устройство в.в.вежова для преобразования нагрузки

Формула изобретения

1. Устройство для преобразования нагрузки, содержащее связанные между собой индуктор переменного магнитного поля с электрическим преобразователем, включающий установленную в корпусе основную обмотку, и исполнительный орган, несущие элементы для воздействия на рабочий орган, отличающееся тем, что в корпусе индуктора переменного магнитного поля выполнены канавки для размещения основной обмотки, исполнительный орган выполнен в виде установленного с возможностью перемещения относительно корпуса индуктора электромагнитного реактора, содержащего накопитель электрической энергии, накопитель магнитной энергии и электромагнитный преобразователь с выполненными в их корпусах прорезями для размещения дополнительной обмотки, соединенной с накопителем электрической энергии, причем канавки в корпусе индуктора и прорези в корпусе электромагнитного преобразователя расположены на обращенных одна к другой поверхностях на равном расстоянии одна от другой и перпендикулярно перемещению электромагнитного реактора, при этом расположенные в прилегающих одна к другой канавках и прорезях параллельно расположенные части основной и дополнительной обмоток размещены с обеспечением встречного протекания в них электрического тока, а электрический преобразователь выполнен с возможностью изменения параметров спектра переменного тока индуктора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет несколько индукторов переменного магнитного поля с электрическими преобразователями, при этом расстояния между канавками в корпусах индукторов равно расстоянию между прорезями в корпусе электромагнитного преобразователя, а канавки в индукторах смещены относительно канавок в соседних индукторах в направлении перемещения электромагнитного реактора на величину, равную P/N, где P - расстояние между канавками в корпусе индуктора, N - количество индукторов.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что оно имеет несколько основных обмоток с электрическими преобразователями, каждая из которых расположена в соответствующей ей канавке, а расстояние между канавками в индукторе отлично от расстояния между прорезями в электромагнитном преобразователе.

4. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что обращенные одна к другой поверхности корпуса индуктора и электромагнитного преобразователя выполнены цилиндрической формы, а электромагнитный реактор расположен со стороны вогнутой части цилиндрической поверхности с обеспечением возможности углового перемещения.

5. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что обращенные одна к другой поверхности корпуса индуктора и электромагнитного преобразователя выполнены цилиндрической формы, а электромагнитный реактор расположен со стороны выпуклой части цилиндрической поверхности с обеспечением возможности углового перемещения.

6. Устройство по пп.2 - 5, отличающееся тем, что обращенные одна к другой цилиндрические поверхности корпуса индуктора и электромагнитного преобразователя выполнены замкнутыми, а количество прорезей в корпусе электромагнитного преобразователя является четным.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что электромагнитный реактор установлен с возможностью свободного вращения относительно цилиндрической поверхности корпуса индуктора для обеспечения возможности накопления энергии.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что электромагнитный реактор установлен с возможностью свободного вращения относительно цилиндрической поверхности корпуса индуктора для обеспечения возможности поступательного перемещения при механическом контакте с поверхностью.

9. Устройство по пп.2 - 8, отличающееся тем, что оно имеет датчик положения электромагнитного реактора относительно корпуса индуктора.

10. Устройство по пп.2 - 9, отличающееся тем, что оно имеет датчик тока дополнительной обмотки.

11. Устройство по пп.1 - 10, отличающееся тем, что в состав материала корпусов индуктора, накопителя магнитной энергии и электромагнитного преобразователя включены элементы из магнитомягкого магнитного материала.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что в качестве магнитомягкого магнитного материала используют феррит.

13. Устройство по пп.1 - 8, отличающееся тем, что накопитель магнитной энергии и электромагнитный преобразователь выполнены за одно целое.

14. Устройство по пп.1 - 8, отличающееся тем, что накопитель электрической энергии выполнен в виде нескольких изолированных электрических емкостей, дополнительная обмотка выполнена из нескольких изолированных проводников, при этом каждая из электрических емкостей электрически соединена с соответствующим ей проводником.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для преобразования нагрузки, в частности, где используется бесконтактное электромеханическое преобразование энергии, например в тренировочных устройствах с использованием электромагнитных или электрических приспособлений, создающих нагрузку, в конструкциях, связанных с преобразованием электрической энергии в механическую, и наоборот, и др.

