способ и устройство для создания изменяемой силы тяги или упора (варианты)

Формула изобретения

1. Способ для создания изменяемой силы тяги или упора, включающий получение с помощью многофазной электромагнитной системы или обращенного статора (ОС) перемещающегося в пограничном слое (ПС) среды магнитного поля, создание в поле серии электрических разрядов с помощью многофазного разрядного устройства (РУ), воздействие магнитным полем на разряд и на свободные электрические заряды, образование дефицита плотности массы среды в ПС и силы тяги, увеличение ее путем использования систем ОС и РУ, регулируемых в зависимости от величины статического давления и электропроводности в ПС среды, отличающийся тем, что электрические разряды производят у максимума перемещающегося магнитного поля так, чтобы длина разрядного промежутка приближалась к ширине фронта магнитного поля и разряд был поперек направлению перемещения поля, выбирают направления тока разряда РУ и магнитного потока ОС такими, чтобы сила, действующая на массу разряда, была направлена от фронта поля наружу, по направлению его перемещения; разряд производят над зубцовой зоной ОС, минимизируя его тепловое воздействие, для получения максимальной тяги устанавливают необходимую мощность и длительность разряда, а также напряженность магнитного поля над зубцами ОС движителя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при необходимости увеличения магнитной напряженности над зубцами обращенного статора и спрямления его магнитных силовых линий осуществляют магнитное шунтирование статора, оставляя между статором и шунтом необходимый зазор.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при необходимости изменения направления потока свободных электрических зарядов и присоединенной массы среды магнитное шунтирование статора осуществляют с увеличением зазора по мере перемещения к задней части движителя.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждый разрядный промежуток по его оси разбивают на участки, имеющие одно направление разрядного тока.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что участки, по мере перемещения по оси разряда к задней точке движителя, имеют увеличивающееся запаздывание начала разряда.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что на участке разрядного промежутка, у которого нет обращенного статора, разряд производят раньше, чем на других участках.

7. Устройство для создания изменяемой силы тяги или упора, включающее обращенный статор (ОС) многофазной электромагнитной системы с зубцовой зоной, обращенной наружу так, что вершины зубцов соприкасаются с пограничным слоем (ПС) среды, обтекающей внешнюю поверхность ОС и разрядного устройства (РУ) многофазной электрической системы с электродами, выходящими к ПС системы указанных ОС и РУ, сопряженных с внешней поверхностью объекта-носителя, а также систему управления и электропитания ОС и РУ, отличающееся тем, что в каждой паре ОС и РУ разрядное устройство имеет разрядный промежуток, превышающий ширину ОС, ось разрядного промежутка расположена поперек зубцовой зоны, охватывая ее, при наличии части РУ, несовмещенной с ОС и выдвинутой к передней точке движителя.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что каждая пара ОС и РУ может содержать магнитный шунт-отражатель (ШО), расположенный с зазором у вершин зубцов и электродов, ШО имеет обтекаемую форму относительно набегающего потока среды, выполнен из магнитного материала, его поверхность, обращенная к ОС и РУ, профилирована так, что поток свободных зарядов и присоединенной массы ПС, отражаясь, создает силу упора, ШО крепится к ОС кронштейнами обтекаемой формы, выполненными из немагнитного материала.

9. Устройство по п,7, отличающаяся тем, что каждый разрядный промежуток РУ имеет несколько пар электродов, расположенных у его оси, при этом вершины смежных электродов могут быть разнесены в пространстве, иметь асимметричную электрическую изоляцию, а смежные электроды подключены к разным полюсам источника электропитания.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в каждом разрядном промежутке при наличии нескольких пар электродов расстояние между электродами в каждой паре увеличивается по мере перемещения к задней точке движителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидроаэродинамике объектов, находящихся и движущихся в пространстве под действием нового движителя (электромагнитного винта). Изобретение также относится к электрическим асинхронным машинам и может быть использовано в судостроении, в ракетостроении, а также при центрифугировании заряженных частиц.

