок вниз по потоку назовем участком раскручивания. На этом участке находится обращенный статор. Третий участок, создающий наибольшее сопротивление, назовем участком сопротивления. Благодаря работе обращенного статора пограничный слой на третьем участке должен иметь дефицит плотности. На четвертом участке плотность пограничного слоя восстанавливается из-за действия сил Архимеда на раскрученные массы. Этот участок назовем участком коллапса.
В создании вихревых токов и соответствующих моментов участвуют заряженные частицы, обладающие массой (в том числе и присоединенной). Уточним характер взаимодействия вихревых токов разного (противоположного) направления, их магнитных полей с основным вращающимся магнитным полем. Воздух является парамагнетиком (относительная магнитная проницаемость больше 1), и при воздействии внешнего магнитного поля создается преимущественное направление в расположении элементарных магнитных моментов, воздух оказывается намагниченным. Степень намагниченности незначительна.
Роль орбитальных моментов мала в намагничивании. Основными элементарными носителями магнетизма являются спиновые моменты, образующиеся в результате вращения электрона вокруг своей оси. Однако их может оказаться недостаточным, и необходима дополнительная операция над пограничным слоем. С целью выбивания электронов с высоких уровней в атомной структуре возможна ударная ионизация с помощью искрового разряда. В воздухе образуются электронные лавины, приводящие к образованию каналов повышенной электропроводности. Скорость распространения электронной лавины меньше, чем скорость образования электропроводящего канала. Последнее обусловлено фотонной ионизацией воздуха (6, с.372-377 и 5, с.213).
Система искровых разрядников размещается на корпусе ЛА на первом участке, перед обращенным статором, равномерно по окружности. Подача высокого напряжения на электроды может быть синхронизирована с перемещением магнитного поля. При этом очередной разряд должен происходить с опережением, величина которого определяется временем ионизации промежутка: электрод, обращенный статор. Отметим, что использование ударной ионизации является мерой, дополняющей электризацию пограничного слоя от трения. При сравнительно малой скорости перемещения ЛА, при коротком первом участке такая мера может оказаться основной.
В случае СПА ионный разбаланс в воде можно осуществить следующим образом. Во-первых, впрыскиванием в пограничный слой раствора вещества, имеющего необходимые ионы и обладающего повышенной электропроводностью. В качестве такого может быть щелочной электролит с удельной электропроводностью 6 См/м. Такие ионы можно отбирать из раствора, в котором происходит электролиз. Источником отрицательно заряженных ионов является пространство, окружающее анод. Источником положительно заряженных ионов является пространство, окружающее катод. Отбирая часть ионов одного знака полярности и впрыскивая их под давлением в пограничный слой, можно осуществить электризацию. Способ громоздкий, дорогой и тяжело управляемый. Его также можно использовать и для ЛА.
Оптимальным способом электризации пограничного слоя является самостоятельный разряд (искровой разряд для воздуха). Разряд должен проходить в поперечном направлении (относительно перемещения пограничного слоя (ПС)) и близко к обращенному статору (ОС). Во избежание короткого замыкания электрической схемы в начале разряда схема автоматом защиты должна отключаться от электродов разрядника. Самостоятельный разряд может иметь разрушительные последствия, что при реализации способа заставит перейти к несамостоятельному. При этом последним легче управлять. Таким образом, и для СПА разряд является способом электризации ПС.
Электропроводность воды (особенно соленой и теплой) значительно превышает электропроводность воздуха. Последнее позволяет в случае СПА значительно увеличить расстояние между электродами и уменьшить напряжение на них.
В случае ЛА уместно вспомнить закон Столетова: наибольший ток для газа наблюдается при одном и том же отношении напряженности поля (электрического) к давлению (12, с.211). При изменении высоты ЛА необходимо изменить и напряжение на электродах. В противном случае несамостоятельный (тихий) разряд может превратиться в самостоятельный (разрушительный).
В случае водной среды (СПА) с увеличением давления (глубины погружения) электропроводность уменьшается для глубин ниже скачка плотности (температуры). При маневрировании СПА в этом диапазоне глубин можно ориентироваться на закон Столетова. Однако выше скачка плотности закономерность обратная, так как здесь электропроводность в основном определяется увеличением температуры при погружении (антарктическая водная структура). В умеренных широтах температура с глубиной понижается, уменьшается электропроводность и можно более уверенно ориентироваться на закон Столетова. Иными словами, вертикальный разрез электропроводности (температуры) является критерием для определения величины напряжения на электродах разрядного устройства.
При быстром движении СПА на его корпусе возможна кавитация, образование областей с дефицитом давления, с избытком свободных ионов и с увеличением электропроводности (6, с.517). Первый участок, там, где расположено разрядное устройство, а также пространство обращенного статора может быть местом кавитации, усиливающейся последующим кольцом второго разрядного устройства и обращенного статора (двухступенчатая "раскрутка" пограничного слоя). В начальный период такая система работает в водной среде (этап разгона). Последующий этап работы происходит в водно-газовой среде. При торможении работа происходит в водной среде. С увеличением глубины (статического давления) кавитационная составляющая должна уменьшаться.
Система может быть многоступенчатой, т.е. состоять из значительного количества пар. Каждая пара включает разрядное устройство и статор. При этом статор может быть как кольцевым (обращенным), так и некольцевым и даже развернутым в линейку. Последнее определяется конструкцией объекта (носителя). Общей конструктивной особенностью таких объектов является существенное различие площади поперечных сечений. Это обуславливает и различие диаметров (радиусов) обращенных статоров из разных пар и еще большее различие их энергетических характеристик.
Электромагнитный движитель, состоящий из нескольких пар разрядных устройств и обращенных статоров, должен удовлетворять следующим требованиям.