Известно устройство для преобразования нагрузки, содержащее связанные между собой индуктор переменного магнитного поля с электрическим преобразователем, включающий установленную в корпусе основную обмотку и исполнительный орган, несущие элементы для воздействия на рабочий орган.

Однако известное устройство не может непосредственно управлять процессом электромеханического преобразования энергии, действующей на тренируемого, из-за отсутствия управления балансом электромеханических сил.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности преобразования нагрузки за счет возможности управления балансом электромеханических сил.

На фиг.1 изображено устройство в сборе; на фиг.2 - конструкции основной и дополнительной обмоток; на фиг. 3 - иллюстрация принципа работы устройства.

Устройство содержит индуктор 1 переменного магнитного поля, электрически подключенный к электрическому преобразователю 2, состоящий из корпуса 3 и основной обмотки 4, образующий неподвижную часть, и электромагнитный реактор 5, образующий подвижную часть механической системы устройства. Подвижная и неподвижная части устройства имеют тяги 6 и 7, связывающие устройство с внешним узлом механической энергии (не показан). В корпусе 3 индуктора 1 имеются канавки 8, в которых размещена основная обмотка 4. Электромагнитный реактор 5 состоит из накопителей 9 и 10 электрической энергии и магнитной энергии и электромагнитного преобразователя 11. В корпусах накопителя 10 магнитной энергии и преобразователя 11 имеются прорези 12, в которых размещена дополнительная обмотка 13, электрически соединенная с накопителем 9. Канавки 8 в корпусе 3 индуктора 1 и прорези 12 в корпусе преобразователя 11 расположены на обращенных одна к другой поверхностях 14 на равных расстояниях относительно одна другой и в перпендикулярном направлении относительно взаимного перемещения подвижной и неподвижной частей устройства. Основная 4 и дополнительная 13 обмотки выполнены таким образом, чтобы электрический ток, протекающий в параллельно расположенных в прилегающих одна к другой (смежных) канавках 8 и прорезях 12 частей 15 и 16 обмоток, имел взаимно-встречное направление. Преобразователь 2 через клеммы 17 подключен к внешнему узлу электрической энергии (не показан). Расстояние между продольными осями симметрии частей обмоток, расположенных в смежных канавках, называется периодом Р обмотки. Часть обмотки 13, размещенная в корпусе электромагнитного преобразователя 11, взаимодействуя с обмоткой 4, образует поверхность взаимодействия, которая характеризуется длиной L взаимодействия, определяемой, как произведение периода Р обмотки на количество периодов К обмотки, находящихся на поверхности взаимодействия (L=P^.K).

Устройство функционирует следующим образом.

Переменный ток от электрического преобразователя 2, протекая по обмотке 4, возбуждает в пространстве переменное магнитное поле, которое по закону электромагнитной индукции создает переменную электродвижущую силу в части дополнительной обмотки 13, расположенной в преобразователе 11. Наличие электрически соединенных электромагнитного преобразователя 11, накопителей 10 и 9 порождает электромагнитный колебательный процесс, сопровождаемый появлением переменного электрического тока в обмотке 13, который благодаря явлению взаимоиндукции возбуждает электродвижущую силу в основной обмотке 4, создавая в ней переменный ток, взаимодействующий с переменным током электрического преобразователя 2.

На фиг.3 показана часть сечения основной 4 и дополнительной 13 обмоток на поверхности взаимодействия. Как указывалось ранее, эти обмотки имеют конструкцию, в которой в частях обмоток 15 и 16, расположенных в смежных канавках 8 и прорезях 12, протекающий в них электрический ток имеет противоположное направление. Направление тока на фиг.3 показано в светлых квадратиках. По закону Ампера между двумя проводниками с током возникает механическая сила, прямо пропорциональная произведению мгновенных значений токов в проводниках. Направление силы зависит от взаимного направления токов в проводниках. При встречном направлении токов возникает сила отталкивания, при попутном направлении - сила притягивания.

