поршневой электрогидравлический двигатель и способ управления им

Формула изобретения

1. Поршневой электрогидравлический двигатель, содержащий две рабочие камеры с электродами, заполненные рабочей жидкостью, поршень и кривошипно-шатунный механизм, кинематически связанный с поршнем, отличающийся тем, что он снабжен электрически связанными конденсатором и катушкой индуктивности, образующими колебательный контур, 2N парами токопроводов, расположенными между конденсатором и катушкой индуктивности, зарядным устройством и химическим источником тока, каждый токопровод выполнен в виде металлической плоскопараллельной пластины, одна из сторон которой оптически обработана и на ее поверхностях нанесены диэлектрические пленки, токопроводы каждой пары ориентированы друг к другу оптически обработанными поверхностями, установлены с возможностью линейного перемещения по нормали друг к другу, причем каждая пара токопроводов соединена между собой по периметру эластичным герметиком, рабочие камеры расположены по разные стороны поршня, выполнены герметичными и в каждой из них равномерно установлено N пар токопроводов, которые соединены между собой с возможностью противоположного направления тока в токопроводах каждой пары, а в токопроводах соседних пар - с возможностью направления в одну сторону, при этом объем рабочей жидкости в каждой камере выбирается из условия

V_{раб.жидк}= V_кам-V,

где N - число пар токопроводов в камере, равное n (n + 1);

n - последовательность чисел арифметического ряда;

V - объем вытеснения рабочей жидкости в камере при раздвинутых токопроводах, V = SN;

S - площадь взаимодействующей поверхности токопроводов;

- величина линейного перемещения токопровода;

V_кам - свободный объем рабочей камеры.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен последовательно электрически связанными вторым колебательным контуром, вторым зарядным устройством и вторым химическим источником тока, а каждый колебательный контур электрически связан с токопроводами одной из разрядных камер.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочей жидкости используют коллоидно-дисперсную систему, в которой растворенным веществом является твердый ферромагнетик, а растворителем может быть любая жидкость с малым коэффициентом сжимаемости и малой динамической вязкостью.

4. Способ управления поршневым электрогидравлическим двигателем, заключающийся в том, что периодически создают в рабочей камере гидродинамическое давление, с помощью которого перемещают поршень, отличающийся тем, что перед созданием гидродинамического давления последовательно пропускают импульсный ток разряда от конденсатора через N пар плоских токопроводов, расположенных в рабочей жидкости по одну сторону поршня, создают магнитное поле катушки одновременно с током разряда и перемещают плоские токопроводы каждой пары в противоположных направлениях, а после перемещения поршня на рабочее расстояние уменьшают магнитное поле катушки, одновременно заряжают конденсатор, последовательно пропускают импульсный ток разряда конденсатора через N пар плоских токопроводов, расположенных в рабочей жидкости по другую сторону поршня, вновь создают магнитное поле катушки одновременно с током разряда, перемещают плоские токопроводы каждой пары второй камеры в противоположных направлениях, создавая гидродинамическое давление в рабочей камере, и перемещают поршень в обратном направлении, одновременно сжимая при этом токопроводы каждой пары первой рабочей камеры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к разделу двигатели и насосы и может быть использовано в транспортных средствах передвижения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является поршневой электродвигатель [1] , содержащий две рабочие камеры с электродами, заполненные рабочей жидкостью, поршень и кривошипно-шатунный механизм, кинематически связанный с поршнем.

Недостатком известного двигателя является невысокая импульсная мощность вследствие ограниченной силы, создаваемой ударной волной при подаче электрического импульс на пару электродов, расположенных в рабочей жидкости, а также большой объем рабочей жидкости, обусловленный наличием подпиточной емкости.

Целью изобретения является увеличение импульсной мощности двигателя и уменьшение объема рабочей жидкости.

