способ создания движущей силы

Формула изобретения

Способ создания движущей силы, заключающийся во взаимодействии переменных токов, пропускаемых со сдвигом по фазе через по меньшей мере два индуктора и создаваемых при этом магнитных полей, отличающийся тем, что индукторы располагают между собой на фиксированном расстоянии L, определяемом в зависимости от частоты токов N, максимальной разности потенциалов U между индукторами, скорости V распространения магнитного поля в среде, разделяющей индукторы, и электрической прочности E_пр этой среды из соотношения

U : E_пр < L V : 4N,

а сдвиг по фазе устанавливают равным 0,23-0,27 периода тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания движущей силы в безопорном пространстве и может быть использовано при создании двигательных систем для космических кораблей.

Известен способ создания движущей силы (см. патент Российской Федерации N 1801245, кл. H 02 K 41/00. Опубл. в Б.И. N 9, 1993 г.), основанный на взаимодействии электрического тока, индуцируемого во вращающемся контуре, с внешним магнитным полем. В соответствии с этим способом в процессе вращения контура его токоиндуцирующие элементы перемещают с различными тангенциальными скоростями, причем при переходах контура в противофазу индуцирование тока в нем прекращают.

Общими признаками для аналога и заявляемого объекта являются протекание через индуктор (контур) переменного электрического тока и взаимодействие этого тока с магнитным полем.

Получение требуемого технического результата при использовании аналога невозможно, поскольку для создания движущей силы необходимо наличие внешнего магнитного поля.

Недостатком этого способа является и необходимость в движении токоиндуцирующих элементов.

Известен также способ создания движущей силы, реализуемый в процессе работы линейного электродвигателя (см. а.с. СССР N 811430, кл. H 02 K 41/00. Опубл. в Б.И. N 9, 1981 г.), который основан на взаимодействии двух индукторов постоянного тока, один из которых движется относительно другого.

Общими признаками для аналога и заявляемого объекта являются пропускание токов через два индуктора и взаимодействие тока, пропускаемого через один индуктор, с магнитным полем другого индуктора.

Получение требуемого технического результата при использовании аналога невозможно, поскольку вся система из двух индукторов в целом остается неподвижной.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому и выбранным в качестве прототипа является способ создания движущей силы, реализуемый в процессе работы линейного электродвигателя по а.с. СССР N 595835 (кл. H 02 K 41/04. Опубл. в Б.И. N 8, 1978 г.), и предусматривающий взаимодействие двух индукторов переменного тока (подвижного и неподвижного), токи в обмотках которых сдвинуты по фазе.

Для прототипа и заявляемого объекта общими являются следующие признаки: пропускание через индукторы переменного тока, сдвиг токов индукторов по фазе и взаимодействие тока одного индуктора с магнитным полем другого индуктора.

Получение требуемого технического результата при использовании прототипа невозможно, потому что в безопорном пространстве вся система из двух индукторов в целом остается неподвижной.

Указанный недостаток прототипа обусловлен тем, что в каждый момент времени сила, взаимодействующая на подвижный индуктор равна по величине и противоположна по направлению силе, воздействующей на неподвижный индуктор.

В основу изобретения поставлена задача разработки такого способа создания движущей силы, который бы обеспечивал перемещение объектов в безопорном пространстве.

Для решения поставленной задачи в способе создания движущей силы, включающем взаимодействие переменных токов, пропускаемых со сдвигом по фазе через по меньшей мере два индуктора, и создаваемых при этом магнитных полей, в отличие от прототипа индукторы, согласно изобретению, располагают между собой на фиксированном расстоянии L, определяемом в зависимости от частоты токов N, максимальной разности потенциалов U между индукторами, скорости V распространения магнитного поля в среде, разделяющей индукторы, и электрической прочности E_пр этой среды из соотношения

U : E_пр < L V : 4N,

а сдвиг по фазе устанавливают равным 0,23-0,27 периода тока.

Расположение индукторов на фиксированном расстоянии L между собой, определяемом в зависимости от частоты тока N, скорости V распространения магнитного поля в среде, разделяющей индукторы, электрической прочности E_пр этой среды и максимальной разности потенциалов U между индукторами, а также установление определенного сдвига по фазе, обеспечивает создание движущей силы, воздействующей на систему из двух индукторов и обеспечивающей их перемещение в безопорном пространстве как целого.

