Способ перемещения объекта в пространстве и устройство для перемещения объекта в пространстве

Изобретение относится к электромагнитным движителям и может быть использовано, в частности, в космических транспортных средствах. Способ перемещения объекта в пространстве основан на воздействии электромагнитным полем на проводник, жестко связанный с перемещаемым объектом. Особенность способа состоит в том, что проводник располагают в пространстве так, чтобы он пересекал плоскость, образованную вектором распространения электромагнитного поля и вектором магнитной составляющей этого поля. В проводнике создают переменный ток с частотой, равной частоте электромагнитного поля, и фазой, определяемой направлением его перемещения по отношению к источнику поля. Проводник может быть выполнен в виде обмотки провода, витки которой имеют прямоугольную форму. Устройство содержит элементы, обеспечивающие требуемое управление фазой тока в проводнике. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Предлагаемые технические решения могут быть использованы в наземных, водных, воздушных или космических транспортных средствах.

Известны способы и устройства, использующие для перемещения объектов в пространстве магнитное поле и проводник с электрическим током, находящийся в этом поле.

Так, например, известен способ перемещения объекта в пространстве (фиг.1), основанный на воздействии магнитным полем на проводник с током, жестко связанный с перемещаемым объектом (Кухлинг X. Справочник по физике, -М.: Мир, 1983, с.347).

Известно устройство, представляющее собой электродвигатель, содержащее якорь (объект) с обмоткой (проводник), источник электрического тока, соединенный с обмоткой, а также источник магнитного поля, в котором расположена обмотка (Кухлинг X. Справочник по физике, -М.: Мир, 1983, с.357-359).

Особенностью указанных способов и устройств является то, что сила, достаточная для перемещения объекта, жестко связанного с проводником, возникает только в непосредственной близости от источника магнитного поля. Это является следствием существенного ослабления магнитного поля с увеличением расстояния от его источника.

Таким образом, недостатком указанных способов и устройств является весьма малая величина действующей на проводник силы, которая недостаточна для перемещения объекта, жестко связанного с проводником, находящегося на значительных расстояниях от источника магнитного поля.

Наиболее близким к заявленному является способ, основанный на воздействии электромагнитным полем на проводник, расположенный в этом поле (фиг.2). В проводнике в направлении распространения электромагнитного поля возникает сила, под действием которой проводник перемещается (Савельев И.В. Курс общей физики, том II. Электричество. -М.: Наука, 1970, с.410-412). Явление известно как давление электромагнитных волн.

Недостатком наиболее близкого способа является весьма малая величина действующей на проводник силы. Поэтому практическое применение известного способа возможно только при значительных размерах проводника и в условиях отсутствия мешающих воздействий, например, в космосе. Кроме того, перемещение объекта по известному способу возможно только в направлении от источника электромагнитного поля.

Наиболее близким по назначению и технической сущности к предлагаемому устройству для перемещения объектов является линейный электродвигатель (Патент РФ №207544 С1, МПК 7 Н 02 К 41/035, В 60 L 13/00. "Униполярный линейный электродвигатель", БИ №9, 27.03.97, стр.236), содержащий объект, жестко связанный с проводником, соединенным с источником тока, а также источник магнитного поля. Ток в проводнике взаимодействует с магнитным полем. При этом возникает сила, приводящая проводник в поступательное движение вдоль источника магнитного поля.

В наиболее близком устройстве сила, достаточная для перемещения проводника и жестко связанного с ним объекта, возникает только в непосредственной близости от источника магнитного поля. Траектория движения объекта определяется размерами и формой источника поля, поэтому для изменения направления движения объекта требуется изменение размеров и формы источника поля. В этом заключаются недостатки устройства.

Таким образом, решаемой задачей (техническим результатом) заявляемых технических решений является увеличение силы, действующей на проводник, при больших расстояниях от источника поля, и обеспечение возможности движения объекта по любой траектории без изменения размеров и формы источника поля.

Поставленная задача (технический результат) достигается тем, что в известном способе перемещения объекта в пространстве, основанном на воздействии электромагнитным полем на проводник, жестко связанный с перемещаемым объектом, согласно изобретению проводник располагают в пространстве таким образом, чтобы он или его фрагмент пересекал плоскость, образованную вектором распространения электромагнитного поля и вектором магнитной составляющей этого поля, при этом в проводнике создают переменный ток с частотой, равной или в нечетное число раз меньшей частоты электромагнитного поля, устанавливают в начале движения и поддерживают при перемещении фазу тока в проводнике такой, чтобы ее отличие от фазы магнитной составляющей электромагнитного поля по абсолютной величине было менее π±2kπ, k=0,1,2,... при перемещении объекта в направлении от источника поля, или находилось в интервале (π, 2π)±2kπ, k=0,1,2,... при его перемещении в направлении к источнику поля.