Указанная цель достигается тем, что двигатель снабжен электрически связанными конденсатором и катушкой индуктивности, образующими колебательный контур, 2N парами токопроводов, расположенными между конденсатором и катушкой индуктивности, зарядным устройством, химическим источником тока и блоком управления, каждый токопровод выполнен в виде металлической плоскопараллельной пластины, на одной из сторон которой нанесена диэлектрическая пленка, токопроводы каждой пары ориентированы друг к другу диэлектрическими пленками, установлены они с возможностью линейного перемещения по нормали друг к другу и каждая пара токопроводов соединена между собой по периметру эластичным герметиком, рабочие камеры, расположенные по разные стороны поршня, выполнены герметичными и в каждой из них установлено N пар токопроводов, которые соединены между собой таким образом, что направление тока в токопроводах каждой пары противоположны, а в токопроводах соседних пар направлены в одну сторону и количество рабочей жидкости в каждой камере выбирается из условия

V_{раб.жидк}= V_кам-V, ,

где

N - число пар токопроходов в камере, равное n (n + 1);

n - последовательность чисел арифметического ряда;

V = SN - объем вытесняемой рабочей жидкости в камере при перемещении токопроводов;

S - площадь взаимодействующей поверхности токопровода;

- величина линейного перемещения токопровода;

V_{раб.жидк.} - объем рабочей жидкости в камере;

V_кам. - свободный объем рабочей камеры.

Кроме того, двигатель снабжен последовательно электрически связанными вторым колебательным контуром, вторым зарядным устройством и вторым химическим источником тока, а каждый колебательный контур электрически связан с токопроводом одной из разрядных камер.

В качестве рабочей жидкости используют коллоидно-дисперсную систему, в которой растворенным веществом является твердый ферромагнетик, а растворителем может быть любая жидкость с малым коэффициентом сжимаемости и малой динамической вязкостью.

Известен также способ управления двигателем, реализованный в устройстве [1] , заключающийся в том, что периодически создают в рабочей камере гидродинамическое давление, с помощью которого перемещают поршень.

Недостатком известного способа управления двигателем является невысокая мощность.

Целью изобретения является повышение мощности двигателя.

Указанная цель достигается тем, что перед созданием гидродинамического давления последовательно пропускают импульсный ток разряда от конденсатора через N пар плоских токопроводов, расположенных в рабочей жидкости по одну сторону поршня, создают магнитное поле катушки одновременно с током разряда и перемещают плоские токопроводы каждой пары в противоположных направлениях, а после перемещения поршня на рабочее расстояние уменьшают магнитное поле катушки и одновременно заряжают конденсатор, последовательно пропускают импульсный ток разряда конденсатора через N пар плоских токопроводов, расположенных в рабочей жидкости по другую сторону поршня, вновь создают магнитное поле катушки одновременно с током разряда, перемещают плоские токопроводы каждой пары второй камеры в противоположных направлениях, создавая гидродинамическое давление в рабочей камере, и перемещают поршень в противоположном направлении, одновременно сжимая токопроводы каждой пары первой рабочей камеры.

На фиг. 1 представлена схема двигателя; на фиг. 2 показано положение пары токопроводов при прохождении по ним тока; на фиг. 3 - то же при его отсутствии.

Поршневой электрогидравлический двигатель содержит две герметичные рабочие камеры 1, 2, 2N пар плоских токопроводов 3 с диэлектрическими пленками 4 /фиг. 2/, эластичный герметик 5, соединяющий по периметру токопроводоы в каждой паре, поршень 6, расположенный между рабочими камерами, рабочую жидкость 7, заполняющую обе рабочие камеры, шток 8, соединенный с поршнем, шатун 9, коленчатый вал 10, корпус 11, в котором расположены обе рабочие камеры, химический источник тока 12, зарядное устройство 13, электрический колебательный контур 14, содержащий емкостной накопитель (конденсатор) и катушку индуктивности, блок управления 15, второй химический источник тока 16, второе зарядное устройство 17 и второй колебательный контур 18. На чертежах также показаны устройство герметизации 19 штока и нагрузка 20. Каждый токопровод 3 выполнен в виде металлической плоскопараллельной пластины, одна из сторон которой оптически обработана. В каждой рабочей камере равномерно расположены N пар токопроводов. Пары токопроводов 3 каждой рабочей камеры последовательно соединены между собой через одну соседнюю пару, один конец общего токопровода соединен с конденсатором, а другой - с катушкой индуктивности. Каждый из колебательных контуров электрически соединен с токопроводами одной из рабочих камер. Количество рабочей жидкости в рабочей камере обеспечивает полное ее заполнение при сжатых токопроводах и крайнем (поднятом) положении поршня в соответствующей рабочей камере.

