СПОСОБ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЯГИ Российский патент 2016 года по МПК H02K51/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроэнергетическим и электродинамическим установкам, и может быть использовано для придания движения аэрокосмическим аппаратам, а также наземным, водным и подводным транспортным средствам.

Наиболее близким по физической сущности является способ, реализованный в «Электродинамическом движителе» (патент RU 2453972, H02K 51/00), сущность которого заключается в том, что электрической дугой в ортогональном полю дуги анодном поле электронной пушки ионизируют рабочее вещество, образуя из него электронные пучки, которые по двухполупериодной схеме преобразуют в переменный ток в обмотках индуктора, создающий вектор индукции в ферромагнитном магнитопроводе и вектор тока в якоре, расположенном в зазоре магнитопровода индуктора и жестко соединенном с корпусом транспортного средства.

Взаимодействие вектора индукции с вектором тока создает тяговое усилие [электродинамический вектор импульса силы F·t=mΔυ (Л.А. Сена. Единицы физических величин и их размерности, - М., Наука, 1977. с.119)], движущее транспортное средство в направлении этого вектора, вызывая каждым импульсом F·t соответствующее изменение скорости Δυ=F·t/m, где m - масса транспортного средства.

Недостатком прототипа является то, что в тяговое усилие преобразуется только часть (порядка 1/3) энергии электронных пучков в виде тока электропроводимости (в тяговое усилие можно преобразовать конвекционные токи и токи смещения электронных пучков).

Согласно теории электромагнитного поля (К. Шимони. Теоретическая электротехника. - М.: Мир, 1964, с. 42…50) электромагнитные процессы электронного пучка можно описать с помощью уравнений Максвелла - Лоренца:

где Н - вектор напряженности магнитного поля;

J_ПР=Eγ - вектор плотности тока проводимости,

Е - вектор напряженности электрического поля,

γ - удельная электропроводимость электрической цепи;

J_K=ρυ - вектор плотности конвекционного тока,

ρ - объемная плотность зарядов в электронном пучке,

υ - вектор скорости зарядов в электронном пучке;

$$J_{CM}=\epsilon \partial E/\partial t={\omega }_{\rho }\epsilon E$$ - вектор плотности токов смещения,

µ - магнитная и ε - диэлектрическая проницаемость среды электронного пучка, ω_ρ - рабочая циклическая частота.

Кроме того, воздушный зазор в магнитопроводе индуктора создает большие потери энергии электромагнитного поля, что снижает значение создаваемого тягового усилия и КПД.

Задачей изобретения является повышение КПД и увеличение тягового усилия за счет использования конвекционных токов и токов смещения электронных пучков, а также за счет устранения зазора в магнитопроводе индуктора.

Поставленная задача решается тем, что электрической дугой в ортогональном полю дуги анодном поле электронной пушки ионизируют рабочее вещество, образуя из него электронные пучки, которые по двухполупериодной схеме преобразуют в переменный ток проводимости, направляемый в обмотку индуктора, в ферромагнитном магнитопроводе которого возбуждается переменное магнитное поле с соответствующим вектором индукции, создающим вектор тока, взаимодействие которых создает электродинамический вектор импульса силы, движущий транспортное средство, согласно изобретению дополнительно превращают в переменный ток с помощью индукционного преобразования -конвекционные токи и емкостного преобразования - токи смещения, выделяемые из электронных пучков и обеспечивают взаимодействие вектора магнитной индукции замкнутого магнитопровода с ортогональным ему вектором тока, протекающего между электродами, охватывающими внешнюю и внутреннюю поверхности замкнутого магнитопровода.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, с помощью которого может быть реализован заявляемый способ создания электродинамической тяги.

Данное устройство содержит: электродуговой плазмотрон 1, заполненный рабочим веществом (разряженным газом) с анодом A_ЭД и катодом К_ЭД электрической дуги; электронные пушки 2 с аксиальными выходными анодами А_В, на которые подают противофазные напряжения U_a циклической рабочей частоты ω_p; индукционные преобразователи 4, выполненные на ферромагнитном тороидальном магнитопроводе, охватывающем электронный пучок 3; рабочие электроды 5 с рабочей полостью (РП) 6, выполненные из материала проводника первого рода, поэтому на поверхности рабочей полости 6 образуется двойной электрический слой; металлические обкладки 7, изолированные диэлектриком 8 от рабочих электродов 5, образующие конденсаторы C_5-7, соединенные последовательно с электрической емкостью двойного электрического слоя рабочих полостей 6; электроды торможения 9; индуктивные обмотки L₁, L₂, L₃, L_a первичной цепи силового трансформатора - преобразователя (СТП), выполненного на электропроводящем ферромагнитном замкнутом (без зазора) магнитопроводе (МП) 11, жестко соединенном с корпусом «К» транспортного средства, причем СТП выполнен симметричным относительно средней точки 10, соединенной с катодом К_ЭД плазмотрона 1 и корпусом устройства; конденсаторы С_р1, С_р2, создающие резонанс с соответствующими обмотками индуктивностей L₁, L₂; вторичную цепь 12 и токовую обмотку 16 силового трансформатора - преобразователя СТП; сеть 13 потребителей электроэнергии (бортовую сеть мобильного аппарата) с циклической рабочей частотой ω_р, имеющую регулируемый преобразователь напряжения (РПН) электрической дуги (ЭД); металлические электроды - обкладки 14 и 15, расположенные на внутренней и наружной сторонах замкнутого МП 11; и фазоинвертор тока 17, имеющий режимы работы: «вперед», «реверс», «нейтраль».