В качестве аналогов могут быть изобретения: "Способ и устройство для уменьшения сопротивления движению объектов в пространстве (варианты)" патент RU № 2313172 С2 от 16.12.2005, "Способ и устройство для создания силы упора (варианты)" патент RU № 2313467 С2 от 19.01.2006, "Способ и устройство для создания изменяемой силы тяги или упора (варианты)" патент RU № 2314969 С1 от 14.03.2006, а также трехфазный асинхронный электродвигатель Доливо-Добровольского.

В изобретении предлагается новый принцип создания тяги (упора), состоящий из электризации пограничного слоя среды, обтекающей объект, (создание свободных электрических зарядов) и придания зарядам и присоединенной массе центробежных сил от перемещающегося магнитного поля. Первое действие осуществляется разрядным устройством (РУ), а второе - обращенным статором (ОС). РУ и ОС разнесены в пространстве, что обусловлено стремлением избежать прожигание поверхности ОС и уменьшить взаимное влияние их магнитных полей. Однако такое расположение снижает эффективность движителя (часть зарядов не попадает в пространство ОС или попадает с опозданием).

В качества прототипа возьмем патент № 2314969 C1 и более подробно рассмотрим принцип работы электромагнитного винта. С помощью РУ (управляемого электрического разряда между электродами) производится электризация пограничной среды, в которой движется объект.

Пограничный слой (ПС) распадается на частицы, заряженные разноименно (плюсы и минусы), и связь между которыми нарушена (свободные заряды). Процесс электризации ограничен в пространстве и во времени, и его масштабы зависят от мощности разряда (точнее от количества ударной энергии). После электризации возникает обратный процесс, т.е. восстановление электрически нейтральной структуры. Для образования дефицита плотности среды у внешней поверхности объекта ОС должен успеть отодвинуть заряды на периферию до начало обратного процесса.

В прототипе РУ и ОС разнесены в пространстве, что снижает эффективность, КПД движителя, но повышает надежность из-за отсутствия возможности выгорания поверхности ОС. Такая конструкция приемлема при большой скорости движения объекта, при большой начальной (фоновой электризации) ПС (РУ имеет вспомогательный, характер) и при наличии шунта-отражателя (ШО).

В прототипе с помощью многофазной электромагнитной системы, имеющей равные фазные напряжения, разный и постоянный сдвиг по фазе между ними, выводят на внешнюю поверхность ОС перемещающееся магнитное поле. В ОС корпус исключен, ярмо расположено внутри, а зубцовая зона снаружи, вершины зубцов обтекаются средой, в которой движется объект. Зубцы и пазы делают узкими и глубокими. Сокращают до минимума межполюсное расстояние, увеличивая до максимума количество пар поливов. Обмотки укладывают снаружи и внешнюю поверхность ОС покрывают защитным слоем. Совмещают ось вращения магнитного поля с продольной осью симметрии объекта-носителя. Располагают перед ОС разрядное устройство РУ так, чтобы вершины его электродов выходили на внешнюю поверхность ОС или объекта. Набирают РУ из систем, количество которых равно числу фаз ОС, при этом системы и фазы запитываются от одного источника питания, чем обуславливается их синхронная работа. Располагают электроды так, чтобы разряд происходил перед фронтом перемещающегося магнитного поля. Совмещают оси вращения (перемещения) ОС и РУ. Создают над зубцовой зоной ОС магнитную напряженность, величина которой зависит от статического давления среды на корпус объекта. Создают между электродами РУ электрическую напряженность, величина которой зависит от электропроводности среды. Выбирают источник электропитания повышенного напряжения и частоты. Над зубцовой зоной ОС и частично над РУ устанавливают с зазором магнитный шунт-отражатель так, чтобы поток свободных зарядов и присоединенной массы, ударяясь во внутреннюю поверхность ШО, был параллелен внешней поверхности объекта.

С целью уточнения влияния ШО рассмотрим картину сил Лоренца, действующих на заряженные частицы (1, с.407-409), а также влияние магнитного поля на проводящий участок среды, расположенный между электродами РУ. Нависание ШО над РУ создает указанные силы. Чем больше нависание, тем сильнее проявление указанных сил. Отсутствие нависания ШО или отсутствие ШО значительно снижает эффективность электромагнитного винта (ЭМВ), так как уменьшаются силы Лоренца и силы воздействия магнитного поля ОС на проводящие участки РУ. Напомним, что ОС создает перемещающееся магнитное поле, часть которого замыкается в среде движения объекта. РУ создает систему электрических разрядов в пограничном слое среды. ОС и РУ запитываются от одного источника электропитания (многофазного переменного тока).