1. Каждая пара должна иметь магнитный шунт - отражатель, нависающий над обращенным статором (ОС) и разрядным устройством (РУ).
2. Угол наклона отражательной поверхности шунта предыдущей пары должен учитывать угол расхождения корпуса носителя. При этом отраженный поток свободных зарядов и присоединенной массы не должен тормозиться последующей парой. Для усиления действия суммарной силы упора характеристики (конструктивные и энергетические) двух смежных пар должны быть согласованы.
3. Величина зазора между шунтом и РУ и ОС последующей пары должна быть больше зазора предыдущей пары.
4. Степень нависания шунта над РУ у последующей пары должна быть меньше нависания предыдущей пары. Указанное обуславливается увеличением скорости пограничного слоя.
5. Число пар полюсов ОС последующей пары должно быть больше числа пар полюсов ОС предыдущей пары. Последнее определяется увеличением диаметра ОС.
6. Частота напряжения электропитания ОС и РУ последующей пары должна быть больше частоты питания ОС и РУ предыдущей пары. Указанное обуславливается снижением скорости перемещения магнитного поля ОС из-за увеличения числа пар полюсов.
7. Скорость вращения (перемещения) магнитного поля ОС последующей пары должна быть больше скорости вращения магнитного поля ОС предыдущей пары.
8. Мощность источника электропитания последующей пары должна быть больше мощности источника питания предыдущей пары.
9. Мощность ОС и РУ последующей пары должна быть больше мощности ОС и РУ предыдущей пары.
10. Общая потребляемая мощность движителя равна сумме мощностей всех пар РУ и ОС плюс мощность вспомогательных систем.
11. С целью компенсации силовой асимметрии количество пар ОС и РУ должно быть четным.
12. Увеличение силы упора (тяги) осуществляется последовательным включением количества пар. Минимальный упор (тяга) обеспечивается включением одной (первой, наименее мощной) пары. Наибольший упор (тяга) обеспечивается включением (постепенным) всех пар ОС и РУ.
13. Промежуточное значение силы упора обеспечивается включением одной или нескольких пар.
14. Закономерности изменения конструкции и мощности РУ в случае синхронизации работы ОС и РУ аналогичны перечисленным.
15. Промежутки между парами при увеличении их мощности (порядкового номера) должны увеличиваться. Последнее должно обеспечить увеличение массы пограничного слоя.
15. Количество пар ОС и РУ определяется необходимой мощностью движителя, диапазоном изменения скоростей и дискретностью их.
Целью изобретения является создание простого, надежного движителя, обладающего высоким КПД и способного работать в воде, в воздухе и в безвоздушном пространстве. Цель достигается использованием электромагнитного принципа без применения вращающихся (перемещающихся) механических узлов и деталей.
Сущность изобретения заключается в следующем. С помощью специальной электрической машины, преобразованного (обращенного или развернутого) статора создается вращающееся (перемещающееся) магнитное поле, выходящее на его внешнюю поверхность. Перед статором размещается разрядное устройство, электроды которого имеют контакт с пограничным слоем среды. Электрические разряды, пронизывающие пограничный слой, насыщают его свободными зарядами. Над ОС или PC и РУ нависает магнитный шунт - отражатель. Свободные заряды, попадая в магнитное поле, выталкиваются силами Лоренца, отражаются от шунта и создают силу упора.
Работа ОС и РУ должна быть синхронной (выше КПД). Электрическое поле РУ должно синхронно с магнитным полем ОС перемещаться в пространстве. Конструкция РУ должна повторять конструкцию ОС, т.е. напротив зубцов ОС, охватывающих межполюсное расстояние, должны располагаться электроды разрядного промежутка. Система электродов, подключенных к одной фазе питания, должна размещаться в одной плоскости, поперек движения потока. В другой плоскости размещаются электроды другой фазы. Между плоскостями должен быть изоляционный промежуток, предотвращающий паразитный разряд.
Движение ЛА и СПА возможно с переменной скоростью и изменяемым горизонтом. Последнее обуславливает изменение нормальной составляющей общего давления на поверхность аппарата (см. ф.10) и пограничный слой. Изменяется сила трения между движущимися частями пограничного слоя (ПС). Для компенсации увеличения силы трения между частями присоединенной массы ПС (на эту массу не действует сила Лоренца, см. ф.13) необходимо увеличить скорость вращения магнитного поля. При уменьшении силы трения целесообразно уменьшить ее и тем самым сэкономить энергию. Возможность гибко изменять скорость вращения магнитного поля (МП) в зависимости от параметров перемещения аппарата является необходимым условием оптимальной работы. Рассмотренное обуславливает необходимость использования в качестве ОС и PC асинхронного двухфазного (двухобмоточного) управляемого статора, несмотря на его недостатки.
Перечислим необходимые действия для снижения лобового сопротивления ЛА. летящего на одной высоте при постоянной скорости.
1. Расположение перед участком поверхности ЛА, создающего наибольшее сопротивление ОС.
2. Расположение перед ОС разрядного устройства (РУ).
3. При помощи ОС создание магнитного поля, вращающегося вокруг оси симметрии (продольной оси) указанного участка.
4. Раскручивание магнитного поля до необходимой скорости.
5. Усиление магнитного поля до необходимой напряженности.
5. Расположение перед ОС разрядного устройства.
7. Ориентация РУ относительно оси вращения магнитного поля (совмещение их осей).
8. Установка между ОС и РУ необходимого зазора.
9. Ориентация РУ относительно ОС (совмещение зубцов и электродов).
10. Синхронизация работы ОС с работой РУ.
11. Установка необходимой мощности разряда (напряжения).
12. Установка необходимой длительности разряда (п.может отсутствовать).
13. При необходимости установка второго комплекта ОС и РУ, при этом магнитное и электрическое поле должно вращаться в обратную сторону (п.п.1-12 повторяются).