Изобретение поясняется чертежами, на которых схематически изображено:

фиг. 1 - система из двух соосно расположенных индукторов для осуществления способа;

фиг. 2 - диаграмма взаимодействия двух индукторов при пропускании через их обмотки импульсов тока постоянного направления;

фиг. 3 - диаграмма взаимодействия двух индукторов при пропускании через их обмотки переменного тока.

Способ осуществляют следующим образом.

Пропускание тока два соосно расположенных индуктора 1 и 2, жестко закрепленных на платформе 3 и находящихся на расстоянии L друг от друга (фиг. 1), вызывает силы взаимодействия между током одного из индукторов и магнитным полем другого индуктора. Индукторы в зависимости от направления токов будут притягиваться друг к другу или отталкиваться.

При пропускании через индуктор 1 импульсного тока I₁ (фиг. 2) воздействие поля, создаваемого индуктором 1, на индуктор 2 произойдет через время t_L = L : V после начала пропускания тока, где V-скорость распространения магнитного поля в среде, разделяющей индукторы.

Если в этот момент t_L начать пропускать ток I₂ того же направления через индуктор 2, то поле индуктора 1 начнет воздействовать на индуктор 2 с силой F_1-2, притягивая его к индуктору 1, причем в этот момент, как и в течение последующего промежутка времени, равного t_L, поле индуктора 2 еще не будет оказывать воздействия на индуктор 1, и, поскольку индукторы жестко связаны, вся система, как целое, придет в движение в направлении от индуктора 2 к индуктору 1.

Периодическое повторение этого процесса с частотой N, равной или меньшей 1 : 4t_L (см. фиг. 2), что необходимо для предотвращения воздействия поля индуктора 2 на индуктор 1, обеспечит прямолинейное поступательное движение всей системы. Если длительность импульса тока будет больше чем 2t_L на величину t, то поле индуктора 2 начнет воздействовать на индуктор 1 с силой F_2-1, и эффективность процесса уменьшится в (2t_L + t):2t_L раз.

Если в момент 2t_L начать пропускать через индуктор 1 ток обратного направления (фиг. 3), то с момента 2t_L и в течение последующего промежутка времени, равного 2t_L, поле индуктора 2 уже будет оказывать воздействие на индуктор 1, отталкивая его, то есть сила F_2-1, воздействующая на индуктор 1, будет иметь то же направление, что и сила F_2-1, действующая на индуктор 2. В этом случае, в установившемся режиме, сила, воздействующая на систему в целом, будет в 2 раза больше силы, воздействующей на один индуктор.

Силы, воздействующие на каждый из двух индукторов, расположенных на расстоянии L, определяемом в зависимости от частоты N токов, пропускаемых через индукторы со сдвигом по фазе, равным 0,25 периода тока, и скорости V распространения магнитного поля в среде, разделяющей индукторы, из соотношения L = V : 4N, в каждый момент времени имеют одно и то же направление, что и определяет возникновение движущей силы.

Увеличение величины L по сравнению с величиной V : 4N приводит к тому, что силы, воздействующие на индукторы, в течение части периода тока имеют различные направления, что в общем случае приводит к уменьшению эффективности способа. Кроме того, при использовании индукторов, величина индукции которых снижается с увеличением L, уменьшается и абсолютная величина сил, воздействующих на индукторы, что и определяет нецелесообразность повышения расстояния между индукторами.

Уменьшение величины L по сравнению с величиной V : 4N также приводит к тому, что силы, воздействующие на индукторы, в течение части периода тока имеют различные направления, что в общем случае могло бы привести к уменьшению эффективности способа, однако, при использовании индукторов, величина индукции которых повышается пропорционально величине 1 : L или быстрее, например пропорционально величине 1 : L², увеличивается и сила, воздействующая на индукторы, что в целом приводит к повышению результирующей движущей силы.

Однако, поскольку токи, пропускаемые через индукторы, сдвинуты по фазе, то уменьшение расстояния между индукторами до величины, равной или меньшей U : E_пр, вызовет электрический пробой, что и определяет невозможность осуществления способа при малых значениях L.