Поставленная задача (технический результат) достигается также тем, что проводник выполняют в виде обмотки провода, витки которой имеют прямоугольную форму, при этом проводник располагают в пространстве таким образом, чтобы два фрагмента обмотки, в которых течет ток противоположного направления, были перпендикулярны плоскости, образованной вектором распространения электромагнитного поля и вектором магнитной составляющей этого поля, а расстояние между этими фрагментами, измеренное вдоль направления распространения электромагнитного поля, равно нечетному числу длин полуволн электромагнитного поля.

Поставленная задача (технический результат) достигается также тем, что в устройстве для перемещения объекта в пространстве, содержащем источник электромагнитного поля, проводник, жестко связанный с объектом и находящийся в электромагнитном поле этого источника, и источник тока, согласно изобретению, введены устройство сравнения фаз, фазовращатель и устройство управления, при этом два входа устройства сравнения фаз и два входа фазовращателя соединены соответственно с двумя выходами источника тока, два выхода фазовращателя соединены с двумя выводами проводника, вход устройства управления соединен с выходом устройства сравнения фаз, а выход его соединен с управляющим входом фазовращателя, проводник выполнен в виде обмотки провода, витки которой имеют прямоугольную форму, и расположен в пространстве таким образом, чтобы два фрагмента обмотки, ток в которых имеет противоположное направление, были перпендикулярны плоскости, образованной вектором распространения электромагнитного поля и вектором магнитной составляющей этого поля, а расстояние между этими фрагментами, измеренное вдоль направления распространения электромагнитного поля, равно нечетному числу длин полуволн электромагнитного поля.

Поясним сущность предлагаемых технических решений.

Электромагнитное поле, в соответствии с теорией Максвелла, представляет собой периодический во времени и пространстве процесс взаимных превращений электрического и магнитного полей, т.е. является электромагнитной волной (Савельев И.В. Курс общей физики, том II. Электричество. - М.: Наука, 1970, с.372-403). Таким образом, переменное магнитное или электрическое поле всегда создает в пространстве электромагнитную волну некоторой длины λ, величина которой определяется периодом изменения поля. Электромагнитные волны распространяются на большие расстояния, достаточно легко генерируются и фокусируются.

Уравнения плоской электромагнитной волны записывается в векторном виде (Савельев И.В. Курс общей физики, том II. Электричество. -М.: Наука, 1970, с.403):

где векторы магнитной (Н) и электрической (Е) составляющих электромагнитной волны взаимно перпендикулярны и направлены в трехмерной системе координат по осям z и у соответственно, ось х - направление распространения волны (фиг.1);

Н_m - модуль вектора напряженности магнитного поля электромагнитной волны;

Е_m - модуль вектора напряженности электрического поля электромагнитной волны;

ω - частота волны;

k - волновое число, равное ω/ν,

ν=(ε₀εμ₀μ)^-1/2 - фазовая скорость электромагнитной волны;

ε₀, ε - электрическая постоянная и относительная электрическая проницаемость среды распространения волны соответственно;

μ₀, μ - магнитная постоянная и относительная магнитная проницаемость среды распространения волны соответственно.

Известно, что, падая на проводящее электрический ток тело, электромагнитная волна оказывает на него давление (Савельев И.В. Курс общей физики, том II. Электричество. -М.: Наука, 1970, с.410-412). При этом в проводнике возбуждается ток плотности

где σ - проводимость материала проводника (величина, обратная удельному электрическому сопротивлению ρ).

Здесь и далее считаем, что направление тока в проводнике совпадает с направлением электрического поля, действующего на проводник.

Магнитная составляющая электромагнитного поля действует на проводник с силой:

где символы [] обозначают векторное произведение;

V - объем фрагмента проводника, перпендикулярного направлению распространения волны.

Направление действия силы совпадает с направлением распространения волны.

Величина силы f оказывается крайне малой (Савельев И.В. Курс общей физики, том II. Электричество. -М.: Наука, 1970, с.412), и перемещение объектов под ее действием практически трудно реализуемо.

