Привод поступательного перемещения

 

Изобретение может быть использовано в качестве привода средств транспорта, в том числе электромобилей. Изобретение обеспечивает расширение технологических возможностей применения при одновременном снижении потерь в приводе и его сложности. Привод поступательного перемещения содержит источник 1 регулируемой ЭДС и двигатель 2. Источник 1 регулируемой ЭДС состоит из преобразователя 3 и генератора 4. Преобразователь 3 и генератор 4 соединены своими валами через муфту 5 и образуют электромеханическое устройство типа мотор-генератор. Часть энергии преобразователя 3 отводится в аккумулятор 6, от которого через ключ 7 и ключ 8 поступает энергопитание обмотки возбуждения генератора 4 и обмотки 9 возбуждения двигателя 2. Электросиловой вывод генератора 4 через шину 10(+) и шину 11(-) подключены к проводнику 12 кольцевой формы двигателя 2. Проводник 12 и обмотка 9 возбуждения двигателя расположены каждый в своем кольцевом пазу магнитопровода 13 соосно последнему и жестко в нем закреплены. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве привода средств транспорта.

Известно, что привод средств транспорта отличается высоким разнообразием. Как правило, он состоит из источника энергии, преобразователя энергии, трансмиссии [1,2]. Источником энергии могут быть химическая энергия топлива, источник электродвижущей силы (ЭДС), накопители энергии автономные (аккумуляторы, маховики и т. п. ). Преобразователи могут быть тепловые (двигатели внутреннего сгорания, турбины и т.п.), электрические (электрические двигатели постоянного и переменного тока) совместно с регулятором тока или напряжения. Трансмиссии - коробки передач, различные валы и т.п.

Недостатком известных приводов поступательного перемещения являются высокая сложность изготовления и эксплуатации, наличие большой массы подвижных систем с низкой энергетикой на различных ступенях преобразования разного рода движений, ограничивающих технологические возможности применения.

Известен привод дисколета [3]. Сущность известного привода заключается в том, что в плоскости кругового проводника с током создано радиальное магнитное поле. Его обеспечивают плоские прямоугольные соленоиды. Как следствие, на проводник (он закреплен на дисколете) действует сила Ампера - она-то и потянет всю конструкцию. Радиальные силы, действующие на обмотки соленоидов от кругового проводника с током, взаимно компенсируются и не влияют на движущую силу. Направление перемещения управляется перемещением вектора силы тяги, а величина силы тяги управляется величиной тока кругового проводника или его заряда. Сила тяги ограничена проводимостью кругового проводника, индукцией соленоидов и прочностью конструкции. Продолжительность работы ограничена запасом энергии, обеспечивающей токи в соленоидах и проводнике.

Технический результат, достигаемый изобретением, - расширение технологических возможностей применения при одновременном снижении потерь в приводе и его сложности.

Это достигается тем, что в приводе поступательного перемещения, содержащем источник энергии и двигатель, в плоскости кругового проводника с током которого расположен соленоид обмотки возбуждения, подключенный к источнику энергии, последний выполнен в виде источника регулируемой ЭДС, круговой проводник жестко закреплен в кольцевом пазу магнитопровода двигателя, в другом кольцевом пазу магнитопровода двигателя также жестко закреплен соленоид обмотки возбуждения, причем пазы выполнены соосно магнитопроводу, а противоположные концы кругового проводника подключены к источнику ЭДС. Источник регулируемой ЭДС выполнен в виде электромеханической системы двигателя внутреннего сгорания и генератора, например униполярного; или в виде электрически связанных полупроводникового преобразователя и аккумуляторной батареи. Магнитопровод выполнен в виде постоянного магнита.

Сравнение заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый привод поступательного перемещения отличается тем, что источник энергии выполнен в виде источника регулируемой ЭДС, круговой проводник выполнен в кольцевом пазу магнитопровода двигателя, в другом кольцевом пазу магнитопровода двигателя также жестко закреплен соленоид обмотки возбуждения, причем пазы выполнены соосно магнитопроводу, а противоположные концы кругового проводника подключены к источнику ЭДС. Источник регулируемой ЭДС выполнен в виде электромеханической системы двигателя внутреннего сгорания и генератора, например униполярного; или в виде электрически связанных полупроводникового преобразователя и аккумуляторной батареи. Магнитопровод выполнен в виде постоянного магнита.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них данной совокупности признаков, а именно вышеуказанная совокупность признаков позволяет достигнуть необходимого технического результата - расширения технологических возможностей применения при одновременном снижении потерь в приводе и его сложности.