Количество рабочей жидкости в каждой камере выбирается из условия

V_{раб.жидк}= V_кам-V, ,

где

V = SN - общий объем вытесняемой рабочей жидкости из зазоров;

S - площадь поверхности взаимодействия токопровода;

- величина линейного перемещения токопроводов каждой пары;

N - число пар токопроводов в рабочей камере.

Одна из поверхностей токопроводов оптически обработана.

Работает двигатель следующим образом.

Предварительно заряжают конденсатор колебательного контура. Последовательно пропускают импульсный ток разряда от конденсатора колебательного контура через N пар плоских токопроводов 3 первой рабочей камеры 1. Под действием импульсного тока, проходящего по плоским токопроводам каждой пары, они взаимодействуют друг с другом, поскольку каждый из них находится в магнитном поле другого.

Токопроводы включены в электрическую цепь таким образом, что направления токов в каждой паре противоположны, а в токопроводах соседних пар направлены в одну сторону, в результате чего плоские токопроводы в каждой паре отталкиваются друг от друга и одновременно притягиваются к токопроводам соседних пар. Сила, действующая между параллельными токопроводами, определяется известным выражением

,

где

_a= _o/ - абсолютная магнитная проницаемость;

_o = 1,257 10^-6 Гн/м - магнитная постоянная;

- диэлектрическая проницаемость среды между токопроводами

(воздуха = 1; рабочей жидкости = 5...40);

I₁ = I₂ - сила тока, проходящего по токопроводам;

l - длина пары токопроводов;

- расстояние между токопроводами одной пары.

Под действием этой силы токопроводы отжимаются друг от друга (фиг. 2) на расстояние . Эластичный герметик или иной эластичный материал, скрепляющий каждую пару токопроводов по периметру, обеспечивает герметизацию пространства между токопроводов водами и исключает попадание рабочей жидкости в зону между отжимаемыми токопроводами.

Под действием перемещающихся плоских токопроводов 3 рабочая жидкость, находящаяся в зазорах (каналах) между соседними парами токопроводов, вытесняется из них и давит на поршень 6.

Сила, действующая на поршень F_пор., может быть определена из соотношения:

F_т.п./S_плас. = F_пор/S_пор,

откуда

F_пор.=F_т.п.S_пор/S_плас.,

где

F_т.п. - сила взаимодействия между токопроводами каждой пары,

S_плас. - площадь плоского токопровода (площадь взаимодействия);

S_пор - площадь поршня.

Увеличение числа токопроводов и, следовательно, числа зазоров в рабочей камере обеспечивает увеличение объема V вытесняемой рабочей жидкости из зазоров, что обеспечивает больший линейный ход поршня 6. Общий объем вытесняемой рабочей жидкости из зазоров равен V S_плас.N. . При линейном перемещении поршня 6 он через шток 8, шатун 9 и кривошип вращает коленчатый вал 10 и находящуются на его валу нагрузку 20.

Известно, что в колебательном контуре конденсатор разряжается через катушку индуктивности. Ток разрядки создает магнитное поле, которое в свою очередь обеспечивает заряд конденсатора, имеющий противоположную полярность. Под действием силы поршень перемещается из верхнего положения в нижнее, при этом рабочая жидкость во второй рабочей камере 2 заполняет весь ее объем и поджимает при этом токопроводы каждой пары в ней друг к другу. Зазор между токопроводами каждой пары в данном случае отсутствует (фиг. 3).