Для увеличения действующей на проводник силы до величины, достаточной для перемещения объектов, жестко связанных с таким проводником, в заявляемых изобретениях предлагается создавать в проводнике дополнительный переменный ток j_P. При этом необходимо, чтобы проводник или его фрагмент пересекал плоскость, образованную вектором распространения электромагнитной поля и вектором магнитной составляющей этого поля. Проводник может быть выполнен в виде обмотки провода. При этом под фрагментом обмотки понимается совокупность одинаковых фрагментов проводника. На фиг.3 показаны сечения двух фрагментов проводника (фрагментов обмотки). В этих фрагментах ток течет в противоположных направлениях друг относительно друга. В сечении, обозначенном в виде решетки, ток течет в направлении "от нас", в виде точек - "на нас". Фрагменты расположены в противоположных волнах электромагнитного поля, т.е. на расстоянии

друг от друга. При этих условиях векторы сил, действующие на каждый из фрагментов, направлены в одну сторону.

Переменное напряжение U_P источника тока создает в проводнике длиной l напряженность:

которая возбуждает в проводнике ток плотности j_P:

В случае, когда частота изменения величины U_P, а значит и тока j_p, выбрана равной частоте падающей волны (ω_р=ω), величина силы f, действующей на два фрагмента проводника, является наибольшей и равна:

где

Выражением (9) подчеркивается, что с учетом того, что в проводнике за счет источника электрической энергии, размещенного на объекте, может быть обеспечена напряженность электрического поля Е_P≫Е, основное влияние на величину силы f, действующей на проводник, оказывает ток j_P (а не j).

Если соотношение фаз величин j_P и Н при движении проводника относительно источника электромагнитного поля неизменно (векторное произведение [j_ΣH] в (9) постоянно), то неизменны величина и направление действующей на проводник силы. Величина силы f максимальна по модулю, если величины j_p и Н совпадают по фазе или отличаются на величину π (фиг.4). Таким образом, выбором соотношения фаз величин j_p и H, можно регулировать величину и направление действующей на проводник силы f.

Пусть для неподвижного объекта соотношение фаз тока в проводнике и магнитной составляющей электромагнитной волны выбрано наилучшим образом, т.е. направление действующей силы соответствует требуемому, а ее величина максимальна. При перемещении проводника вдоль вектора распространения электромагнитного поля на расстояние ΔR относительно источника электромагнитной волны между фазой тока в проводнике j_p и фазой магнитной составляющей электромагнитного поля Н появляется фазовый сдвиг, равный

Указанный сдвиг приводит к уменьшению, а при перемещении проводника на расстояние, превышающее половину длины волны, и к изменению направления действующей на проводник силы. В выражении (10) полагается, что положения векторов магнитной и электрической составляющих электромагнитной волны постоянны в пространстве и во времени. В противном случае значение величины ΔR будет больше или меньше половины длины волны в зависимости от направления вращения указанных векторов и направления движения объекта. В любом случае для обеспечения выбранного направления и величины действующей на проводник силы необходимо в начале движения выбрать и на всем протяжении движения проводника относительно источника электромагнитного поля корректировать фазу тока в проводнике. Такая операция должна проводится как можно чаще, но не реже одного раза за время изменения фазы электромагнитного поля относительно фазы тока в проводнике на величину π. Т.о. устанавливают в начале движения и поддерживают при перемещении фазу тока в проводнике такой, чтобы ее отличие от фазы магнитной составляющей электромагнитного поля по абсолютной величине было менее π±2kπ, k=0,1,2,... при перемещении объекта в направлении от источника поля, или находилось в интервале (π, 2π)±2kπ, k=0,1,2,... при его перемещении в направлении к источнику поля.

Учитывая, что скорость перемещения объекта много меньше скорости распространения электромагнитной волны, такая корректировка вполне осуществима известными способами.

Так, например, для поддержания требуемого значения фазы тока в проводнике может применяться способ, основанный на прямом измерении рассогласования по фазе, приходящей на проводник электромагнитной волны и тока в проводнике. Для этого вводится измерительный проводник, форма и размеры витков которого совпадают с формой и размерами витков проводника (фиг.6). Измеряя с помощью фазового детектора разность фаз тока, возбуждаемого электромагнитным полем в измерительном проводнике, и тока, созданного в проводнике источником тока, и изменяя фазу тока в проводнике, добиваются, чтобы соотношения фаз соответствовали требуемым условиям.

Равенство частот электромагнитной волны ω и тока в проводнике ω_р не является обязательным условием. Обеспечить требуемый вектор силы можно, и создавая в проводнике последовательность импульсов с частотой ω_р=ω/(2k+1), где k=1,2 ,..., т.е. с меньшей в нечетное число раз частоты ω.