Целью изобретения является повышение эффективности ЭМВ, т.е. при одних и тех же энергетических затратах повысить его тягу. Цель достигается совмещением в пространстве ОС и РУ (ШО может отсутствовать).

Сущность изобретения следующая. Перед или во время максимума магнитного поля ОС производится электрический разряд в РУ. РУ расположено перед ОС и совмещено в пространстве с ОС (направление - по перемещению ПС, поле и разряд существуют в ПС). Разряд в несовмещенной части РУ производится раньше и повышает электропроводность ПС. Короткий и мощный разряд в совмещенной части РУ производится в ПС с повышенной электропроводностью, взаимодействуя с магнитным полем и создавая момент силы, направленной по касательной к кривизне перемещения магнитного поля. При этом масса разрядного промежутка ПС движется с центробежной составляющей. Одновременно ПС насыщается свободными зарядами, выходящими на периферию магнитного поля под действием сил Лоренца. В ПС образуется дефицит плотности.

Способ состоит из действий:

- Совмещаем в пространстве РУ с ОС так, чтобы длина разрядного промежутка равнялась ширине магнитного поля и была перпендикулярна направлению перемещения поля. В случае невозможности перекрытия ширины поля одним разрядом используются промежуточные контакты у РУ. При этом величина силы, действующей на массу разрядного промежутка, тем больше, чем больше магнитная индукция магнитного поля, сила разрядного тока и длина разрядного промежутка (аналогия с силой, действующей, на проводник с током в магнитном поле, 1, с.393).

- Выбираем направление тока и магнитного потока таковыми, чтобы направление силы совпадало с направлением перемещения магнитного поля.

- Проверяем неизменность направления силы при изменении направления тока и магнитного потока (приход отрицательного полупериода напряжения питания). Сила направлена по касательной к кривизне поверхности ОС, т.е. имеет центробежную составляющую, определяющую дефицит плотности среды в ПС.

- Располагаем вершины электродов РУ над соответствующим зубцом ОС, а ось разрядного промежутка - поперек линии перемещения магнитного поля.

- Располагаем часть РУ перед ОС, предварительно определив его необходимую ширину (размер поперек линии перемещения магнитного поля).

- Выбираем оптимальную величину возвышения электродов РУ над поверхностью ОС, что является компромиссом между надежностью, сопротивлением потоку среды и уменьшением индукции.

- Выбираем начало разряда относительно максимума магнитного потока. Руководствуемся тем, что длительность разряда должна составлять часть полупериода изменения напряжения питания, сосредоточенная по обе стороны его максимума. При этом расположение асимметричное (напряжение зажигания, пробоя больше напряжения угасания). Учитываем, что ОС обладает большей инерционностью, чем РУ, (напряжение на входе ОС возрастает и убывает более медленно за счет противоэлектродвижущей силы магнитной системы по сравнению с напряжением на электродах РУ).

- Выбираем и устанавливаем оптимальную величину напряжения зажигания РУ (пробоя разрядного промежутка) с учетом его падения после пробоя. При этом уменьшенное напряжение не должно равняться или быть ниже напряжения угасания РУ.

- Устанавливаем оптимальную величину зазора (промежутка) между электродами РУ. В случае необходимости устанавливаются промежуточные пары электродов.

- Устанавливаем оптимальную площадь электродов, пропорционально зависящую от мощности РУ (мощности ЭМВ).

- Устанавливаем последовательно с разрядным промежутком РУ добавочные (гасящие) сопротивления. Устанавливаем их оптимальную величину и мощность.

- Ориентируем систему электродов, осуществляющих разряд, поперек перемещения магнитного поля ОС. При наличии скоса пазов и зубцов ОС осуществляем аналогичный скос оси разрядного промежутка.

- Устанавливаем необходимый шаг между двумя соседними системами электродов, осуществляющих два последовательных разряда. При числе пар полюсов ОС, равном максимуму, шаг равен полюсному расстоянию.