Работает данное устройство следующим образом. С помощью электрической дуги ионизируют рабочее вещество (разряженный газ) между анодом A_ЭД и катодом К_ЭД плазмотрона 1 в ортогонально направленном полю дуги анодном поле A_В электронной пушки 2.

Каждый ионизированный атом рабочего вещества дает два противоположно заряженных иона, электрон с зарядом «-е» и катион с зарядом «+е», которые движутся в противоположные стороны, катион - к катоду К_ЭД, электрон - к аноду А_ЭД. Под действием поля аксиального выходного анода А_В электронной пушки 2, создающего напряженность поля в 10-15 раз большую, чем напряженность поля электрической дуги, электроны выходят из области дуги между А_ЭД и К_ЭД и устремляются к выходному аноду А_В, проходя через аксиальное отверстие выходного анода, получая потенциал U_a анода А_B и соответствующую скорость:

$${\vartheta }_{eП}={\left({2e{U}_a/m}_e\right)}^{1/2}$$ ,

где m_e - масса электрона.

Электроны объединяются в электронный пучок 3, модулированный рабочей частотой ω_p. В это время катионы ионизированного рабочего вещества, обладающие массой на 4-5 порядков больше, чем электроны, практически не изменяя своей траектории движения, приходят на катод К_ЭД, заряжая его положительно.

При прохождении электронного пучка 3 через индукционный преобразователь 4 конвекционный ток электронного пучка преобразуется в индукцию в магнитопроводе 11 и электрическую мощность, которые можно определить из зависимостей: $$S_{И}=I_K^2{\omega }_p{L}_{И};B_{МП1}={\mu }_{МП}{I}_{К}{W}_1\cdot \exp \left(j{\omega }_{р}t\right)/l_1$$ .

где L_И - эквивалентная индуктивность преобразователя 4, соединенного с индуктивной обмоткой L₁ через конденсатор C_р1;

I_K - конвекционный ток, который равен $$I_K=J_K\pi r_{П}^2$$ ;

J_K - плотность конвекционного тока;

r_П - радиус электронного пучка;

µ_МП - магнитная проницаемость МП 11;

W₁ и l₁, - число витков и длина магнитного контура индуктивной обмотки L₁;

К_И - коэффициент преобразования конвекционного тока I_K в индукционном преобразователе 4.

Эта мощность через обмотку L₁, настроенную с конденсатором С_p1 в резонанс на рабочую частоту ω_р, преобразуется в индукцию В_МП1 и передается силовым трансформатором - преобразователем, выполненным на МП 11, в токовую обмотку 16, во вторичную обмотку 12 и в бортовую сеть 13.

Чем больше отбирается мощности из электронного пучка, тем сильнее тормозятся электроны, снижая свою скорость, пучок расширяется, уменьшается плотность заряда в пучке и его энергия. Для увеличения плотности заряда в пучке 3 его сжимают в рабочей полости 6 за счет сходящейся конусности по ходу пучка и электрического поля двойного электрического слоя на поверхности РП 6. Отношение диаметра входного отверстия рабочей полости 6 к выходному диаметру характеризует коэффициент сжатия пучка (d_вх/d_вых=К_сж), который определяет во сколько раз увеличивается плотность заряда в пучке и сила конвекционного тока. Энергия и мощность, соответственно, растут пропорционально квадрату коэффициента сжатия ( $${К}_{сж}^2$$ ), так как они пропорциональны квадратам плотности заряда, конвекционного тока, плотности конвекционного тока $$\left({\rho }^2,I_{К}^2,J_{К}^2,\right)$$ .

Затем полем двойного электрического слоя в цилиндрической части РП 6 удерживают электронный пучок 3 в сжатом состоянии, сохраняя его потенциальную энергию и мощность, при торможении пучка 3 тормозящим полем электрода торможения 9. На электроды торможения 9 подают напряжение с части обмотки L₂, на анод A_В - со всей обмотки L_a, поэтому напряжение на электроде 9 меньше, чем U_a, так как U_a=U_La, a U_La и U_L2 в первом приближении одинаковы. В электрод торможения 9 входят передние электроны пучка, образуя ток проводимости электромагнитной цепи индуктивной обмотки L₂, вдавливаемые задними электронами пучка 3, имеющими большую скорость, создаваемую выходным анодом А_В электронной пушки 2.