14. Установка третьего комплекта ОС и РУ, при этом магнитное и электрическое поле должны вращаться в направлении, совпадающем с полем первого комплекта (п.п.1-12 повторяются).
15. Установка четвертого комплекта ОС и РУ, при этом магнитное и электрическое поле должно вращаться в направлении, совпадающем с полем второго комплекта (п.п.1-12 повторяются).
Количество комплектов ОС и РУ определяется продольной протяженностью участка поверхности ЛА, создающего наибольшее сопротивление.
Рассмотрим более подробно действия, лежащие в основе работы РУ. С целью повышения КПД работа РУ и ОС должна быть синхронизирована, т.е. они должны запитываться от одного источника переменного напряжения. В основе необходимости синхронизации лежит принцип: нет магнитного поля, не нужны свободные электроны в ПС. При максимальном магнитном поле должно быть наибольшее количество свободных электронов в ПС. Между напряженностью магнитного поля и количеством электронов должна существовать прямо пропорциональная зависимость.
В соответствии с действием силы Лоренца заряды, попавшие и образованные в ПС, проходя магнитное поле будут вращаться по спирали и подниматься (отклоняться) от поверхности ЛА (СПА). При этом у электронов и положительно заряженных ионов вращение происходит в противоположных направлениях. По мере выхода из магнитного поля (отклонения от поверхности) радиус вращения зарядов увеличивается (магнитное поле слабеет). Ось спирали направлена в сторону вращения магнитного поля. Легкие электроны быстрее увлекаются полем и выходят на его периферию. Тяжелые ионы (протоны) отстают от электронов. Однако после разгона они дольше следуют за полем и их периферийное положение более удалено от оси вращения (центрифугирование зарядов).
Перечень действий, снижающих лобовое сопротивление СПА, идущего на одной глубине при постоянной скорости, аналогичен рассмотренному (способ первый). Роль присоединенной массы в рассмотренном движении зарядов возрастает, так как увеличиваются межмолекулярные силы притяжения.
Движение ЛА и СПА с увеличивающейся скоростью сопровождается увеличением количества зарядов, оказывающихся в промежутке между РУ и ОС. Последнее обуславливает некоторое торможение аппарата ПС. Уменьшить его можно путем увеличения скорости вращения магнитного поля. Здесь уместна грубая аналогия с работой бульдозера: его рабочий орган - щит должен располагаться под острым углом к линии движения. Увеличение окружной составляющей в магнитном поле позволит увеличить количество зарядов, размещенных перед фронтом вращающегося магнитного поля, и вовлечь их во вращательное движение.
Изменение скорости вращения магнитного поля асинхронного статора возможно путем изменения частоты питающего напряжения (см. ф.5). Однако такое изменение возможно в узком диапазоне частот (препятствуют распределенные параметры электромагнитной системы, снижающие мощность). Возможно изменять скорость вращения путем изменения числа пар полюсов (см. ф.5). Иметь несколько фиксированных скоростей или расширенный диапазон скоростей можно, применяя многообмоточную систему и изменяемую частоту питания. Такое исполнение заставляет применять сложный переключатель обмоток и сложный источник питания. При этом оптимальный режим работы ОС будет на одной скорости или в узком диапазоне изменение скоростей.
Использование двухобмоточного управляемого ОС сопровождается резким падением КПД (полезной мощности) и значительным увеличением степени эллиптичности магнитного поля. Однако здесь возможно плавное изменение скорости в большом диапазоне. При этом отработаны схемы включения ОС в системы автоматического регулирования. Учитывая изложенное, принцип двухобмоточного управления можно использовать в качестве второго независимого способа уменьшения лобового сопротивления.
Способ состоит из следующих действий. П.п.1-15 аналогичны первому способу.
16. При амплитудном режиме управления обмотку возбуждения ОС подключают к однофазной сети питания повышенного напряжения и частоты. Обмотку управления подключают к выходу регулятора уровня напряжения, на вход которого подается указанное напряжение сети, сдвинутое на 90 градусов (сдвиг по времени).
17. Регулировку уровня напряжения (скорости вращения магнитного поля) осуществляют, используя сигнал от датчика полного давления (см. ф.10 и 11). При этом чем выше сигнал датчика, тем больше напряжение на обмотке управления (выше скорость поля). В качестве регулятора возможно использование четырехполюсника с регулируемым внутренним сопротивлением.
18. При фазовом режиме управления обмотку возбуждения ОС подключают к однофазной сети повышенного напряжения и частоты. Обмотку управления подключают к выходу фазосдвигающего устройства, имеющего регулируемый сдвиг по фазе. На обмотку управления подают постоянное по амплитуде напряжение, приведенное значение которого равно напряжению возбуждения.
19. Регулировку фазового сдвига (скорости вращения магнитного поля) осуществляют, используя сигнал от датчика полного давления. При этом, имея сдвиг по фазе 90 градусов, получаем круговое поле и наибольшую скорость.
20. При амплитудно-фазовом режиме управления обмотку возбуждения через фазосдвигающую емкость подключают к однофазной сети с повышенным напряжением и частотой. Обмотку управления подключают к выходу регулятора уровня напряжения, запитываемого от указанной сети (2, с.128-130).
Примечание. Во всех режимах РУ запитывается аналогично ОС. Система электродов, обслуживающих пространство OB, лежит в одной плоскости и записывается аналогично ОВ. Система электродов, обслуживающих пространство ОУ, лежит в другой плоскости, параллельной первой, и запитывается аналогично ОУ. Плоскости расположены перпендикулярно оси движения аппарата. Сила разрядного тока ограничивается балластными сопротивлениями.
Сущность изобретения, соответствующая пунктам формулы, следующая.
