ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ДВИЖИТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК H02K51/00 

Изобретение относится к электроэнергетическим и силовым установкам транспортных средств и может быть использовано на сухопутном, водном, воздушном, космическом и других видах транспорта.

Известны мобильные транспортные средства с электрической тягой (Васин В.М. Электрический привод. М., Высшая школа, 1984. - С.6-11), работающие на электроэнергии химических аккумуляторов, солнечных батарей, преобразующие электроэнергию с помощью электродвигателя во вращение колес, лопастей винтов, шнеков и др. Недостатки таких транспортных средств: малая мощность, потери энергии в электродвигателе на вращение его механических частей.

Известен электродинамический движитель (патент RU 2013229, B60L 11/00), содержащий источник переменного тока, индуктор с параллельными шинами, жестко скрепленный с ним якорь с шинами, перпендикулярными шинам индуктора и соединенными с источником переменного тока. Сущность его заключается в том, что электроэнергия источника переменного тока преобразуется непосредственно в движущее транспортный аппарат тяговое усилие, возникающее в якоре, при взаимодействии электрического тока якоря с магнитной составляющей поля токов смещения, создаваемого индуктором. Якорь, жестко закрепленный на транспортном аппарате, движет транспортное средство в направлении тягового усилия. Основной недостаток данного движителя - больше потери электроэнергии на волновом сопротивлении среды между шинами индуктора, поэтому кпд и тяговое усилие малы.

Наиболее близким по физической сущности является электродинамический движитель (патент RU 2270513, Н02К 51/00), содержащий электровакуумный прибор, наполненный рабочим веществом, с расположенными в нем парами электродов - электрической дуги, ортогонального электрического поля и поляризующихся электродов, и индуктор, состоящий из магнитопровода с зазором, в котором размещен якорь, и обмоток индуктора первичной, токовой и электрической дуги, причем токовая обмотка индуктора соединена с якорем, концы первичной обмотки индуктора соединены с поляризующимися электродами электровакуумного прибора и через конденсаторы - со средней точкой этой обмотки, которая соединена с катодом электрической дуги и заземлена, а отводы первичной обмотки индуктора подключены к электродам ортогонального электрического поля противофазно поляризующимся электродам, обмотка электрической дуги индуктора соединена с электродами электрической дуги через преобразователь напряжения, к входу которого подключается внешний источник переменного тока.

Недостатками этого движителя являются относительно малая мощность, порядка 1 кВА, так как невозможно создать напряженность ортогонального электрического поля в 3-5 раз больше напряженности поля электрической дуги, дуга переходит на электроды ортогонального электрического поля. Они разрушаются под действием высокой температуры в электрической дуге, и электродинамический движитель теряет работоспособность. Отсюда низкая надежность работы движителя и длительность регулирования режимами работы движителя. В прототипе регулирование режимами работы осуществляется путем изменения напряжения на электродах ортогонального электрического поля, снимаемого с симметричных отводов относительно заземленной средней точки первичной обмотки индуктора. Для их технической реализации необходимо делать парные проходные изоляторы в индукторе. Такое получение высоких напряжений (более 1000 В) и подача их на электроды ортогонального поля существенно снижают электрическую прочность индуктора и надежность движителя в целом. Выключатель в цепи токовой обмотки прерывает электрический ток якоря и соответственно тяговое усилие движителя. Чтобы изменить направление тягового усилия, необходимо изменить направление электрического тока в якоре. В прототипе это делается переменой соединения концов токовой обмотки к якорю, на что затрачивается определенное время.

Задачей предлагаемого электродинамического движителя является увеличение мощности, повышение надежности работы движителя и оперативности регулирования режимами работы и управлением транспортным средством.

Задача решается тем, что электродинамический движитель, содержащий электровакуумный прибор, наполненный рабочим веществом, с расположенными в приборе парами электродов - электрической дуги, парой управляющих электродов ортогонального электрического поля и парой поляризующихся электродов, и индуктор, состоящий из магнитопровода с зазором, в котором размещен якорь, и обмоток индуктора первичной, токовой и электрической дуги, причем токовая обмотка индуктора подключена к якорю, концы первичной обмотки индуктора соединены с поляризующимися электродами электровакуумного прибора и через конденсаторы - со средней точкой этой обмотки, которая соединена с катодом электрической дуги, и заземлена, обмотка электрической дуги индуктора соединена с электродами электрической дуги через преобразователь напряжения, к входу которого подключается внешний источник переменного тока, дополнительно в движитель введены пара рабочих электродов ортогонального электрического поля, установленных перед поляризующимися электродами электровакуумного прибора, две цепи последовательно соединенных резонансных конденсаторов, включенных между концами первичной обмотки индуктора и ее средней точкой, и трехпозиционный переключатель, соединяющий якорь с токовой обмоткой индуктора, а управляющие электроды и рабочие электроды ортогонального электрического поля соединены с цепями резонансных конденсаторов противофазно поляризующимся электродам.

