способ создания вращающего момента

Формула изобретения

Способ создания вращающего момента, заключающийся в том, что на цилиндрический диэлектрик, насаженный через цилиндрический электропроводящий электрод и электроизоляцию на вал и обладающий магнитными свойствами, воздействуют постоянным магнитным и пульсирующим электрическим полями, силовые линии которых в зоне взаимодействия скрещиваются так, что сила Ампера, возникающая в результате взаимодействия полей, направлена в одну сторону по касательной к каждому поперечному сечению цилиндрического диэлектрика, создавая вращающий момент, отличающийся тем, что в качестве источника постоянного магнитного поля используют короткозамкнутый заряженный электрическим постоянным током высокотемпературный сверхпроводящий соленоид, а для создания пульсирующего электрического поля применяют два цилиндрических электропроводящих электрода, аксиально охватывающих цилиндрический диэлектрик, запитываемых от генератора пульсирующего напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обеспечения движения машин и механизмов, например транспортных средств.

Известен способ получения тяги (патент РФ № 2172865, кл. F03H 5/00, 27.08.2001, бюл. № 24), заключающийся в том, что электрически изолированные источники электрического и магнитного полей с подключенными к ним источниками электрического тока устанавливают с возможностью взаимодействия этих полей, отличающийся тем, что источник электрического поля выполняют в виде металлических обкладок, установленных на двух противоположных сторонах плоского или цилиндрического сердечника из магнитного диэлектрического материала, прикрепляют к нему источник магнитного поля и синфазно или в противофазе изменяют величину магнитного поля и скорость изменения электрического поля.

Недостатки аналога. В данном способе источник магнитного поля порождает вокруг себя высокочастотное электромагнитное излучение, которое воздействует на металлические проводящие обкладки источника электрического поля. В результате в них возникают вихревые токи, что ведет к дополнительным тепловым потерям, ограничивает используемые мощности, ослабляет воздействие магнитного поля на сердечник. Кроме того, применяемая в этом способе конфигурация источников полей затрудняет использование данного способа для создания вращающего момента.

Известен способ создания силы и устройство для создания силы (патент РФ 2287085, кл. F03H 5/00, 10.11.2006, бюл. № 31), заключающийся в том, что на изолятор, обладающий диэлектрическими и магнитными свойствами, одновременно воздействуют переменным магнитным и переменным электрическим полями, силовые линии которых в зоне взаимодействия скрещиваются. Поля изменяются по гармоническому закону со сдвигом фазы электрического поля по отношению к магнитному на четверть периода так, что сила Лоренца, возникающая в результате взаимодействия полей, направлена всегда в одну сторону. В качестве источника магнитного поля используют индуктор, выполненный в виде протяженного электропроводящего стержня, в котором создают переменный электрический ток, а для создания электрического поля применяют электрод, установленный с возможностью электромагнитного взаимодействия с индуктором магнитного поля, выполненный в виде электропроводящей оболочки, эквидистантной по отношению к боковой поверхности индуктора и изолированной от него изолятором, обладающим магнитными свойствами. Для создания электрического поля между индуктором и электродом на электрод подают переменное напряжение относительно индуктора магнитного поля. Принят за прототип.

Недостатки прототипа. В данном способе переменный ток смещения, возникающий между электродом и индуктором, создает переменное высокочастотное магнитное поле. При воздействии высокочастотным магнитным полем на металлический индуктор в нем возникают вихревые токи, что ведет к дополнительным тепловым потерям. Вихревые токи возникают также и в самом индукторе - металлическом стержне, так как по нему пропускается переменный ток - источник переменного магнитного поля. Ко второму недостатку следует отнести получение слабых магнитных полей при применении проводников с прямым током, а следовательно, и малых вращающих моментов. Кроме того, применяемая схема размещения источников полей затрудняет создание вращающего момента.

Технический результат изобретения - способ создания вращающего момента, который позволяет разработать устройства, отличающиеся от аналогов высоким значением вращающего момента по отношению к массе и габаритам устройства, простотой его создания, минимизацией потерь на электромагнитное излучение и вихревые токи и минимизацией затрат энергии на поддержание вращающего момента.

Технический результат достигается тем, что на диэлектрик, обладающий магнитными свойствами, непрерывно воздействуют постоянным магнитным полем и периодически с некоторой частотой - электрическим полем одного направления. Силовые линии полей в зоне взаимодействия (в диэлектрике) скрещиваются. Силы Лоренца, возникающие в результате воздействия магнитного поля на движущиеся в одном направлении (в соответствии с периодически прикладываемым электрическим полем) связанные электрические заряды в диэлектрике, направлены по касательным к сечениям цилиндрического диэлектрика и создают вращающий момент. По изобретению в качестве источника постоянного магнитного поля используют короткозамкнутый соленоид с обмоткой из высокотемпературного сверхпроводящего материала азотного уровня (77 К). Сверхпроводящий соленоид не требует непрерывной подачи электрического тока, поскольку подключенный к нему однажды от источника питания электрический ток циркулирует в нем бесконечно долго, если поддерживать температуру сверхпроводника не выше критической (Тк=77 К) [Бертинов А.И., Алиевский Б.Л., Илюшин К.В. и др. Сверхпроводниковые электрические машины и магнитные системы. Учебное пособие для ВУЗов по спец. «Электромеханика». Под ред. Алиевского Б.Л. - М.: Изд. МАИ, 1993, 344 с.]. Для создания в диэлектрике пульсирующего электрического поля применяют два цилиндрических электропроводящих электрода, аксиально охватывающих цилиндрический диэлектрик, запитываемых от генератора пульсирующего напряжения одной полярности, установленных с возможностью взаимодействия с магнитным полем соленоида. Один электрод коаксиально посажен через электрическую изоляцию на металлический вал, а второй также коаксиально посажен на цилиндрический диэлектрик, в свою очередь коаксиально охватывающий первый электрод.