1. Способ для создания изменяемой силы тяги или упора состоит из действий. С помощью многофазной электромагнитной системы, имеющей равные фазные напряжения, равный и постоянный сдвиг по фазе между ними, создают перемещающееся магнитное поле. При этом траектория перемещения может быть в виде замкнутой кривой, незамкнутой кривой, а также ограниченной прямой линии. Отличия от распространенного асинхронного способа следующие. Магнитное поле выводят на внешнюю поверхность статора. При этом меняют местами ярмо и зубцовую зону, обращая вершины зубцов наружу. Паз могут делать узким и глубоким а зубец узким и высоким. Могут доводить число пар полюсов до возможного максимума, сокращая межполюсное расстояние до минимума. При замкнутой траектории совмещают ось перемещения магнитного поля с продольной осью симметрии объекта-носителя. Совмещают вершины зубцов статора с внешней поверхностью объекта. Разгоняют магнитное поле до необходимой скорости в соответствии с величиной нормальной составляющей оптического давления среды на корпус. Создают необходимую магнитную напряженность в пограничном слое среды в указанном соответствии. Располагают перед статором разрядное устройство (РУ) так, чтобы вершины его электродов соприкасались с пограничным слоем, а электрический разряд происходил в поперечном движению направлении. Ориентируют РУ относительно статора так, чтобы между ними был необходимый зазор, а электроды располагались напротив зубцов, охватывающих межполюсное расстояние или его часть.
Подают на электроды РУ напряжение, величина и мощность которого определяется электропроводностью среды. При необходимости ограничивают силу тока через электроды и один его полупериод, синхронизируют работу РУ и статора. Производят электрический разряд в пограничном слое среды, насыщая слой свободными зарядами. Перемещающимся магнитным полем отодвигают заряды от поверхности статора и РУ, увлекая присоединенную массу слоя и получая первоначальную силу тяги.
После первой пары статора и РУ устанавливают вторую пару, соблюдая перечисленные условия. Увеличивают зазор между РУ и статором, их мощность и частоту питающего напряжения. Подключают вторую пару к источнику электропитания. Производят электрический разряд в пограничном слов. Насыщают слой свободными зарядами. Перемещающимся магнитным полем отодвигают заряды от поверхности статора и РУ, увлекая за собой присоединенную массу слоя и получая дополнительную силу тяги. Производят сложение сил тяги от первой и второй пары.
Подключение к электропитанию второй пары может производиться как одновременно с первой парой, так и после первой. При этом второе (последовательное) подключение является предпочтительным. Источник электропитания делают многофазным, высоковольтным, с повышенной частотой.
Раскручивают магнитные поля двух статоров в одном направлении, что позволяет иметь трение пограничного слоя среды о корпус объекта-носителя, подобное трению качения. Последнее меньше трения скольжения. При изменении направления магнитного поля во втором статоре степень турбулентности пограничного слоя резко возрастает, обуславливая повышение сопротивления трения.
При изменении нормальной составляющей статического давления среды на корпус объекта-носителя изменяют величину фазного напряжения обращенного статора каждой пары. Это изменение может быть непрерывным или дискретным, ручным или автоматическим. С увеличением нормальной составляющей статического давления можно уменьшать глубину отрицательной обратной связи в усилителях мощности, запитывающих фазные обмотки обращенных статоров.
При изменении электропроводности среды изменяют величину напряжения на электродах РУ. С увеличением электропроводности среды уменьшают напряжение на электродах. С уменьшением электропроводности увеличивают напряжение. Изменяют напряжение, воздействуя на коэффициент передачи соответствующего усилителя мощности, питающего РУ. Другие особенности аналогичны рассмотренным.
Измеряют нормальную составляющую статического давления среды и запоминают ее значение. В распоряжении оператора имеются две характеристики движителя, полученные в результате стендовых испытаний. Первая - это зависимость силы тяги от фазного напряжения статора. Вторая - это зависимость фазного напряжения от величины нормальной составляющей давления (тяга постоянна). Учитывая необходимое значение тяги и измеренное значение нормальной составляющей, по характеристикам находят необходимое значение фазного напряжения, обеспечиваемое при некотором значении коэффициента передачи усилителя мощности с изменяемой глубиной отрицательной обратной связью.
Измеряют электропроводность среды и запоминают ее значение. В распоряжении оператора имеются две характеристики движителя, полученные при стендовых испытаниях. Первая - это зависимость силы тяги от величины напряжения на электродах РУ. Вторая - это зависимость напряжения на электродах от электропроводности среды. Точнее имеется семейство зависимостей. Каждая зависимость соответствует постоянной силе тяги. Аналогичное семейство должно быть и при измерении зависимости фазного напряжения питания от нормальной составляющей. Учитывая необходимое значение тяги и измеренное значение электропроводности среды, по характеристикам находят необходимое значение напряжении на электродах РУ. Воздействуют на глубину отрицательной обратной связи усилителя мощности, изменяя его коэффициент передачи (один из возможных примеров).