- Определяем оптимальную длительность разряда, учитывая следующее: ее наибольшее значение ограничено величиной полупериода питающего напряжения, допустимым нагревом электродов и защитного слоя OС, необходимым количеством свободных зарядов при максимальном использовании магнитного потока и привязкой разряда к неподвижным электродам. Последнее тормозит движение зарядов и присоединенной массы ПС в магнитном поле ОС и вынуждает сократить длительность разряда до минимума.

- Определяем необходимую мощность разряда, учитывая, что разряд должен быть коротким по времени, мощным и пронизывать объем, занимаемый магнитным потоком одного полюса (предельное требование).

- Выбираем необходимые геометрические размеры электродов РУ: длину, ширину и высоту. Длина (размер по направлению перемещения магнитного потока ОС) должна равняться длине магнитного потока максимум).

Толщина определяется допустимой плотностью среднего значения тока, проходящего через электрод , , где I_p - ток разряда, j - плотность тока, S - площадь поперечного сечения электрода, - длина электрода, b - толщина электрода.

- Разбиваем по оси движителя каждый разрядный промежуток на неравные подучастки, увеличивая их длину, напряжение зажигания и его начало по мере перемещения от передней точки оси к задней. Указанное обеспечивает более поздний разряд и образование дефицита плотности на дальних подучастках. В течении части полупериода изменения напряжения питания дефицит перемещается по оси назад.

- Разбиваем по оси движителя разрядный промежуток на два подучастка: предварительный и основной. Предварительный не совмещен с ОС и на нем производится первичная электризация ПС (увеличение электропроводности).

- При необходимости изменяем напряженность магнитного поля ОС у его внешней поверхности (увеличиваем по модулю и делаем направление поля перпендикулярным) путем размещения над зубцовой зоной ОС магнитного шунта - отражателя, ШО с зазором.

- Регулируем величину зазора между ОС и ШО, добиваясь наибольшего упора.

- Формируем (скашиваем) внутреннюю поверхность ШО, изменяя направление потока зарядов и массы ПС и добиваясь наибольшего упора.

- При необходимости охвата разрядом значительного расстояния (ограничения по напряжению и мощности) разрядный промежуток разбиваем на участки разряда и покоя. Участки разряда должны иметь разрядный ток одного направления. Отсутствие разрядного тока на участках покоя может обеспечиваться как геометрически (разнесение смежных электродов в пространстве), так и за счет асимметричной изоляции вершин электродов.

- Синхронизируем максимумы магнитного поля и тока разряда, изменяя постоянную времени цепи разряда. Ограничиваем сверху силу разрядного тока, учитывая необходимость выполнения неравенства F_oс >F_ру где магнитодвижущие силы, МДС ОС - F_ос и РУ - F_py, I_ру - сила разрядного тока, I_oc - сила тока ОС, W_oc - количество витков ОС, W_py - количество витков РУ (W_ру=1), F =I·W.

- С целью получения наименьшего значения импульса торможения от электрического поля электродов разряд делаем коротким. При большой скорости перемещения магнитного поля и коротком разряде электромагнитное воздействие на ПС получается ударным.

Поясним изложенное, рассматривая формулу для полной силы Лоренца

,

где - сила, действующая на заряд со стороны электрического поля электродов РУ, - сила, действующая на заряд со стороны магнитного поля ОС, е - величина заряда, - напряженность электрического поля, - напряженность магнитного поля, - скорость перемещения магнитного поля относительно заряда.

Сила направлена от электрода к электроду в соответствии с направлением вектора . Она обеспечивает наполнение объема, занимаемого магнитным полем, свободными электрическими зарядами, в том числе и от вторичной эмиссии. Эта сила тормозит и искривляет траекторию выхода заряда из магнитного поля. Величина импульса этой силы обуславливается удовлетворением указанных взаимоисключающих факторов. Время действия этой силы (время разряда) должно быть значительно меньше полупериода изменения магнитного поля или полупериода напряжения питания. Наполнение объема должно обеспечиваться за счет увеличения мощности разряда.