Таким образом в предложенной конструкции каждая часть обмотки 13, расположенная в электромагнитном преобразователе 11, механически взаимодействует с двумя частями 15 и 16 обмотки 4, расположенными в соседних канавках корпуса 3 индуктора (при этом не рассматривается случай точного совпадения взаимного расположения канавок индуктора 1 и прорезей электромагнитного преобразователя 11, а также влияние других, более удаленных частей обмоток индуктора из-за малости их влияния). При взаимодействии с частью обмотки 4, ток в которой не совпадает с направлением тока в рассматриваемой части обмотки 13, между ими возникает сила отталкивания F_o, а с частью обмотки 4, в которой направление тока совпадает, возникает сила притягивания F_п. В результате на каждую часть обмотки 13, входящую в поверхность 14 взаимодействия, воздействует результирующая сила F_р, направленная перпендикулярно направлению канавок. Благодаря механической жесткости конструкции обмоток и корпусов индуктора и реактора суммарная сила по всем частям обмотки 13, входящим в поверхность взаимодействия, воздействует через тяги 6 и 7 на внешний узел механической энергии. При этом направление силового воздействия зависит от относительного направления мгновенных значений токов в обмотках и так как частота индуцированного в дополнительной обмотке 13 переменного тока совпадает с частотой переменного тока в основной обмотке 4, средняя по времени величина суммарного силового воздействия прямо пропорциональна произведению эффективных значений токов, протекающих в основной и дополнительной обмотках. С энергетической точки зрения для внешнего узла электрической энергии, с которым через клеммы 17 электрически подключен преобразователь 2, электромагнитный реактор 5 является энергетическим зеркалом, отражающим часть электрической энергии через преобразователь 2 обратно во внешний узел электрической энергии. Коэффициент отражения является сложной функцией, зависящей от физической конструкции механической системы, взаимного расположения на поверхности взаимодействия частей основной 4 и дополнительной 13 обмоток и спектра переменного тока, генерируемого преобразователем 2. Существуют определенные соотношения параметров функции отражения, при которых коэффициент отражения стремится к единице. При этом практически вся электрическая энергия внешнего узла, переданная в устройство, возвращается назад во внешний узел электрической энергии.

Это справедливо в том случае, если подвижная часть 5 механической системы устройства сохраняет свое пространственное положение относительно неподвижной части 1, т.е. суммарная механическая сила, порожденная и однозначно определяемая при условии неизменности коэффициента отражения, силой электрического напряжения, воздействующей на устройство через клеммы 17, компенсируется силой механического напряжения через тяги 6 и 7 внешнего узла механической энергии. Другими словами, существует баланс электрической и механической сил взаимодействия с внешними узлами. При нарушении баланса, например при увеличении силы электрического напряжения на клеммах 17, происходит увеличение суммарной механической силы, что приводит к перемещению подвижной части 5 механической системы до момента выравнивания суммарной механической силы и силы механического напряжения внешнего узла. При этом совершается работа по перемещению подвижной части 5 механической системы за счет энергии, поступившей в виде появления во время перемещения электрического тока, направленного из внешнего узла электрической энергии через клеммы 17 в устройство.

Точно также при увеличении силы механического напряжения со стороны внешнего узла, например со стороны тренируемого органа спортсмена, через тяги 6 и 7 на подвижную часть 5 механической системы устройства происходит перемещение последней против суммарных сил взаимодействия основной и дополнительной обмоток, что приводит к увеличению энергии, циркулирующей в реакторе, на величину, затраченную внешним узлом механической энергии, на совершение работы по перемещению подвижной части 5 механической системы устройства против сил электромагнитного взаимодействия. Часть этой энергии благодаря эффекту отражения переходит через преобразователь 2 и клеммы 17 из устройства во внешний узел электрической энергии в виде электрического тока, появившегося во время перемещения и направленного от устройства к внешнему узлу, что приводит к увеличению силы электрического напряжения на клеммах 17. Это может быть зафиксировано прибором, например вольтметром, и баланс восстанавливается. В этом заключается сущность баланса электромеханических сил, лежащего в основе преобразования нагрузки.