В зависимости от формы корпуса объекта-носителя применяют кольцевую, дугообразную или развернутую в линейку форму обращенного статора. В соответствии с этим форма РУ должна повторять форму обращенного статора (ОС). При необходимости из перечисленных форм могут составляться сложные силовые системы пар ОС и РУ.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на объекте-носителе устанавливают несколько пар ОС и РУ, образуя последовательную силовую систему прохождения, разгона и отодвигания пограничного слоя среды от корпуса объекта. Общую силу тяги образуют путем суммирования сил тяги отдельных пар ОС и РУ. С увеличением порядкового номера пары, т.е. c увеличением ее отстояния от края корпуса объекта, увеличивают мощность пар, частоту их электропитания, а также зазоры, установочные и габаритные размеры. С целью плавного наращивания мощности системы предусматривают возможность последовательного во времени подключения пар к источнику электропитания, начиная с менее мощной пары. При этом предусматривают возможность подключения пар к источнику питания в любой последовательности в зависимости от эксплуатационных требований.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, начиная со второй пары ОС и РУ, увеличивают количество пар полюсов и электродов, увеличивают частоту питающего напряжения. При этом последнее осуществляют в большей степени, чем увеличение пар полюсов. В результате увеличивается скорость перемещения магнитного поля при увеличении порядкового номера пары. Увеличение пар полюсов и электродов обуславливается наличием угла увеличения полноты корпуса объекта-носителя, а также необходимостью иметь минимальным межполюсное расстояние. Увеличивают зазоры, установочные и габаритные размеры в каждой паре в соответствии с увеличением мощности пары и ее порядкового номера.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что над зубцовой зоной ОС и частично над РУ пары устанавливают с зазором магнитный шунт-отражатель необходимой величины и формы. При этом направляют поток свободных зарядов и присоединенной массы пограничного слоя среды на поверхность шунта, обращенную к зубцовой зоне ОС. Ориентируют эту (отражательную) поверхность так, чтобы указанный поток, ударяясь в поверхность, создавал силу упора и был направлен параллельно внешней поверхности РУ в зазор между ОС и шунтом следующей пары. Направляют отраженный поток последней пары под острым углом от поверхности объекта-носителя. Придают шунту-отражателю обтекаемую форму.
Учтем, что угол отражения равен углу падения указанного потока. Последний определяется интенсивностью и формой магнитного поля над зубцовой зоной статора. Эти параметры регулируют, изменяя величину зазора между статором и шунтом, а также изменяя ширину шунта и его ориентацию относительно статора. Указанное выполняется опытным путем.
Под прямой тягой будем понимать движение пограничного слоя среды от РУ к ОС, при котором над поверхностью ОС образуется область с дефицитом плотности (область пониженного давления). В эту область может входить среда не только от РУ, но и с противоположной стороны. Имеем пространство, в котором градиент давления меняет знак. Обозначим градиент давления, направленный от РУ к ОС, как ΔРпр, а градиент давления, направленный от среды к ОС, как ΔРоб.
Условием прямой тяги является наличие неравенства: ΔРпр>ΔРоб. Условием обратной тяги является наличие неравенства: ΔРпр<ΔРоб. Необходимым условием возникновения градиента давления является попадание свободных зарядов в магнитное поле. Это возможно в случае взаимного проникновения магнитного поля ОС и электрического поля РУ. Указанное достигается выдвижением магнитного шунта над РУ и выбором величины зазора между РУ и ОС. Возникновение прямой тяги возможно в случае достаточной скорости перемещения (вращения) магнитного поля. Свободные заряды, попавшие в магнитное поле, выталкиваются силой Лоренца. Направление последней зависит от вектора скорости вхождения заряда в магнитное поле (см. ф.13). Чем выше скорость магнитного поля, тем большее количество зарядов и присоединенной массы пограничного слоя увлекается (раскручивается) им. Под влиянием центробежной силы заряды и масса уходят на периферию, ударяются во внутреннюю поверхность шунта-отражателя, отражаются от нее и создают прямую тягу.
При симметричном расположении двух РУ относительно перемещающегося магнитного поля возможна большая загрузка поля свободными зарядами. Однако она не приведет к увеличению тяги или упора, так как произойдет взаимная компенсация движения (особенно присоединенной массы). Анализ указанного можно проводить, рассматривая только движение протонов, так как их масса примерно в 2000 раз превосходит массу электронов. Учитывая указанное, следует создавать существенную асимметрию в расположении РУ относительно ОС. Зазор между ОС предыдущей пары и РУ последующей пары должен значительно превышать зазор между РУ и ОС предыдущей пары.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в двух соседних парах РУ и ОС магнитные поля перемещают в противоположных направлениях. При синхронной работе РУ и ОС также перемещают и электрическое поле РУ. Указанное обусловлено необходимостью компенсации силовой асимметрии, особенно при использовании развернутой конструкции ОС и РУ.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в переднем фронте перемещающегося магнитного поля вектор напряженности направляют от поверхности ОС, заставляя свободные заряды вращаться по спирали от поверхности ОС и РУ к шунту-отражателю.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что переднему фронту перемещающегося магнитного поля придают форму, подобную подкове, обращенную вогнутостью по направлению движения поля. Указанное осуществляется за счет придания зубцам ОС подковообразной формы. При этом вогнутость зубцов придает пазам выпуклость в сторону, обратную направлению движения магнитного поля, а подковообразность зубцов может быть несимметричной.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что периферийную часть перемещающегося магнитного поля раздваивают придавая ей подковообразную форму вогнутостью к шунту-отражателю. Указанное осуществляется за счет расчленения шунта на два части, вытянутые в направлении перемещения поля. При этом ширина частей шунта может быть неравной, а изменением ширины промежутка между ними возможна регулировка сфокусированности потока свободных зарядов в плоскости шунта-отражателя. Основа отражателя может быть неферромагнитной.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что с целью изменения величины тяги или упора изменяют величину напряжения электропитания фазных обмоток ОС. При этом изменяют величину напряженности перемещающегося магнитного поли и тем самым изменяют величину силы Лоренца, действующей на свободные заряды. Изменение напряжения возможно за счет изменения коэффициента передачи усилителя мощности (глубины отрицательной обратной связи), запитывающего фазную обмотку ОС. При этом воздействие может быть ручным (от оператора), дискретным или плавным. Признаком (командой) для воздействия могут быть показания измерителя скорости движения объекта. Воздействие может быть автоматическим, от автопилота.