Сила направлена перпендикулярно векторам и (векторное произведение двух векторов). Во время разряда относительная скорость значительно превышает скорость после его окончания. Упрощая, считаем, что электроны при разряде поперек перемещения магнитного поля перемещаются со скоростью 3·10⁸ м/с, а после разряда они неподвижны. При этом скорость равна скорости перемещения магнитного поля относительно внешней поверхности ОС, т.е. Df/p, где: f - частота изменения напряжения питания ОС, р - количество пар полюсов, D - внешний диаметр ОС. Принимая: f=10⁴ Гц, Д=2 м, Р=50, получим Отношение скоростей при разряде и после разряда составляет 2,4·10⁵.

Таким образом, сила Лоренца во время разряда значительно превышает силу после разряда. Тяга движителя пропорционально зависит от выталкиваемой массы среды. Масса электрона (он является основным объектом действия силы во время разряда) примерно в 2000 раз меньше массы протона, что заставляет ориентироваться на этот заряд. Он является вторичным продуктом разряда, имеет меньшую скорость притяжения к отрицательному электроду РУ, меньшую скорость и силу . Однако протоны, обладая большой массой, определяют закономерности движения присоединенной массы в ПС, при этом последняя в несколько раз превосходит общую массу протонов. Правило левой руки (см. л.3) учитывает изложенное, используя техническое направление тока (от + к -).

После окончания разряда и насыщения ПС свободными зарядами на последние действует только сила . Известно, что в однородном магнитном поле (H=const) при перпендикулярной направлению поля, сила лежит в плоскости движения, заряд описывает окружность радиуса ,

где m - масса заряда. Если скорость неперпендикулярна направлению магнитного поля, то траектория заряда подобна спирали. Заряд описывает винтовую линию, "навитую" на пучок магнитных силовых линий (случай использования ШО). В неоднородном магнитном поле траектория движения заряда более сложная (подобие расходящейся спирали, случай без ШО). При этом движение заряда происходит от внешней поверхности ОС наружу.

Здесь уместна аналогия с асинхронным двигателем, имеющим ротор с "беличьей клеткой", в стержнях которой от вращающегося магнитного поля наводятся токи. Они взаимодействуют с магнитным полем, создавая момент вращения. Ротор вращается со скольжением в расточке статора.

В предлагаемом изобретении роль "беличьей клетки" (ее стержней) играют разрядные промежутки, равномерно распределенные по внешней поверхности ОС. В разрядных промежутках токи создаются в основном источником питаниям. Эти токи, протекающие в ПС среды поперек движению магнитного поля ОС, взаимодействуют с полем, создавая момент перемещения (вращения), приложенный к зарядам ПС. Разрядные промежутки ("стержни") не исчезают после разряда. Между электродами существует электрическое поле в течение всего периода изменения напряжения питания и оно обуславливает "привязку" зарядов. Однако она значительно ослаблена и преодолевается первоначальным импульсом сил Лоренца. Диффузия энергии этого импульса определяет общую картину движения ПС.

Очень большие потери магнитодвижущей силы в промежутке между полюсами ОС (вода, воздух, безвоздушное пространство, случай без ШО) компенсируются подключением разрядных промежутков ("стержней беличьей клетки") к источнику электропитания, в котором возможна регулировка тока РУ, т.е. гибкая компенсация. Неподвижные разрядные промежутки благодаря импульсному режиму их работы и перемещающемуся магнитному полю становятся подвижными, подобно ротору, но без связи между стержнями (грубая аналогия).

В случав асинхронного двигателя электромагнитная система ротора зависит от статора и нагрузки. Чем больше частота и величина напряжения питания статора (скорость перемещения и напряженность магнитного поля в его расточке) и чем меньше нагрузка на валу ротора, тем выше его скорость. Коэффициент полезного действия, КПД такой системы, зависит от потерь в статоре (полное сопротивление статора), потерь в воздушном зазоре между статором и ротором и потерь в роторе (полное сопротивление ротора плюс трение в опорах). Последнее является основным.

В случае ОС нет перемещения тела (ротора) и нет потерь в опорах, что обуславливает более высокий КПД предлагаемой системы. Другим преимуществом является поступление энергии по двум каналам: ОС и РУ, что разгружает каналы и повышает надежность системы. При этом облегчаются требования к магнитным характеристикам статора (снимаются ограничения). Недостатком является повышение тепловой изоляции защитного покрытия внешней поверхности ОС, что заставило автора разнести в пространстве ОС и РУ (см.3 и 4).