Следовательно, устройство выполняет функцию симметричного двустороннего преобразователя электромеханических сил для воздействия, например на спортсмена, механической силой, одновременно электрически контролируя его механическую реакцию. При этом коэффициент преобразования, т.е., отношение изменения электрической силы к изменению механической силы при сохранении баланса - есть функция, зависящая от величины тока, протекающего в дополнительной обмотке 13. Так как, среднее значение тока в ней однозначно связано с количеством циркулирующей в реакторе 5 энергии, уровень которой зависит от коэффициента отражения, то, управляя коэффициентом отражения энергии через изменение спектра переменного тока, протекающего в основной обмотке 4, можно управлять коэффициентом преобразования электромеханических сил.

В предлагаемом устройстве диапазон перемещений подвижной части 5 механической системы составляет малую долю периода Р обмоток индуктора и реактора, что связано с зависимостью коэффициента отражения от взаимного расположения частей основной 4 и дополнительной 13 обмоток на поверхности взаимодействия. Для увеличения диапазона перемещений до половины периода Р обмоток устанавливается датчик положения подвижной части механической системы (не показан). Еще в два раза можно увеличить диапазон перемещений подвижной части, установив датчик тока обмотки реактора (не показан). Информация с этих датчиков используется электрическим преобразователем 2, к которому датчики электрически подключены, для управления спектром электрического тока индуктора с целью коррекции коэффициента отражения энергии электромагнитным реактором. Конструктивно оба датчика могут быть объединены.

Для увеличения диапазона перемещений подвижной части 5 механической системы до величины, превышающей период Р обмоток, имеются две конструкции.

Неподвижная часть механической системы состоит из двух и более N индукторов 1 со своими обмотками 4, электрическими преобразователями 2 и датчиками положения и тока (не показаны), образующих поверхность взаимодействия с одной общей для всех, дополнительной обмоткой 13, расположенной со своими магнитной системой и накопителем электрической энергии на подвижной части механической системы. При этом период Р обмоток индукторов должен быть равен периоду дополнительной обмотки, а магнитные системы индукторов 1 расположены таким образом, чтобы центры канавок 8 смежных индукторов были равномерно смещены относительно друг друга на величину Р/N по направлению перемещения подвижной части 5 механической системы. Диапазон перемещений подвижной части механической системы в этом случае определяется длиной поверхности, содержащей обмотки индукторов.

Неподвижная часть 1 механической системы состоит из нескольких обмоток индукторов со своими электрическими преобразователями 2 и датчиками положения и тока (не показаны), образующих поверхность взаимодействия с одной общей для всех дополнительной обмоткой 13, расположенной со своими магнитной системой и накопителем электрической энергии на подвижной части 5 механической системы. При этом каждая обмотка 4 индуктора расположена в своей одной канавке корпуса 3 индуктора, а количество канавок в корпусе 3 индуктора, входящих в поверхность взаимодействия, не совпадает с количеством канавок в корпусе 11 электромагнитного преобразователя, входящих в поверхность 14 взаимодействия. Диапазон перемещений подвижной части механической системы также определяется длиной поверхности, содержащей обмотки индукторов. Также возможна конструкция, объединяющая вышеприведенные конструкции.

Для угловых перемещений предлагаются следующие конструкции.

По одному из вариантов изменяют конструкцию механической системы таким образом, чтобы поверхность взаимодействия обмоток индукторов и реактора приобрела цилиндрическую форму, причем обмотка реактора со своими магнитной системой и накопителем электрической энергии оказалась со стороны вогнутой части этой поверхности, а обмотки индукторов - со стороны выпуклой части поверхности. Получают устройство для угловых перемещений с внутренним ротором.