Предлагаемое техническое решение может быть реализовано в качестве привода поступательного перемещения средств транспорта, при этом необходимым и достаточным условием для его реализации является наличие источника регулируемой ЭДС для питания предлагаемого электродвигателя привода. Известно, что сила, действующая в магнитном поле, и энергия магнитного поля есть взаимно обуславливаемые явления. При наложении (суперпозиции) нескольких магнитных полей (например, полей постоянного магнита, магнита с обмоткой возбуждения и проводника(ов) с током) сила, действующая в результирующем поле, определяется поведением его силовых линий.

Сила, действующая на движущийся заряд в магнитном поле, носит название силы Лоренца (то же в проводнике - сила Ампера), направление и величина которой описывается выражением FL = Q V B, (1) где Q - заряд; V - скорость, векторная величина; B - индукция, векторная величина.

В частном случае носителем заряда является электрон. Для электрона, двигающегося перпендикулярно направлению индукции магнитного поля, формула упрощается FL = e V B, (2) где e - заряд электрона.

Так как сила FL действует перпендикулярно вектору скорости V и индукции B, она создает центростремительное ускорение, т.е. изменяет направление вектора скорости V, не меняя ее величины. Поэтому электрон движется в магнитном поле по окружности. При этом абсолютная величина скорости, а следовательно, и импульса остается прежней, а вот вектор (направление) меняется вплоть до противоположного. Следствием силы Лоренца является сила Ампера - она действует не на отдельно заряженную частицу, а на проводник с током (объемный заряд).

Согласно квантовой теории любое поле, в том числе и магнитное, - форма пространственно энергетического состояния вакуума. Переносчиком силового взаимодействия в нем выступают виртуальные фотоны - коротко живущие кванты энергии. Поэтому систему, в которой мы учитываем магнитные силы, нельзя считать замкнутой, так как в нее вторгается физический вакуум. Известно, что если система замкнута, то ее суммарный импульс (или количество движения) всегда равен нулю. Все силы в ней опираются на внутренние "элементы" системы. Пример - механическая система. Значит в силу собственной физической природы силы Лоренца и Ампера не бывают внутренними. Поэтому, используя их взаимодействие с физическим вакуумом (конкретно с магнитным полем, созданным в системе), можно построить привод поступательного перемещения, в том числе и для средств транспорта.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого привода поступательного перемещения некоторого тела массой Mt (масса привода входит в состав суммарной массы Mt); на фиг. 2 - схема продольного сечения двигателя и его энергопитание; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2.

Предложенный привод состоит из источника 1 регулируемой ЭДС и двигателя 2 привода. В свою очередь, источник 1 регулируемой ЭДС (далее источник 1 ЭДС) состоит из преобразователя 3, например химической энергии топлива через тепловую в механическую на основе двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и генератора 4, например униполярного. Преобразователь 3 и генератор 4 соединены своими валами через муфту 5 и образовали электромеханическое устройство типа мотор-генератор. Преобразователь 3 соединен с аккумулятором 6, который через ключи 7 и 8 соединен с обмотками 9 возбуждения двигателя 2. При этом ключ 8 для двигателя 2 выполнен реверсивным. Обмотки возбуждения генератора 4 соединены с аккумулятором 6 через ключ 7 и с двигателем 2 через ключ 8. Электросиловой вывод генератора 4 через шину 10(+) и шину 11(-) подключен к проводнику 12 кольцевой формы двигателя 2. Проводник 12 и обмотки 9 возбуждения двигателя 2 расположены каждый в своем кольцевом пазу магнитопровода 13 соосно последнему и жестко закреплены в нем. Ось магнитопровода 13 обозначена под номером 14, магнитные силовые линии 15 магнитной индукции 8, вектор 16 скорости движения носителей заряда V. Магнитопровод 13 в данном схемном изображении имеет цилиндрическую форму. Вообще число двигателей 2 может быть более одного. Необходимо только выполнить условие, чтобы их суммарная мощность не превышала мощности источника 1 регулируемой ЭДС, исходя из соображений минимального массогабарита.