На фигуре приведена схема реализации тягового усилия электродинамического движителя.

Электродинамический движитель состоит из электровакуумного прибора 1, наполненного рабочим веществом, внутри прибора расположена пара электродов электрической дуги анод 2 и катод 3, пара управляющих электродов ортогонального электрического поля 4 с отверстием 5, пара рабочих электродов ортогонального электрического поля 6 с отверстием 7 и пара поляризующихся электродов 8, соединенных с катодом 3 через последовательные цепи резонансных конденсаторов 9, индуктора 10, состоящего из обмоток первичной 11, токовой 12 и электрической дуги 13, и магнитопровода 14, в зазоре которого расположен якорь 15, соединенный через трехпозиционный переключатель 16 с токовой обмоткой 12, концы первичной обмотки 17 соединены с поляризующимися электродами 8 и через последовательные цепи резонансных конденсаторов 9 соединены со средней точкой этой обмотки 18, которая соединена с катодом 3 и заземлена 19, обмотка электрической дуги 13 соединена с анодом 2 и катодом 3 электрической дуги через управляемый преобразователь напряжения 20, к входу которого подключается через выключатель 21 внешний источник переменного тока 22, а управляющие электроды 4 и рабочие электроды 6 ортогонального электрического поля соединены с последовательными цепями резонансных конденсаторов 9 противофазно поляризующимся электродам 8.

Работает данная схема следующим образом. Выключателем 21 подключают к схеме источник 22 переменного тока рабочей частоты, например электрическую сеть частотой 50 Гц. Это напряжение через регулируемый преобразователь напряжения 20 подается на электроды 2 и 3, между которыми зажигается электрическая дуга, ионизирующая рабочее вещество (например, инертный газ). Переменное напряжение также подается на управляющие электроды 4 и рабочие электроды 6 ортогонального электрического поля с цепей последовательно включенных резонансных конденсаторов 9, создающих с симметричными плечами первичной обмотки 11 индуктора 10 резонанс токов на рабочей частоте. Когда на одном из управляющих электродов 4 и рабочих электродов 6 отрицательная полуволна напряжения, в это время на другом парном электроде положительная полуволна напряжения. Действием положительной полуволны напряжения электроны выводят из электрической дуги (пространство между анодом 2 и катодом 3) электроны получают потенциал управляющего ортогонального электрического поля, проходят сквозь отверстие 5 в электроде 4 (происходит формирование электронного луча методом «электронной пушки») и попадают в рабочее ортогональное электрическое поле, создаваемое напряжением на рабочих электродах 6 с отверстием 7 (происходит увеличение напряженности и потенциала электронного луча методом «электронной пушки»). Напряженность рабочего электрического поля устанавливают в 5-10 раз превышающей напряженность управляющего электрического поля для получения требуемой мощности электродинамического движителя. Получая потенциал рабочего электрического поля, пучок электронной плазмы проходит сквозь отверстие 7 в рабочем электроде 6 и устремляется на соответствующий поляризующийся электрод 8, заряжая (поляризуя) его отрицательно. Между электродом 8 и узлом схемы с нулевым потенциалом (заземленный катод 19 электрической дуги и средняя точка 18 первичной обмотки индуктора) образуется разность потенциалов, под действием которой в соответствующей части первичной обмотки 11 идет электрический ток, создающий магнитный поток в магнитопроводе 14 индуктора 10. Этот электрический ток ре комбинирует (восстанавливает) катионы рабочего вещества, приходящие на катод 3 электрической дуги, в атомы и молекулы рабочего вещества, вновь подвергающегося ионизации электрической дугой.

При смене полярности полуволны напряжения на электродах 4 и 6 электрический ток идет по другой половине первичной обмотки 11 индуктора 10, создавая магнитный поток в магнитопроводе 14 индуктора противоположного направления. В магнитопроводе 14 создается переменный магнитный поток.

Переменный магнитный поток в магнитопроводе 14 индуктора за счет электромагнитной индукции создает в обмотке 13 переменное напряжение, преобразуемое регулируемым преобразователем напряжения 20, поддерживающее электрическую дугу между электродами 2 и 3, а внешний источник 22 автоматически отключается выключателем 21.