Поршень находится в крайнем нижнем положении. В следующем такте с помощью блока управления 15 импульсный ток разряда от конденсатора пропускают через N пар плоских токопроводов 3, расположенных во второй /нижней/ рабочей камере 2. При прохождении по ним тока под действием силы, возникающей между параллельными токопроводами каждой пары, они отжимаются друг от друга на расстояние . Под действием перемещающихся (отжигающихся) друг от друга токопроводов 3 рабочая жидкость, находящаяся в зазорах между соседними парами токопроводов, вытесняется из низ и давит на поршень снизу.

Под действием этой силы поршень начинает двигаться вверх, перемещая одновременно шток 8 и шатун 9 и как следствие поворачивает коленчатый вал 10 и нагрузкой 20. Одновременно с движением поршня вверх происходит сжатие токопроводов в каждой паре первой камеры с помощью рабочей жидкости, которая начинает заполнять весь объем рабочей камеры 1.

При крайнем верхнем положении поршня 6 токопроводы каждой пары рабочей камеры 1 плотно прижаты друг к другу, а рабочая жидкость полностью заполняет рабочую камеру. В качестве рабочей жидкости может быть использована любая магнитная жидкость с малым коэффициентом сжимаемости и малой динамической вязкостью.

Так же, как и в первом полупериоде, конденсатор электрического колебательного контура 18 разряжается через катушку индуктивности, предварительно проходя через N токопроводов. Ток разрядки создает магнитное поле, которое в свою очередь вновь обеспечивает заряд конденсатора.

В двух полупериодах поршень 6 совершает перемещение вниз и вверх, обеспечивая поворот нагрузки 20 на один оборот.

Увеличение силы, действующей между токопроводами, достигается пропусканием импульсного тока через токопроводы соседних пар в одном направлении, в результате чего эти токопроводы притягиваются, и как следствие на токопроводы одной пары помимо силы отталкивания при пропускании по ним тока в разных направлениях действуют и силы притяжения их к соседним парами. Использование коллоидно-дисперсной системы с частицами ферромагнетика размером ~ 10^-8 м в качестве рабочей жидкости позволяет повысить ее магнитную проницаемость между парами токопроводов и тем самым увеличить силу взаимодействия между токопроводами соседних пар.

Мгновенная мощность P, развиваемая двигателем, равна

P = F_пор V_пор,

где V_пор - скорость перемещения поршня.

Значительное уменьшение площади поперечного сечения зазора по отношению к площади токопровода позволяет при небольшой скорости перемещения токопроводов получить значительную величину скорости потока рабочей жидкости из зазора, величина которой возрастает в канале поршня, т.к. его площадь поперечного сечения меньше суммарного сечения площади зазоров.

Произведение значительной силы, действующей на поршень F_пор, и высокой скорости рабочей жидкости в канале поршня позволяют получить большую импульсную мощность, развиваемую предложенным двигателем.

При прохождении тока по активному сопротивлению (токопроводам) совершается работа электрического тока (W_т), равная

W_t =I²Rt,

где

I - сила тока (ток разрядки);

R - сопротивление N токопроводов;

t - продолжительность протекания тока.

Работа совершается и при перемещении (W_п)N пар токопроводов между собой на расстоянии, равное

W_п = FN ,

где

F - сила взаимодействия токопроводов каждой пары при прохождении по ним тока.

Общая работа W , совершаемая в каждом полупериоде, равна

W = W_т+W_п .

Химический источник тока 12 через зарядное устройство 13 обеспечивает дополнительную подзарядку конденсатора и тем самым компенсирует потери в колебательном контуре, вызванные совершаемой работой.

Для обеспечения максимального тока работа электрического контура проводится на резонансной частоте, когда полное сопротивление последовательной цепи минимально и равно активному сопротивлению. Частота работы двигателя регулируется блоком управления 15, с которого задается сигнал разрешения на разрядку конденсатора.