Изменяют конструкцию механической системы таким образом, чтобы поверхность взаимодействия обмоток индукторов и реактора приобрела цилиндрическую форму, причем обмотка реактора со своими магнитной системой и накопителем электрической энергии оказалась со стороны выпуклой части этой поверхности, а обмотки индукторов - со стороны вогнутой части поверхности. Получают устройство для угловых перемещений с внешним ротором.

Для обеспечения возможности вращения подвижной части механической системы устройства изменяют конструкцию механической системы таким образом, чтобы цилиндрическая поверхность была замкнутой, а количество прорезей в электромагнитном преобразователе было четным. Получают устройства вращения с внутренним или внешним ротором.

Если свободно вращающийся ротор сделать массивным, то предложенное устройство в этом случае для внешнего узла электрической энергии будет выполнять функции накопителя электрической энергии. Это происходит следующим образом. При подаче с внешнего узла электрической энергии силы электрического напряжения на клеммы 17 электрических преобразователей 2 в области поверхности взаимодействия 14 обмоток индукторов и реактора появляется момент силы, который начинает раскручивать массивный ротор. При этом совершается работа по раскручиванию ротора за счет энергии внешнего узла. Устройство будет выполнять роль преобразователя электрической энергии внешнего узла в кинетическую энергию вращения ротора. При изменении с помощью управления электрическими преобразователями направления момента силы происходит торможение вращения массивного ротора. При этом ротором совершается работа против электромагнитных сил взаимодействующих обмоток реактора и индукторов, что приводит к увеличению энергии, циркулирующей в реакторе, и возвращению части этой энергии через клеммы 17 во внешний узел электрической энергии. Здесь устройство выполняет роль преобразователя кинетической энергии вращения ротора в электрическую энергию.

Если одно или несколько связанных между собой устройств с вращающимся ротором установлены таким образом, что их свободно вращающиеся роторы, имея механическую связь с некоторой поверхностью, могут по ней кататься, перемещаясь как целое поступательно, то такая конструкция выполняет функции самоходного транспортного средства. Это происходит следующим образом. При подаче с внешнего узла электрической энергии силы электрического напряжения на клеммы 17 электрических преобразователей в области поверхности 14 обмоток индукторов и реактора появляется момент силы, который благодаря механической связи роторов устройств с поверхностью создает силу тяги для конструкции в целом, поступательно и равноускоренно перемещая ее по поверхности. При этом совершается работа по ускорению конструкции за счет энергии внешнего узла. Устройство выполняет роль преобразователя электрической энергии внешнего узла в кинетическую энергию движения конструкции. При изменении с помощью управления электрическими преобразователями 2 направления момента силы происходит торможение движения конструкции. При этом массой конструкции совершается работа против электромагнитных сил взаимодействующих обмоток реактора и индукторов, что приводит к увеличению энергии, циркулирующей в реакторе 5, и возвращению части этой энергии через клеммы 17 во внешний узел электрической энергии. Здесь устройство выполняет роль преобразователя кинетической энергии движения конструкции в электрическую энергию. Результат описанных действий - перемещение конструкции в пространстве.

Если в предлагаемой конструкции вместо внешнего узла электрической энергии использовать накопитель электрической энергии, установленный непосредственно на конструкции, то получают автономное транспортное средство, не связанное электрически с внешней средой. В качестве накопителя электрической энергии можно использовать конструкцию накопителя энергии, описанную выше.

В качестве материала для корпусов 3, 10, 11 можно использовать магнитомягкий магнитный материал, например феррит. Конструкционно накопитель магнитной энергии и электромагнитный преобразователь могут быть выполнены в одной конструкции.

С целью увеличения добротности электромагнитного реактора 5, он может быть конструктивно выполнен в виде некоторого количества электрически несвязанных между собой электромагнитных контуров, состоящих из отдельных обмоток и электрических емкостей.

Таким образом, изобретение повышает эффективность преобразования нагрузки через управление балансом электромеханических сил с помощью изменения параметров спектра переменного тока индуктора.