Другим источником сигнала воздействия на глубину отрицательной обратной связи в усилителе мощности являются показания измерителя нормальной составляющей статического давления среды на корпус объекта. Действия в этом случае аналогичны рассмотренным. Перечислим их, учитывая, что изменять тягу или скорость перемещения объекта лучше переключением пар ОС и РУ, так как при этом крутящий момент пары зависит от ее диаметра в пятой степени (аналогия с гребным винтом).
Измеряют величину нормальной составляющей статического давления среды на корпус и запоминают ее. Измеряют величину фазного напряжения и умножают его на масштабный коэффициент Км (Км<1, и его величина определяется из указанной зависимости фазного напряжения от нормальной составляющей давления при постоянной и номинальной силе тяги). Сравнивают полученные две величины друг с другом, получая разницу с учетом знака. В случае превышения разницы допустимой погрешности воздействуют, например, на глубину отрицательной обратной связи усилителя мощности, записывающего фазную обмотку ОС. Знак разницы определяет направление регулирования обратной связи. При небольших вертикальных размерах объекта-носителя можно ограничиться одним измерителем нормальной составляющей статического давления среды для организации корректировки всех фазных напряжений у всех ОС. Ручная корректировка может применяться в качестве запасной, так как наличие на объекте-носителе шести движителей (по числу степеней свободы) делает ее затруднительной.
Количество обратных связей для регулирования можно рассчитать по формуле N=6·n·m,
где: n - количество пар ОС и РУ в одном движителе, m - количество фаз в одном ОС.
При n=4 и m=3, N=72. Обслужить такое количество усилителей мощности вручную невозможно. Следовательно, регулировка отрицательной обратной связи в каждом усилителе мощности должна производиться автоматической системой.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что с целью поддержания тяги или упора на необходимом уровне при изменяющейся электропроводности среды изменяют величину напряжения электропитания систем электродов РУ, добиваясь неизменности амплитудного значения разрядного тока, проходящего через электроды. Здесь возможны следующие действия.
Измеряют электропроводность среды и запоминают ее значение. Измеряют величину напряжения, подаваемого на систему электродов РУ. Умножают ее на масштабный коэффициент, Км (Км<1 и его величина определяется из указанной зависимости напряжения на электродах от величины электропроводности среды при постоянной и номинальной силе тяги). Сравнивают указанные величины, получая разницу с учетом знака. В случае превышения разницы допустимой погрешности воздействуют, например, на глубину отрицательной обратной связи усилителя мощности, запитывающего систему электродов РУ. Знак разницы определяет направление регулирования обратной связи (уменьшение или увеличение глубины связи). В остальном - аналогия с п.9. Процесс регулирования может быть как астатическим, так и статическим. После получения разницы следуют вспомогательные действия: усиление, преобразование, масштабирование и приведение в действие исполнительного органа. Эти действия являются атрибутом автоматического регулирования и для краткости в п.п.9 не упоминаются.
11. Способ по п.1, отличающийся тем, что с целью изменения тяги или упора изменяют величину напряжения питания фазных обмоток статора, или величину напряжения питания систем электродов разрядного устройств, или то и другое. При этом измеряют их величины и величину тяги или скорости перемещения объекта, сравнивают их значения, выявляют несоответствие, воздействуют на передаточные коэффициенты по напряжению звеньев, создающих указанные напряжения, например, на глубину отрицательной обратной связи усилителей мощности фазных напряжений источника.
12. Устройство для создания изменяемой силы тяги или упора, включающее статоры асинхронных многофазных двигателей, отличающееся тем, что в каждом статоре отсутствует корпус, ярмо расположено внутри, а зубцовая зона - снаружи, зубцы могут быть узкие и высокие, пазы - узкие и глубокие, может быть минимальное межполюсное расстояние, вершины зубцов обращены наружу, обмотки уложены снаружи, внешняя поверхность статора покрыта защитным слоем, обладающим свойствами: немагнитным, герметичным, теплостойким и тонким. Число пар полюсов может быть доведено до возможного максимума. Статоры вмонтированы в корпус объекта-носителя так, что вершины зубцов соприкасаются с пограничным слоем среды движения объекта, ось вращения магнитного поля совмещена с продольной осью симметрии объекта. С увеличением отстояния статора от передней точки объекта увеличивается число пар полюсов, размеры (диаметр), мощность, частота напряжения электропитания. Каждая фазовая обмотка статора подключена к выходу своего усилителя мощности, вход которого подключен через переключатель скорости движения объекта к выходу фазосдвигающего устройства (ФСУ), обеспечивающего необходимый сдвиг напряжения во времени. При 3-х фазной системе статора сдвиг равен 120 град. Вход ФСУ подключен к выходу генератора, задающего частоту напряжения питания фазной обмотки статора. При этом имеется один генератор на все фазные обмотки статора. Количество ФСУ и УМ определяется количеством фаз.
В корпус объекта перед статором вмонтировано разрядное устройство, РУ, состоящее из кольцевых систем электродов, расположенных поперек набегающего потока среды и вершинами выходящих к нему. Между ОС и РУ, а также между системами электродов существуют необходимые зазоры, предотвращающие разряды нежелательного направления. Электроды, подключенные к одной фазе, расположены напротив зубцов статора, входящих в магнитную систему этой фазы. Указанные электроды могут быть выдвинуты в направлении движения магнитного поля с таким расчетом, чтобы свободные заряды успевали попадать под его передний фронт. Последовательно с электродами могут включаться сопротивления, ограничивающие силу разрядного тока, и диоды. Электроды, между которыми происходит разряд, подключены к одной фазе питания и нулевой линии и могут охватывать часть или все межполюсное расстояние.
Ось систем электродов в случае их кольцевой конструкции совмещена с осью ОС. По мере удаление системы электродов от ОС сила ее разрядного тока должна увеличиваться. Вместо систем электродов, работа которых синхронизирована с перемещением магнитного поля ОС, может применяться упрощенная однорядовая система без строгой синхронизации и с наличием одной фазы питания.