Восполнение электрических потерь в колебательном контуре, вызванных работой в каждом периоде, обеспечивается химическим источником тока 12 через зарядное устройство 13. Для исключения коммутации больших токов в устройстве используются два химических источника тока 12, 16, два зарядных устройства 13, 17 и два колебательных контура 14, 18, каждый из которых электрически связан с токопроводами одной из рабочих камер.

Предложенный двигатель обеспечивает вращение нагрузки без использования каких-либо видов топлива, не имеет вредных выбросов, а значит является экологически чистым и обеспечивает значительную импульсную мощность.

Оценим величину импульсной мощности, развиваемую предложенным двигателем. На каждой токопровод действует две силы: одна из них сила отталкивания F_от. - между токопроводами в каждой паре, где направления токов в них противоположны, другая - сила притяжения F_пр - между токопроводами соседних пар, где направления токов в них одинаковы. Действуя на каждый токопровод с разных сторон обе эти силы фактически направлены в одну сторону, в результате чего результирующая силы F равна их сумме

F = F_от+F_пр. .

Силу взаимодействия между парой плоских токопроводов определим из приведенной выше зависимости

.

Сила тока и напряжение в колебательном контуре изменяются по периодическому закону. Ток при разряде конденсатора нарастает в первой четверти периода он нуля до максимального значения. Принимаем максимальную силу тока в токопроводах при разрядке конденсатора равной I₁ = I₂₂ = 2,5 10³A, конечное расстояние между токопроводами (фиг. 2) равным = 0,5 мм, длину проводников (плоских токопроводов) равное l = 0,3 м. Токопроводы выполнены в виде плоскопараллельных пластин из алюминия размером 300 70 мм и толщиной 2 мм с оптически обработанной поверхностью, на поверхности токопроводов нанесена тонкая диэлектрическая пленка (начальное расстояние между сжатыми токопроводами _нач. . Существующая технология позволяет получить жидкую среду с сильными магнитными свойствами путем введения в обычную жидкость коллоидно-дисперсных ферромагнитных частиц. Магнитная проницаемость такой магнитной жидкости составляет значения 5 - 10, а при сильных магнитных полях может возрастать до 40 (образование магнитных струн). Прием для расчетов магнитную проницаемость рабочей жидкости равной = 10, величину рабочего перемещения каждого токопровода /2 равной 0,25 мм. Суммарное перемещение (разведение) обоих токопроводов в каждой паре = 0,5 мм. Подставив приведенные значения в формулу, найдем, что средняя сила взаимодействия за время разрядки конденсаторов между плоскими токопроводами равна

.

Объем вытесняемой рабочей жидкости из зазора V_з между двумя соседними парами токопроводов равен

V_з = S_плас. = 5 10^-2 210 = 10,5 см³,

Приняв общее число пар токопроводов, установленных в каждой рабочей камере, равным N = 40, общий объем рабочий жидкости, вытесняемой из всех зазоров, равен

V= V_зN = 420 см³ .

При рабочем ходе поршня 6, равном 59 мм, находим, что диаметр поршня равен 103,5 мм/S_пор= 84 см²/. В данном случае вытесненный объем жидкости обеспечивает необходимый рабочий ход поршня.

Определим силу, действующую на поршень. Из гидростатики известно, что силы относятся друг к другу как площади поршней

,

откуда

.

Подставив значение величин в формуле, находим F_пор = 2,4 10³H.

Мгновенная мощность, развиваемая двигателем, равна

P = F_порV,

где

V - скорость перемещения поршня.

Определим скорость перемещения поршня. Из гидравлики известно, что AV = const, где A - площадь сечения; V -скорость потока в сечении. Скорость перемещения токопровода может быть найдена из основного уравнения динамики

,

где

m - масса плоского токопровода,

a - ускорение, приобретаемое им.

.

При данной скорости перемещения токопроводов и полученной результирующей силе взаимодействия между ними рабочая жидкость полностью вытесняется из зазоров / / между парами токопроводов со средней скоростью V^ср_заз , равной 126 м/с.