За счет торможения электронного пучка 3 у него отбирается кинетическая энергия $$W_k=m_e{\left({\vartheta }_{еП}-{\vartheta }_{еТ}\right)}^2/2$$ , которая превращается в напряжение на электроде торможения 9 $$U_T=m_e{\left({\vartheta }_{еП}-{\vartheta }_{еТ}\right)}^2{e}^{j{\omega }_{p}t}/2e$$

и в соответствующую мощность $$S_{L2}=U_T{I}_{ПР}=U_{Т}^2{Y}_{ПР}$$ , отбираемую из электронного пучка в виде тока проводимости в первичной электрической цепи индуктивной обмотки L₂, создающего в МП 11 индукцию $${\text{B}}_{\text{МП2}}={\text{μ}}_{\text{МП}}{\text{I}}_{\text{ПР}}{\text{W}}_{\text{2}}\cdot \text{exp}\left({\text{jω}}_{\text{ρ}}\text{t}\right){\text{/l}}_{\text{2}}$$ , и мощность S_l2, трансформируемую в обмотку 16 и сеть потребителей электроэнергии 13.

Здесь: $${\vartheta }_{еТ}$$ - скорость электронов, входящих в электрод торможения 9, создающих силу тока проводимости $$I_{ПР}=U_{Т}{Y}_{ПР}$$ , в электрической цепи, обладающей электропроводимостью $$Y_{ПР}={\left(g^2+{\left(b_L-b_C\right)}^2\right)}^{1/2}$$ ,

где g - активная электропроводимость цепи обмотки индуктивности L₂;

W₂ и l₂ - число витков и длина магнитного контура обмотки индуктивности L₂;

b_L=1/ω_pL₂ - индуктивная проводимость;

b_C=ω_pC_p2 - емкостная проводимость электрической цепи индуктивной обмотки L₂ совместно с конденсатором С_P2, настроенных в резонанс на рабочей частоте ω_р.

Регулированием напряжения на обмотке индуктивности L₂ можно устанавливать степень торможения электронного пучка 3 и количество отбираемой из него энергии (мощности), создаваемой индукции В_МП2 и передаваемой электроэнергии в бортовую сеть 13.

Рабочие электроды 5 и металлические обкладки 7, изолированные между собой диэлектриком 8, являются конденсаторами C_5-7, получающими заряд сжимаемых пучков 3 через емкость «двойного электрического слоя», т.к. C_5-7 соединен последовательно с электрической емкостью «двойного электрического слоя» на поверхности рабочей полости 6. При последовательном соединении электрических емкостей их заряды одинаковы. Поэтому напряжение U_5-7 на конденсаторе C_5-7 будет в C_ДЭС/C_5-6 раз больше напряжения «двойного электрического слоя» в рабочей полости 6, что составляет 3-4 порядка.

U_5-7=q_ДЭС/C_5-7=U_ДЭС·C_ДЭС/C_5-7.

Это напряжение подают на обмотку индуктивности L₃ силового трансформатора-преобразователя, выполненного на МП 11, работающую совместно с конденсатором C_5-7 в режиме резонанса напряжений, ω_pL₃=(ω_рC_5-7)^-1.

Мощность, передаваемая через этот конденсатор в электрическую цепь L₃ силового трансформатора-преобразователя, преобразуется в индукцию В_МП3 в МП 11 и трансформируется в бортовую сеть 13.

$$S_{L3}=U_{5-7}^2\cdot {\omega }_P\cdot C_{5-7}=U_{5-7}^2/{\omega }_P{L}_3$$ ; $$B_{МП3}={\mu }_{МП}{I}_{СМ}{W}_3\cdot \exp \left(j{\omega }_{\rho }t\right)/l_3$$ ;

$$I_{СМ}=U_{5-7}{\omega }_p{C}_{5-7}$$ - сила тока смещения;

W₃ и l₃ - число витков и длина магнитного контура индуктивности L₃.

При смене полярности полуволны напряжения U_a, на выходном аноде А_B электронной пушки 2, под действием положительной полуволны напряжения, образуется электронный пучок, из которого получают электрическую мощность и создают индукцию В_МП1+В_МП2+B_МП3=В_МП123 и электродинамическую тягу в другом плече симметричной электрической цепи СТП, выполненного на МП 11.

Происходит двухполупериодное преобразование конвекционного тока, тока смещения, тока проводимости в индукцию, электродинамическую тягу и электрическую мощность рабочей частоты бортовой сети 13.