Отличием заявленного способа от прототипа является то, что в заявленном способе используются постоянное магнитное поле и пульсирующее электрическое поле одного направления, что исключает возникновение вихревых токов и связанных с ними тепловых потерь. Кроме того, в заявленном способе используется несравненно более простая схема создания вращающего момента.

Преимуществом заявленного способа является то, что в нем в качестве источника постоянного магнитного поля используется короткозамкнутый соленоид со сверхпроводящей обмоткой, имеющей нулевое сопротивление, что позволяет на порядок увеличить ток, создающий магнитное поле, большие вращающие моменты. Изобретение поясняется чертежами: Фиг.1-3.

На Фиг.1 цифрами обозначено: 1 - металлический вал; 2 - электроизоляция вала от электрода; 3 - первый электропроводящий цилиндрический электрод; 4 - цилиндрический диэлектрик, обладающий магнитными свойствами; 5 - второй электропроводящий цилиндрический электрод; 6 - воздушный зазор между цилиндрическим диэлектриком и соленоидом; 7 - криостат с жидким азотом; 8 - обмотка соленоида из высокотемпературного сверхпроводящего материала; 9 - генератор пульсирующего однополярного напряжения, подаваемого на электроды 3 и 5; 10 - криогенератор, поддерживающий в криостате температуру азотного уровня (77 К).

На Фиг.2 обозначено: В - вектор индукции постоянного магнитного поля соленоида; q - связанный заряд в диэлектрике; v - скорость движения связанного заряда q при подаче на электроды 3 и 5 пульсирующего напряжения одного направления от генератора 9; Fл - вектор силы Лоренца, действующей со стороны магнитного поля на движущийся связанный заряд в диэлектрике; L - длина цилиндрического диэлектрика.

На Фиг.3 обозначено: Fa - сила Ампера, равнодействующая всех сил Лоренца, действующих на движущиеся связанные заряды диэлектрика со стороны постоянного магнитного поля соленоида; Fa^max - максимальное значение силы Ампера, возникающей в процессе поляризации диэлектрика; _п - время релаксации, равное продолжительности движения связанных зарядов в диэлектрике от момента подачи внешнего электрического поля до равновесного их состояния; Т - период подачи электрического поля одного направления; Fa^ср - среднее значение силы Ампера, действующей на диэлектрик и создающей вращающий момент.

Способ реализуется следующим образом.

В качестве источника постоянного магнитного поля используется короткозамкнутый соленоид с обмоткой из высокотемпературного сверхпроводящего материала. Для создания пульсирующего электрического поля одного направления используются два электрода. Оба электрода выполнены в виде электропроводящих цилиндрических оболочек. Один электрод (3) через электроизоляцию (2) посажен на вал (1), который может вращаться внутри соленоида. Геометрическая ось вала совпадает с геометрической осью соленоида (см. Фиг.1). Этот электрод (3) изолирован от второго электрода (5) посредством цилиндрического диэлектрика (4), расположенного коаксиально первому и обладающего магнитными свойствами, т.е. способного пропускать магнитное поле от соленоида. Второй электрод (5) посажен коаксиально на цилиндрический диэлектрик (4) и изолирован от соленоида посредством воздушного зазора (6).

На электроды периодически (с некоторой частотой) подается однополярное напряжение от генератора (9), создающее между электродами пульсирующее электрическое поле одного направления. В результате воздействия этого поля на диэлектрик (4), расположенный между электродами (3) и (5), последний (диэлектрик) периодически поляризуется. Это означает, что в диэлектрике (4) в соответствии с прикладываемым электрическим полем возникает движение связанных электрических зарядов (ток поляризации) в одном направлении. Взаимодействие постоянного магнитного поля соленоида и периодически движущихся перпендикулярно ему зарядов одного направления приводит к возникновению периодически действующей на цилиндрический диэлектрик силы Ампера одного направления как равнодействующей сил Лоренца, действующих на отдельно взятые электрические заряды. Усредненные по времени силы Ампера (Фиг.3) действуют по всему периметру каждого сечения цилиндрического диэлектрика, создавая момент, приводящий вал с посаженным на него диэлектриком во вращение (см. Фиг.2).

Для целей компенсации теплопритоков (внешних - от окружающей среды и внутренних - через воздушный зазор от вращающегося диэлектрика) к сверхпроводящей обмотке соленоида служит криогенератор (10), поддерживающий в криостате (7) (в который помещена сверхпроводящая обмотка соленоида (8) температуру азотного уровня (77 К).

Изобретение обеспечивает получение больших вращающих моментов благодаря возможности создания внутри сверхпроводящего соленоида больших магнитных полей при малых затратах энергии для их поддержания.