Уменьшение или увеличение величины сдвига токов по фазе (по сравнению с оптимальным значением, равным 0,25 периода тока), также приводит к тому, что силы, воздействующие на индукторы, в течение части периода тока имеют различные направления, и соответственно снижается эффективность способа. Поддержание величины сдвига по фазе в пределах уже чем 0,23-0,27 периода тока вызывает значительные трудности, тогда как в этих пределах эффективность способа падает не более чем на 1%.

Расчет влияния расстояния L, сдвига по фазе f и круговой частоты тока w = 2N на эффективности способа показал (см. ниже пример 1 осуществления способа), что для синусоидального тока сила F, воздействующая на систему в целом, пропорциональна величина sinf₁ sinf₂, где f₁ = 2LN:V и f₂ - сдвиг по фазе. Расчет также показал, что в случае отклонения фактической частоты w" от расчетной w₀ = V:2L, сила F, воздействующая на систему в целом, пропорциональна величине cos(w:2w₀), где w = w" - w₀.

Количество индукторов может быть и больше двух, требуется только, чтобы расстояние между каждой парой соседних индукторов было равно L, а сдвиг токов соседних индукторов по фазе составлял 0,23-0,27 периода.

Применение в качестве среды, разделяющей индукторы, материала со скоростью распространения магнитного поля V < C (где C - скорость света в вакууме), способствует снижению требуемой частоты пропорционально величине C : V.

Аналогичное взаимодействие будет наблюдаться между любыми индукторами, расстояние между которыми не изменяется. В качестве индукторов могут быть использованы соосно расположенные соленоиды (с сердечниками, в том числе и на общем сердечнике или без сердечников), прямолинейные параллельные проводники или параллельные пучки заряженных частиц (с отклоняющей системой) при условии, что расстояние между индукторами, частота тока и сдвиг по фазе будут связаны вышеприведенными соотношениями.

Пример 1. Применение в качестве индукторов двух находящихся в вакууме (где скорость распространения поля равна скорости света) жестко связанных параллельных проводников, через которые пропускается синусоидальный ток.

В примере представлен расчет влияния параметров способа (расстояния L между индукторами, сдвига f токов по фазе, круговой частоты тока w и частоты тока N) на эффективность способа.

Расчет выполнен для двух взаимодействующих индукторов, находящихся на фиксированном расстоянии L (закрепленных на какой-либо платформе), причем размер индукторов и длина их обмоток меньше расстояния между индукторами.

Пусть по обмотке индуктора 1 протекает синусоидальный ток

I₁ = I₀sint,

создающий в области расположения индуктора 2 индукцию

B₁ = B₀sin(wt-f₁),

где B₀ определяется конструкцией индуктора, величиной I_o и свойствами среды, разделяющей индукторы, а f₁ - сдвиг по фазе индукции, определяющийся расстоянием L между индукторами и соответственно временем запаздывания взаимодействия, а по обмотке индуктора 2 протекает ток

I₂ = I₀sin(wt-f₂),

где f₂ - заданный сдвиг по фазе, тогда в области расположения индуктора 1 будет создана индукция

B₂ = B₀sin[wt-(f₁+f₂)]

В этом случае сила F_1-2, с которой поле индуктора 1 воздействует на индуктор 2, составит (коэффициенты пропорциональности опущены)

F_1-2 = B₁ I₂ = B₀sin(wt-f₁) I₀sin(wt-f₂),

а сила F_2-1, с которой поле индуктора 2 воздействует на индуктор 1, составит соответственно

F_2-1 = -B₂ I₁ = -B₀sin[wt-(f₁+f₂)] I₀sinwt,

(знак "-" перед величиной B₂ связан с противоположным направлением поля).

Таким образом, сила F, воздействующая на систему из двух индукторов в целом, будет равна

F - F_1-2 + F_2-1

или

F=B₀I₀{sin(wt-f₁) sin(wt-f₂) - sin[wt-(f₁+f₂)]sinwt} = B₀I₀{(sinwt cosf₁ - coswt sinf₁)(sinwt cosf₂ - coswt sinf₂) - sinwt[sinwt cos(f₁+f₂) - coswt sin(f₁+f₂)]} = B₀I₀sinf₁sin₂(sin²wt + cos²wt) = B₀I₀sinf₁sin₂.