Линейная скорость V при равномерном движении, в том числе и носителей заряда Q, при радиусе r кольцевого проводника 12 тока составит V = 2 pi r/t, (3) где pi = 3,14159...; t - время, с.

Электрический заряд через проводник 12 за то же время t составит
Q = I t, (4)
где I - ток от источника 1 ЭДС через шины 10 и 11.

Тогда исходя из формулы (1) сила Лоренца составит
FL = I t (2 pi r/t) B. (5)
Согласно закону полного тока для расчета магнитных систем можно записать
Hn Ln + Hm + Lm = Iv Wv, (6)
где Hn = Bn/M0; (7)
Hm = Bm/Mm; (8)
Hn - напряженность магнитного поля через поперечное сечение проводника 12;
Ln - толщина проводника 12;
Hm - напряженность магнитного поля в магнитопроводе 13;
Lm - длина магнитной силовой линии 15 в магнитопроводе 13;
Bn - индукция магнитного поля в поперечном сечении проводника 12;
Bm - индукция магнитного поля в магнитопроводе 13;
M0 = 4 pi 1e-7 - магнитная постоянная;
Mm - магнитная проницаемость материала магнитопровода 13;
Iv - ток возбуждения обмотки 9 возбуждения;
Wv - число витков обмотки 9 возбуждения.

Формула (6) принимает вид
(Bn Ln/M0) + (Bm Lm/M0/Mm) = Iv Wv. (9)
Тогда индукция магнитного поля обмотки 9 возбуждения через проводник 12 на длине магнитной силовой линии Ln, равной толщине проводника 12, составит
Bn = M0 (Iv Wv - Bm Lm/M0/Mm)/Ln. (10)
С учетом (10) формула (5) принимает вид
FL = I 2 pi r M0 (Iv Wv - Bm Lm/M0/Mm)/Ln. (11)
Из формулы (11) следует, что все величины формулы (11) при Iv = const (по величине) зависят от геометрии двигателя, кроме силы тока I через проводник 12. Если знак тока Iv поменять на обратный ключом 8, то знак силы FL также поменяется на обратный исходному, т.е. осуществляется реверс силы тяги FL двигателя 2.

Известно, что величина ЭДС генератора 4 (униполярного) в общем виде может быть представлена
E = Lr Rr Wr Br, (12)
где Lr - длина ротора генератора 4;
Rr - радиус ротора генератора 4;
Wr - угловая частота ротора генератора 4;
Br - индукция обмотки возбуждения магнитопровода генератора 4 (расчет по формулам закона полного тока подобным (6)).

Из формулы (12) следует что величина ЭДС генератора 4
E = Wr Cr, (13)
где Cr - магнитная постоянная генератора;
Wr - переменная угловая частота вращения ротора генератора 4,
возникает при изменении частоты вращения преобразователя 3 (например ДВС) путем изменения подачи энергоносителя (топлива) согласно заданных условий изменения частоты Wr. Следовательно, в целом комплекс преобразователя 3 и генератора 4 выступает как источник 2 регулируемой ЭДС.

Согласно закону Ома для полной цепи (постоянного тока)
I = E/(Rн + Rвн), (14)
где Rн - сопротивление шин 10 и 11 кольцевого проводника 12, т.е. внешней нагрузки,
Rвн - внутренне сопротивление генератора 4.

Согласно второму закону Ньютона
At = Ft/Mt, (15)
где At - ускорение тела массой Mt;
Ft - сила, действующая на тело.

Если предлагаемый привод установить на подвижную платформу с суммарной массой Mt, то тело придет в ускоренное движение согласно (15), так как в качестве силы тяги Ft выступит сила FL
Ft = FL. (16)
С учетом (11), (14), (16) уравнение (15) принимает вид
At = FL/Mt = (+/-)E Cp/Mt, (17)
где Cp - постоянная привода поступательного перемещения, пропорциональная его установленной мощности и геометрии двигателя 2.

От знака (+/-) у ЭДС E зависит знак ускорения At, с которым движется тело массой Mt.