Дополняя, отметим, что эффективному ЭМВ характерно: большое количество пар полюсов ОС, большое количество разрядных промежутков (пар электродов) РУ, малое межполюсное расстояние ОС, большой внешний диаметр (большой момент вращения) ОС а также повышенные напряжение и частота электропитания. При использовании ШО возможно уменьшение количества пар полюсов.

Электромагнитный винт является, логическим развитием и универсализацией принципов асинхронного электродвигателя Доливо-Добровольского. Обращение электромагнитной системы наружу (ОС), создание "беличьей клетки " с мягкими отрывными стержнями (РУ) позволило трансформировать принцип электродвигателя на винт-движитель.

Сущность устройства следующая.

Аналогично прототипу ОС система ОС, электропитание ОС и электропитание системы ОС, управление и коммутация ОС, а также источника электропитания, вспомогательные системы измерения давления и электропроводности среды и их сопряжение с ОС и РУ.

Изменена конструкция РУ и она следующая. РУ имеет ширину, равную ширине ОС, плюс ширина выдвинутой вперед несовмещенной с ОС части. РУ является многофазной высоковольтной электрической разрядной системой, разрядные промежутки которой равномерно распределены над внешней поверхностью OC, выдвинуты вперед к носовой части движителя, занимая пространство вне ОС, и ориентированы своими осями поперек движению магнитного поля ОС. Разрядные промежутки могут быть разбиты на участки, имеющие разрядный ток одного направления. Вершины электродов должны выходить в магнитное поле ОС в места с наибольшей индукцией: над зубцом (у его края), над пазом. Разряд должен охватывать поле ОС. Элeктpoды выполнены из немагнитного материала, подключены к источнику электропитания через пазовое пространство. Внешняя поверхность движителя, над которой производится разряды, покрыта усиленным теплозащитным слоем.

При разбиении разрядного промежутка на участки для избежания паразитного разряда противоположного направлении вершины смежных электродов могут быть разнесены в пространстве и иметь дополнительную асимметричную изоляцию. С целью увеличения запаздывания начало разряда по мере перемещения к задней точки движителя увеличивают расстояние между электродами участка разряда. Участки имеют параллельное подключение к источнику питания. Последовательно с электродами каждого участка могут быть включены добавочные сопротивления. Количество участок определяется шириной ОС. Разрядный промежуток подключается к одной фазе электропитания. В магнитном поле одной фазы могут размещаться два разрядных промежутка, подключенных к одной фазе. Наибольшее количество разрядных промежутков может равняться количеству зубцов ОС.

Над ОС может располагаться ШО, охватывая с зазором его внешнюю поверхность. ШО выполнен из магнитного материала, имеет обтекаемую форму и крепится к ОС кронштейнами из немагнитного материала. Поверхность ШО, обращенная к ОС, профилирована (скошена) так, чтобы поток свободных зарядов и присоединенной массы, отражаясь от нее, был направлен параллельно поверхности ОС, к задней точке движителя (в зазор между ОС и ШО следующей пары). Ширина ШО может равняться ширине ОС.

На фиг.1 схематичное изображен фрагмент ОС и РУ при количестве пар полюсов, равном максимуму.

Здесь: 1 - ОС, 2 - РУ, 3 - зубец ОС, 4 - паз, 5 - вершина электрода РУ, 6 - обмотка ОС. Смещение оси контактов РУ относительно оси зубца производится при настройке. На фиг.1 отсутствуют схемы подключения ОС и РУ к источнику питания и ШО.

Источники информации

1. Яворский Б.М. Справочник по физике. - М.: Физико-математическая литература, 1963.

2. Пашуков Е.Б. Устройство для создания перемещающегося магнитного поля. Патент № 2314625 от 21.11.2005.

3. Пашуков Е.Б. Способ и устройство для уменьшения сопротивления движению объектов в пространстве. Патент № 2313172 от 16.12.2005.

4. Пашуков Е.Б. Способ и устройство для создания изменяемой силы тяги или упора. Патент № 2314969 от 14.03.2006.