Поскольку f₁ = 2_L:T, где t_L = L : V (время запаздывания) и T = 1 : N (период колебаний), то f₁ = 2LN:V, и F имеет максимальные значения при sinf₁=sinf₂ = 1 или при f₁ = f₂ = :2,

то есть 2LN:V = : 2 и L = 4N.

Таким образом сила, воздействующая на систему из двух индукторов, будет максимальной в том случае, если

L = V : 4N и f₂ = :2.

Если через индукторы, находящиеся на расстоянии L, пропустить ток с частотой w", отличной от оптимальной w₀, и со сдвигом по фазе то можно записать

I₁ = I₀sin(w"t)

B₁ = B₀sin(w"t-f₁)

I₂ = I₀sin(w"t-f₂) = I₀sin(w"t - ) = -I₀cos(w"t)

B₂ = B₀sin[w"t-(f₁+f₂)] = B₀sin[w"t-(f₁+ )] = -B₀cos(w"t-f₁)

При этом сила, воздействующая на систему в целом, будет равна

F = I₀B₀[sinw"t cos(w"t-f₁) - cosw"t sin(w"t-f₁)] = I₀B₀sinf₁.

Поскольку f₁ = 2t_L : T" = w"t_L, где w" = w₀ + w, то

f₁ = wt_L = w₀t_L + wt_L

и

sinf₁ = sin(w₀t_L + wt_L ) при w₀t_L = :2 равен

sinf₁ = sin(wt_L + :2) = cos(wt_L) = cos(w:2w₀).

Таким образом, при малых значениях w:w₀ величина cos(w:2w₀) незначительно отличается от 1. Так, при w:w₀ = 0,05 величина cos(w:2w₀) превышает 0,99, а это означает, что неизбежные отклонения частоты тока не будет существенно влиять на движущую силу.

Поскольку для параллельных проводников величина индукции пропорциональна 1 : L, то для двух таких жестко связанных проводников, по которым протекает ток частотой 75 МГц и величиной 1A со сдвигом по фазе, равным 0,25 периода, и находящихся в вакууме на расстоянии 1 м, величина движущей силы составит 4 10^-9 H на 1 см длины проводника, что в 2 раза превышает силу взаимодействия двух аналогичных проводников в случае применения постоянного тока той же величины.

Пример 2. Применение в качестве индукторов двух находящихся в вакууме жестко связанных параллельных проводников, через которые пропускают синусоидальный ток величиной 1A частотой 75 МГц со сдвигом по фазе, равным 0,25 периода, и расстояние между которыми составляет 0,001 м, обеспечивает величину движущей силы 6,3 10^-9 H на 1 см длины проводника.

Пример 3. Применение в качестве индукторов двух жестко связанных и разделенных фарфоровой пластиной толщиной 0,001 м параллельных проводников, через которые пропускают синусоидальный ток частотой 28,3 МГц и величиной 1A со сдвигом по фазе, равным 0,25 периода (максимальная разность потенциалов между индукторами равна 8 кВ), величина движущей силы также составит 6,3 10^-9 H на 1 см длины проводника. При этом расстояние между проводниками больше величины

U : E_пр = 8 кВ : 9000 кВ/м = 0,00089 м

(9000 кВ/м - электрическая прочность фарфора). Возможность снижения частоты тока (по сравнению с примером 2) определена тем, что скорость распространения поля в фарфоре в 2,65 раза меньше, чем в вакууме.

Согласно вышеизложенным данным заявляемое изобретение в сравнении с прототипом обладает следующими преимуществами:

а) позволяет создать движущую силу в безопорном пространстве;

б) не требует относительного движения индукторов, что упрощает применение способа;

в) cила, воздействующая на систему из двух индукторов, в 2 раза больше силы, воздействующей на каждый из индукторов, что повышает эффективность способа.

Изобретение при его использовании позволяет приводить в движение объекты, находящиеся в безопорном пространстве, например космические корабли, а также осуществлять изменение их ориентации в пространстве.

По сравнению с применяющимися в настоящее время реактивными (ракетными) способами создания движущей силы данный способ отличается повышенной безопасностью и простотой изменения направления силы.