Каждая система электродов подключена к выходу усилителя мощности, УМ, имеющего регулируемый коэффициент передачи по напряжению. Вход УМ через переключатель скорости движения объекта подключен к выходу соответствующего ФСУ. Вход ФСУ подключен к выходу генератора, задающего частоту фазного напряжения. Один генератор обеспечивает питанием как ОС, так и РУ. Каждое ФСУ обеспечивает сдвиг по фазе напряжения для одной фазовой обмотки ОС и для одной системы электродов РУ. В соответствии с увеличением мощности ОС увеличивается и мощность РУ, и частота их общего генератора.
После первой пары ОС и РУ с зазором установлена вторая пара ОС и РУ. Их оси совмещены, увеличены зазоры, размеры мощности и частота питающего напряжения. Они имеют аналогичные устройства и связи. Указанное увеличение обусловлено увеличением размеров корпуса объекта при удалении от его передней точки. Электроды РУ могут иметь керамическое окружение, и их расположение в межполюсном расстоянии уточняется в процессе настройки.
13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что состоит из нескольких пар разрядных устройств и обращенных статоров, при этом с увеличением порядкового номера пары увеличиваются зазоры, установочные и габаритные размеры, мощность и частота напряжения электропитания, между усилителями мощности, запутывающими обращенные статоры и разрядные устройства, и фазосдвигающими устройствами включено переключающее устройство, позволяющее включать в работу пары последовательно или одновременно, все пары имеют одну ось вращения магнитного и электрического полей.
14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что, начиная со второй пары разрядного устройства и обращенного статора, при увеличении порядкового номера пары количество пар полюсов статора и пар электродов разрядного устройства увеличивается, увеличиваются их установочные и габаритные размеры, зазоры, мощность и частота напряжения электропитания, при этом последнее производится в большей степени, чем увеличение числа пар полюсов и электродов, степень увеличения определяется углом расхождения оконечной части объекта-носителя.
15. Устройство по п.12, отличающееся тем, что каждая пара может содержать магнитный шунт-отражатель, расположенный с зазором над вершинами зубцов статора и частично над вершинами электродов разрядного устройства, шунт-отражатель имеет обтекаемую форму относительно набегающего потока среды, охватывает внешнюю поверхность статора и разрядного устройства, величина зазора увеличивается, а степень выдвижения над разрядным устройством уменьшается при увеличении порядкового номера пары, поверхность шунта-отражателя, обращенная к статору и разрядному устройству, скошена так, чтобы отраженный от нее поток свободных зарядов и присоединенной массы создавал силу упора и был направлен параллельно внешней поверхности разрядного устройства в зазор между статором и шунтом-отражателем следующей пары, при этом отраженный поток от последней пары направляется под острым углом к поверхности объекта-носителя, статоры могут иметь уменьшенное количество пар полюсов и увеличенную ширину зубцов и пазов, а также диоды, включенные последовательно в цепи питания электродов для осуществления однополупериодного выпрямления, пропускания первой полуволны фазного напряжения.
16. Устройство по п.12, отличающееся тем, что в двух соседних парах фазные обмотки обращенных статоров подключены к источнику электропитания так, что их магнитные поля перемещаются в противоположных направлениях, при синхронизации работы статора и разрядного устройствам аналогично подключаются и системы электродов.
17. Устройство по п.12, отличающееся тем, что фазные обмотки обращенного статора, их катушки намотаны так, что в переднем фронте перемещающегося магнитного поля вектор напряженности направлен от поверхности статора к его периферии, заставляя перемещаться свободные заряды в том же направлении.
18. Устройство по п.12, отличающееся тем, что статор имеет зубцы, имеющие в поперечном сечении форму, подобную подкове, обращенную вогнутостью в сторону движения магнитного поля, при этом форма может иметь асимметрию относительно направления перемещения поля.
19. Устройство по п.12, отличающееся тем, что шунт-отражатель состоит из двух частей, вытянутых в направлении перемещения магнитного поля и разделенных немагнитным промежутком, при этом части магнитного шунта имеют общее основание.
20. Устройство по п.12, отличающееся тем, что каждый усилитель мощности, запитывающий фазную обмотку обращенного статора, имеет регулируемую отрицательную обратную связь, при этом орган регулирования расположен в усилителе мощности, а его цепь управления связана как с ручным регулятором-переключателем тяги, так и с исполнительным элементом автоматической системы стабилизации тяги при изменении нормальной составляющей статического давления среды на поверхность объекта, например с двигателем постоянного тока, подключенным к выходу усилителя ошибки, вход которого подключен к схеме сравнения, имеющей два входа, при этом один вход подключен к выходу измерителя нормальной составляющей статического давления среды, а другой - к выходу масштабирующего устройства, вход которого подключен к выходу выпрямителя, подключенного к выходу усилителя мощности фазного напряжения, измеритель нормальной составляющей статического давления среды состоит из датчика, размещенного в нише на поверхности объекта и включенного в плечо измерительного моста, на одну диагональ моста подается напряжение от генератора, с другой диагонали снимается сигнал на усилитель, мост имеет элементы балансировки, выход усилителя подключен к выпрямителю, с выхода которого снимается сигнал на указатель и на вход схемы сравнения.