Суммарное сечение зазоров S равно S = lN и составляет для принятых конструктивных параметров S = 60 см², а площадь поршня S_пор = 84 см², т.е. площадь поршня больше суммарного сечения зазоров (k = S /S_пор = 0,715), что приводит к пропорциональному снижению скорости потока в канале поршня, которая равна V_пор = kV_з 90 м/c. .

Мгновенная мощность, развиваемая двигателем, равна

P = 2,4 10³ 90 = 2,16 10⁵ Вт.

С учетом того, что одна л.с. равна 736 Вт, мгновенная мощность предложенного двигателя для выбранных параметров равна 290 л.с.

Для реализации двигателя на рассчитанную мощность период колебаний колебательного контура должен быть равен

,

что обеспечивает время перезарядки конденсатора на противоположную полярность. Ток за время, равное T/2 = 6,3 10^-4 с, возрастает от нуля до максимума и спадает от максимума до нуля, при этом емкость конденсатора C = 2 10^-4, а индуктивность L = 2 10^-4 Гн. Конденсатор типа Л75-40 имеет емкость, равную C = 10^-4 ф. При параллельном соединении двух конденсаторов указанного типа C пар = 2 10^-4ф. Указанная индуктивность может быть обеспечена при следующих конструктивных параметрах катушки, определяемых из выражения

,

причем число витков N катушки - 10;

площадь поперечного сечения катушки, равная А = 10^-3 м² (диаметр катушки приблизительно 37 мм);

железный сердечник = 200;

длина катушки l = 0,15 м.

Таким образом в двигателе могут быть реализованы указанные параметры.

Колебательный контур с указанными параметрами позволяет получить максимальный ток разрядки конденсатора, равный I_max = 2,5 10³А при номинальном напряжении конденсатора U = 4 10³ В. Указанный конденсатор является наиболее энергоемким, но позволяет непрерывно работать с частотой f, не превышающей 1 Гц. Для увеличения частоты работы двигателя количество конденсаторов должно возрасти пропорционально 2f. Так, при частоте f = 5 Гц количество пар конденсаторов должно быть равно 10.

Оценим необходимую величину дополнительного заряда для восполнения электрических потерь. Для обеспечения незатухающих колебаний в контуре используют химический источник тока, например, типа 20 HKBH40, который восполняет потери энергии в каждом такте, обусловленные тепловыми потерями на активном сопротивлении плоского токопровода и их перемещением при прохождении по ним тока.

Тепловые потери на активном сопротивлении, равные

W_t = I² R t,

при токе I_ср = 1,25 10³ А, времени t = 6,3 10^-4 с и R = 8,15 10^-3 Ом (алюминиевая пластина сечением 2 х 70 мм, при общей длине N пар токопроводов l = 30 м) составляют W_t 8 Дж.

Потери, связанные с перемещением N пар плоских токопроводов, определяемые из зависимости W_п = FN , составляют при F = 6 10³ Р; = 5 10^-4 м; N = 40; W_п 120 Дж.

Таким образом суммарные потери в каждом полупериоде составляют W = W_t + W_п 128 Дж, а в каждом периоде удвоенное значение, равное 256 Дж.

Количество электричества (заряд), необходимое для восполнения потерь в электрическом контуре, может быть определено из соотношения

W= ФU/2[Дж=кгм²/c²], ,

где

Ф - количество электричества (заряд) [Кл = А с];

U - электрическое напряжение [В = кг м²/с³А].

Подставив в эту зависимость общие потери, возникающие в каждом периоде, равные W = 256 Дж, и величину электрического напряжения U = 4 10³ В, получим величину дополнительного заряда, которую необходимо сообщить каждому конденсатору для компенсации электрических потерь

.

При частоте работы каждой рабочей камеры, равной 50 Гц (частота вращения нагрузки n = 300 об/мин), величина заряда, необходимая для подпитки конденсатора в течение 1 с, равной

Q = Q_тF = 1,2810^-150 6,4 Кл .

Таким образом, предложенный двигатель позволяет получить значительную импульсную мощность, работает без использования каких-либо видов топлива и является экологически чистым устройством.