Совершив работу в электрической цепи СТП, электроны приходят на катод электрической дуги К_ЭД, где рекомбинируют катионы в атомы и молекулы рабочей среды, вновь подвергаемой ионизации электрической дугой, для очередного цикла создания индукции B_МП123, электродинамической тяги, получения электроэнергии и ее трансформации в бортовую сеть 13.

Вектор индукции В_МП123 в токовой обмотке 16 наводит ЭДС индукции, под действием которой между электродами-обкладками 14 и 15 идет электрический ток I_14-15 в МП 11, ортогональный вектору индукции В_МП123.

Взаимодействие ортогональных векторов В_МП123 и тока I_14-15 в МП 11 создает электродинамический вектор импульса силы $$F\cdot t=\left[B_{МП123}\times I_{14-15}\right]=B_{МП123}^{2}Vh{\omega }_{р}\gamma \exp \left(j2{\omega }_{р}t\right)=m_{Т}{\upsilon }_{Т}$$ , движущий транспортное средство с соответствующим приращением скорости Δυ_T=F·t/m_T,

где V- объем магнитопровода 11, V=s l,

s - площадь сечения МП 11,

l - длина МП;

h - расстояние между электродами-обкладками 14 и 15;

γ - удельная электропроводимость МП 11;

m_T - масса транспортного средства [см. Л.А. Сена: Единицы физических величин и их размерности. - М.: Наука. 1977, с.119].

При установке фазоинвертора тока 17 в режим работы «вперед» создается импульс силы F_t, движущей объект вперед головной частью. При установке в фазоинверторе 17 режима «реверс» вектор тока I_14-15 в МП 11 изменяет направление на противоположное I_15-14 и соответственно изменяет направление на противоположное электродинамический вектор импульса силы F_t, а двигающееся вперед транспортное средство будет снижать скорость до нуля и начнет перемещаться назад. При режиме фазоинвертера 17 «нейтраль» вектор тока в МП 11 между электродами-обкладками 14, 15 и, соответственно, вектор F_t будут равны нулю. Вся электроэнергия, получаемая из электронного пучка 3, трансформируется в бортовую сеть 13 и может использоваться для электропитания других систем мобильного аппарата.

Таким образом, по предлагаемому способу создания электродинамической тяги осуществляют двухполупериодное преобразование энергии электронного пучка 3 в индукцию в МП 11, в импульс силы (количество движения) и электрическую мощность конвекционных токов, токов смещения, токов проводимости, трансформируемую на рабочей частоте ω_р в бортовую сеть 13.

Применение индукционного и емкостного преобразования совместно с преобразованием энергии электронного пучка 3 в токи проводимости существенно повышает коэффициент использования энергии (мощности) электронного пучка 3, увеличивая количество создаваемой мощности получаемой электроэнергии. Кроме того, замкнутый магнитопровод устраняет потери, присущие прототипу, поэтому возрастает КПД предлагаемого способа, увеличивается тяговое усилие.

Изобретение относится к электротехнике, к электроэнергетическим и электродинамическим установкам, и может быть использовано для придания движения аэрокосмическим аппаратам, а также наземным, водным и подводным транспортным средствам. Технический результат состоит в повышении к.п.д. и увеличении тягового усилия. Способ состоит в том, что электрической дугой в ортогональном полю дуги анодном поле электронной пушки ионизируют рабочее вещество, образуя из него электронные пучки, энергию которых по двухполупериодной схеме преобразуют в переменный ток, используя токи проводимости, конвекционные токи и токи смещения. Затем переменный ток направляют в обмотку индуктора ферромагнитного замкнутого магнитопровода и обеспечивают взаимодействие вектора магнитной индукции с ортогональным ему вектором тока, протекающего между электродами, охватывающими внешнюю и внутреннюю поверхности магнитопровода, в результате чего создается электродинамический вектор импульса силы, движущий транспортное средство. 1 ил.

Способ создания электродинамической тяги, заключающийся в том, что электрической дугой в ортогональном полю дуги анодном поле электронной пушки ионизируют рабочее вещество, образуя из него электронные пучки, которые по двухполупериодной схеме преобразуют в переменный ток проводимости, направляемый в обмотку индуктора, в ферромагнитном магнитопроводе которого возбуждается переменное магнитное поле с соответствующим вектором индукции, создающим вектор тока, взаимодействие которых создает электродинамический вектор импульса силы, движущий транспортное средство, отличающийся тем, что дополнительно превращают в переменный ток с помощью магнитоиндукционного преобразования конвекционные токи и преобразования на электрической емкости токов смещения, выделяемых из электронных пучков, и обеспечивают взаимодействие вектора магнитной индукции замкнутого магнитопровода с ортогональным ему вектором тока, протекающего между электродами, охватывающими внешнюю и внутреннюю поверхности замкнутого магнитопровода.