21. Устройство по п.12, отличающееся тем, что каждый усилитель мощности, запитывающий систему электродов разрядного устройства, имеет регулируемую отрицательную обратную связь, при этом орган регулирования расположен в усилителе мощности, а его цепь управления связана как с ручным регулятором - переключателем тяги, так и с исполнительным элементом автоматической системы стабилизации тяги при изменении электропроводности среды, например с двигателем постоянного тока, выходной вал которого перемещает движок потенциометра, обмотка двигателя подключена к выходу усилителя ошибки, вход усилителя подключен к выходу схемы сравнения, на один вход схемы сравнения подается сигнал с выхода измерителя электропроводности среды, на другой вход схемы сравнения подается сигнал с выхода усилителя мощности питания системы электродов, измеритель электропроводности состоит из датчика, смонтированного в нише на корпусе объекта и включенного в плечо измерительного моста, на одну диагональ моста подается напряжение от генератора, с другой диагонали снимается сигнал на вход усилителя, мост имеет элементы балансировки, выход усилителя подключен к входу выпрямителя, с выхода которого снимается сигнал на указатель и на вход схемы сравнения, между выходом усилителя мощности и входом схемы сравнения последовательно включены выпрямитель и масштабирующее устройство.
22. Устройство по п.12, отличающееся тем, что каждый усилитель мощности, входящий в блок питания и предназначенный для создания разных напряжений обмоток статора и напряжений питания систем электродов разрядного устройства, имеет отрицательную обратную связь, глубина которой регулируется оператором с помощью переключателя, связанного с цепью управления исполнительного элемента, например реле, контакты которого шунтируют участки обратной связи, или двигателя постоянного тока, вал которого связан с движком потенциометра, при этом оператор использует показания штатных измерителей скорости движения объекта или тяги.
На фиг.1а упрощенно представлена схема РУ для кругового ОС, использующего амплитудный режим управления. ОС имеет 4 пары полюсов и 2 паза на полюс и фазу. ОС максимально упрощен, что способствует пониманию принципа работы РУ. Контакты имеют обозначения: 1, 2 и 0. Фазосдвигающее устройство, ФСУ, (3) состоит из конденсатора, включенного последовательно в цепь питания регулятора 24. Последним может быть усилитель мощности, на вход которого подается напряжение от ФСУ, а с выхода снимается напряжение для РУ. Передаточный коэффициент усилителя может изменяться путем изменения величины смещения на его входе или глубины обратной связи. Последнее осуществляется выходным сигналом от измерителя нормальной составляющей статического давления среды. 8-15 - диоды, 16-23 - сопротивления.
На фиг.1б упрощенно представлена схема РУ для PC, работающего в аналогичном режиме. Сравнивая схемы, можно заключить, что у PC РУ имеет меньшую площадь поверхности, охваченную разрядами. Имеет место неравномерность в обработке пограничного слоя разрядами и в загруженности электродов. При реализации режимов регулирования ОС, PC и РУ следует использовать тиристоры и схемы управления ими (7, с.155-158).
На фиг.2а представлена упрощенная конструкция кругового устройства для создания силы упора. При этом принято: угол расхождения носовой части объекта равен нулю и используется один комплект ОС, 1, РУ, 2, ШО, 3.
На фиг.2б представлена упрощенная конструкция развернутого в линейку устройства для создания силы упора. При этом принято, что используется один комплект РС, 4, РУ, 5 и ШО 6.
Ha фиг.3 представлена упрощенная функциональная схема движителя при ручном переключении тяги и ее стабилизации, где: 2 и 6 - ОС, 3 и 7 - РУ, 1, 4, 5, 8, 9-16 - УМ, 18 - переключатель глубины обратной связи в УМ ОС в зависимости от нормальной составляющей статического давления среды, 17, 19 - переключатель глубины обратной связи в УМ РУ в зависимости от электропроводности среды, 20; 21 - переключатель количества пар ОС и РУ в движителе, 22-27 - ФСУ, 28 - измеритель тяги, 29 и 30 - генераторы.
На фиг.4 представлена упрощенная схема размещения 6 движителей на объекте-носителе. В каждом движителе имеется 4 пары ОС и РУ. Одна пара условна обозначена окружностью. Корпус объекта условно изображен окружностью (для простоты). Практическое выполнение корпуса объекта должно быть в виде подобия эллипса (сечение), при этом его большая ось должна быть горизонтальной. Данная система движителей обеспечивает движение объекта в пространстве не только по трем взаимно перпендикулярным направлениям, но и по всем промежуточным в зависимости от степени участия.
Литература
1. Ермолин Н.П. Электрические машины малой мощности. - М.: Высшая школа, 1967.
2. Хрущев В.В. Электрические микромашины переменного тока для устройств автоматики. - Л.: Энергия, 1969.
3. Коварский Е.М., Янко Ю.И. Испытания электрических машин - М.: Энергоатомиздат, 1990.
4. Нейман Л.Р., Калантаров П.Л. Теоретические основы электротехники. - М.Л.: Госэнергоиздат, 1969.
5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Госиздат, Физико-математическая литература, 1963.
6. Карякин Н.И. и др. Краткий справочник по физике. - М.: Высшая школа, 1963.
7. Казьмерковский М., Вуйцак А. Схемы управления и измерения в промышленной электронике. - М.: Энергоатомиздат, 1983.
Изобретение относится к гидро- и аэродинамике объектов, находящихся и движущихся в пространстве, и может быть использовано в судостроении и ракетостроении. Способ и устройство для создания изменяемой силы тяги или упора основаны на использовании электромагнитного движителя, выполненного на основе электризации пограничного слоя среды движения и воздействия на него перемещающимся магнитным полем. Движение в пространстве обеспечивается определенным размещением движителей на транспортном средстве в соответствии с количеством степеней свободы. Технический результат заключается в способности создавать силу упора независимо от характера среды. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.
| Устройство для снижения сопротивления трения движущегося в воде объекта | 1972 |
|
SU457629A1 |
| СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ | 1994 |
|
RU2133891C1 |
| US 6079345 27.06.2000 | |||
| DE 1956760 19.05.1971. | |||