Согласно вышеизложенному и изображению по фиг. 3 для тока I, движущегося перпендикулярно индукции Bn магнитного поля магнитопровода 13 со скоростью V, сила тяги типа FL направлена перпендикулярно плоскости чертежа. Таким образом, согласно приведенной конструкции двигателя 2 привода сила Лоренца возникает перпендикулярно скорости V носителей заряда и направлению индукции Bn, она создает центростремительное ускорение, т.е. изменяет направление скорости, не меняя ее величины.

Дополнительно в качестве регулируемого источника 1 ЭДС может быть использована аккумуляторная батарея соответствующей емкости совместно с преобразователем полупроводниковым, который изменяет величину и направление тока через проводник 12 двигателя 2, достигая того же результата.


Формула изобретения

1. Привод поступательного перемещения, содержащий источник энергии и двигатель, в плоскости кругового проводника с током которого расположен соленоид обмотки возбуждения, подключенный к источнику энергии, отличающийся тем, что источник энергии выполнен в виде источника регулируемой ЭДС, круговой проводник жестко закреплен в кольцевом пазу магнитопровода двигателя, в другом кольцевом пазу магнитопровода также жестко закреплен соленоид обмотки возбуждения, причем пазы выполнены соосно с магнитопроводом, а противоположные концы кругового проводника подключены к источнику регулируемой ЭДС.

2. Привод по п.1, отличающийся тем, что источник регулируемой ЭДС выполнен в виде электромеханической системы двигателя внутреннего сгорания и генератора.

3. Привод по п.1, отличающийся тем, что источник регулируемой ЭДС выполнен в виде электрически связанных полупроводникового преобразователя и аккумуляторной батареи.

4. Привод по п.1, отличающийся тем, что магнитопровод двигателя выполнен в виде постоянного магнита.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электроприводам, а более конкретно к электроприводам машин и механизмов преимущественно с малыми и средними оборотами вращения валов рабочих органов, и может быть использовано в буровых и насосных устройствах, в гидроусилителях сверхмощных прессов, в карьерных и городских противо-смоговых вентиляторах, экранолетах, а также в производстве электроэнергии

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности, к линейным шаговым электродвигателям, которые находят широкое применение в дискретном электроприводе

Изобретение относится к электрическим двигателям, способным эффективно преобразовывать электрическую энергию в механическую энергию или силу, которые снимаются с силовой оси

Изобретение относится к электротехнике, точному машиностроению, робототехнике, в частности к линейным шаговым электромеханизмам, преобразующим импульсы электроэнергии в дискретное линейное перемещение исполнительного механизма, и может быть использовано в силовых и управляемых электроприводах, осуществляющих линейное возвратно-поступательное перемещение рабочих органов без ограничения создаваемых усилий, например в робототизированных системах сварочного, монтажно-сборочного и складского профилей

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в линейных электрических машинах

Изобретение относится к электромашиностроению, к электротехнике, к робототехнике и может быть использовано в любых исполнительных и силовых электроприводах возвратно-поступательного движения: в станкостроении, в робототехнике, в транспорте, в энергетике, во всех технологических процессах, требующих линейного, управляемого перемещения

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в транспортных установках с поступательным или вращательно-поступательным перемещением рабочего органа

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в транспортных установках с поступательным или вращательно-поступательным перемещением рабочего органа

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в стационарных машинах, электротранспортных средствах, а также в приборах

Изобретение относится к физике и может найти применение не только для научных исследований, но и для решения важных технических задач, связанных с получением протяженных однородных электромагнитных полей

Изобретение относится к области двигательных систем, в том числе реактивных, а именно к способам и устройствам создания активных движущихся сил (АДС) в изменяемых механических системах, моделирующих рабочие процессы в силовых установках различных транспортных средств, унифицированно применимых на различных поверхностях и в различных средах перемещения, включая среду с бесконечно малой плотностью

Изобретение относится к двигателям для космических летательных аппаратов и может быть использовано для летательных аппаратов, движущихся в атмосфере

Ракета // 2000473
Изобретение относится к области космонавтики , в частности к ракетостроению

Изобретение относится к силовым установкам , а именно к транспортным движителям

Привод // 1209922
Наверх