Переменный магнитный поток в магнитопроводе 14 также создает ЭДС в токовой обмотке 12, под действием которой в якоре 15 идет электрический ток через трехпозиционный переключатель 16. Взаимодействие магнитного поля в зазоре магнитопровода 14 индуктора с электрическим током якоря 15 создает тяговое усилие (F_T). При установке переключателя 16 в положение «В» (Вперед) якорь 15 выталкивается из зазора магнитопровода, транспортное средство движется вперед. При установке переключателя 16 в положение «P» (Реверс) в якоре 15 идет электрический ток противоположного направления, вектор тягового усилия также меняет направление на противоположное, и транспортное средство будет двигаться в направлении результирующего тягового усилия. При установке переключателя 16 в положение «Н» (Нейтраль) электрического тока в якоре 15 не будет, электродинамический движитель не создает тягового усилия.

Установка в электровакуумный прибор рабочих электродов ортогонального электрического поля дает возможность устанавливать напряженность ортогонального поля, в десятки раз превышающую напряженность поля электрической дуги, создавая соответствующий потенциал на поляризующихся электродах, и получать большую мощность электродинамического движителя. При этом электрическая дуга не будет разрушать рабочие электроды ортогонального электрического поля, так как управляющие электроды ортогонального электрического поля, установленные между электродами дуги и рабочими электродами ортогонального поля, существенно ослабляют влияние поля дуги и ортогонального рабочего поля друг на друга. Управляющие электроды создают напряженность ортогонального поля, близкую напряженности поля дуги, необходимую для создания требуемой силы электронного тока. Электрическая дуга не может переходить на управляющие электроды ортогонального поля, так как расстояние между электродами дуги и управляющими электродами ортогонального поля в 5-7 раз больше, чем расстояние между электродами электрической дуги.

Получение и подача необходимых напряжений на управляющие и рабочие электроды ортогонального поля с резонансных конденсаторов, включенных параллельно плечам первичной обмотки индуктора, проще конструктивно и дешевле в технической реализации, чем подача высоких напряжений (более 1000 В) на электроды ортогонального электрического поля с отводов первичной обмотки индуктора через проходные изоляторы индуктора. Уменьшение количества высоковольтных выводов в индукторе существенно повышает его электрическую прочность, надежность и работоспособность движителя в целом.

Замена выключателя в прототипе, прерывающего электрический ток в цепи якоря, на трехпозиционный переключатель в предлагаемом движителе, дает возможность более оперативно управлять электродинамическим движителем и транспортным средством в целом.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электроэнергетическим и силовым установкам, и может быть использовано в качестве привода для всех видов транспорта - сухопутного, водного, воздушном, космического и других видов. Предлагаемый электродинамический движитель содержит электровакуумный прибор (1), наполненный рабочим веществом, внутри которого расположены электроды электрической дуги (2, 3), управляющие (4), рабочие (6) и поляризующиеся (8) электроды. Индуктор состоит из обмоток - первичной (11), токовой (12) и электрической дуги (13) и магнитопровода (14), в зазоре которого расположен якорь (15), соединенный через трехпозиционный переключатель (16) с токовой обмоткой (12). Концы первичной обмотки (17) соединены с поляризующимися электродами (8) и через последовательные цепи резонансных конденсаторов (9) и со средней точкой (18), которая соединена с катодом (3) и заземлена. Обмотка электрической дуги (13) соединена с электродами электрической дуги (2, 3) через преобразователь напряжения (20), к входу которого подключен источник переменного тока (22). Управляющие (4) и рабочие (6) электроды соединены с последовательными цепями резонансных конденсаторов (9) противофазно поляризующимся (8) электродом. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в увеличении мощности, повышении надежности работы электродинамического движителя, а также в повышении оперативности регулирования режимов работы и управления транспортом. 1 ил.

Электродинамический движитель, содержащий электровакуумный прибор, наполненный рабочим веществом, с расположенными в нем парой электродов электрической дуги, парой управляющих электродов ортогонального электрического поля и парой поляризующихся электродов, а также индуктор, состоящий из обмоток первичной, токовой и электрической дуги, выполненных на магнитопроводе с зазором, в котором размещен якорь, подключенный к токовой обмотке индуктора, концы первичной обмотки соединены с поляризующимися электродами электровакуумного прибора и через конденсаторы - со средней точкой этой обмотки, которая соединена с катодом электрической дуги и заземлена, обмотка электрической дуги индуктора соединена с электродами электрической дуги через преобразователь напряжения, вход которого через выключатель соединен с внешним источником переменного тока, отличающийся тем, что в движитель дополнительно введены пара рабочих электродов ортогонального электрического поля, установленных в электровакуумном приборе перед поляризующимися электродами, две цепи последовательно соединенных резонансных конденсаторов, включенных между концами первичной обмотки индуктора и ее средней точкой, и трехпозиционный переключатель, соединяющий якорь с токовой обмоткой индуктора, а управляющие электроды и рабочие электроды ортогонального электрического поля соединены с цепями резонансных конденсаторов противофазно поляризующимся электродам.