Для обеспечения возможности перемещения объекта в любом направлении и по любой траектории необходимо снабдить объект не менее чем тремя устройствами, реализующими описанный способ перемещения в пространстве, и облучать объект не менее чем тремя источниками электромагнитного поля с различных направлений.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет значительно увеличить силу, действующую на проводник, находящийся в электромагнитном поле, и обеспечить любую траекторию его перемещения без изменения размеров и формы источника поля.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

Фиг.1 - действующая на проводник магнитная (H) составляющая падающей на него электромагнитной волны и возникающая при этом сила f в известном аналоге способа; факторы, обозначенные векторами одинакового вида (сплошными или штриховыми линиями), действуют одновременно.

Фиг.2 - векторы электромагнитного поля (Н, Е), тока j, силы f, действующие на проводник, в наиболее близком способе.

Фиг.3 - поперечный разрез обмотки проводника в электромагнитном поле, поясняющий заявляемые технические решения.

Фиг.4 - взаимные качественные соотношения величин H, j_p, f в заявляемых технических решениях.

Фиг.5 - функциональная схема устройства для перемещения объекта в пространстве, реализующего заявляемый способ.

Фиг.6 - функциональная схема устройства сравнения фаз 5.

Фиг.7 - функциональная схема устройства управления 7.

Устройство, реализующее заявляемый способ перемещения объекта в пространстве, содержит (фиг.5) объект 1, источник электромагнитного поля 2, проводник 3, жестко связанный с объектом 1, источник тока 4, устройство сравнения фаз 5, фазовращатель 6, устройство управления 7. Проводник 3 находится в электромагнитном поле источника электромагнитного поля 2. Два входа устройства сравнения фаз 5 и два входа фазовращателя 6 соединены соответственно с двумя выходами источника тока 4, два выхода фазовращателя 6 соединены с двумя выводами проводника 3, вход устройства управления 7 соединен с выходом устройства сравнения фаз 5, а выход его соединен с управляющим входом фазовращателя 6. Проводник выполнен в виде обмотки провода, витки которой имеют прямоугольную форму, и расположен в пространстве таким образом, чтобы два фрагмента обмотки, ток в которых имеет противоположное направление, были перпендикулярны плоскости, образованной направлением распространения электромагнитного поля и вектором магнитной составляющей этого поля, а расстояние между этими фрагментами, измеренное вдоль направления распространения электромагнитного поля, равно нечетному числу длин полуволн электромагнитного поля.

Устройство сравнения фаз 5 содержит (фиг.6) измерительный проводник 8, амплитудный ограничитель 9, амплитудный ограничитель 10, фазовый детектор 11, причем измерительный проводник 8 через амплитудный ограничитель 9 соединен с двумя первыми входами фазового детектора 11, два входа амплитудного ограничителя 10 являются входами устройства, а два его выхода соединены со вторыми входами фазового детектора, выход фазового детектора 11 является выходом устройства.

Устройство управления 7 содержит (фиг.7) сумматор 12, запоминающие устройства (ЗУ) 13 и 14, переключатель 15, переключатель 16, причем первый вход сумматора является входом, а выход его - выходом устройства управления, ЗУ 13 соединены со вторым входом сумматора 12 посредством переключателя 15, а ЗУ 14 соединено с третьим входом сумматора посредством переключателя 16.

Устройство может быть выполнено с использованием следующих известных элементов.

Источник электромагнитного поля 2 - генератор электромагнитного поля (Савельев И.В. Курс общей физики, том II. Электричество. -М.: Наука, 1970, с.413-414, 403).

Проводник 3, измерительный проводник 8 - проводник из хорошо проводящего электрический ток материала.

Источник тока 4 - источник переменного тока (Справочник по основам радиолокационной техники. Под ред. В.В.Дружинина. Военное издательство, 1967, с.244-246).

Фазовращатель 6 - выполнен в виде фазовой секции с мостовым соединением (Справочник по радиолокации. Ред. М.Сколник, -М., Сов.радио, 1977, с.261-262).

Амплитудные ограничители 9 и 10 - амплитудный ограничитель-усилитель (Справочник по основам радиолокационной техники. Под ред. В.В. Дружинина. Военное издательство, 1967, с.226-228).

Фазовый детектор 11 - фазовый детектор (Справочник по основам радиолокационной техники. Под ред. В.В. Дружинина. Военное издательство, 1967, с.385, рис.8.35).

Сумматор 12, запоминающие устройства 13, 14, переключатели 15, 16 - стандартные цифровые устройства (Интегральные микросхемы. Справочник под ред. Т.В.Тарабрина, -М.: Радио и связь, 1984).

Заявленное устройство работает следующим образом.

Источник электромагнитного излучения 2 создает в требуемом направлении электромагнитное поле с частотой ω. Положения магнитной и электрической составляющих электромагнитной волны постоянны в пространстве и во времени. Проводник 3 находится в электромагнитном поле источника 2 и в нем с помощью источника тока 4 создается переменный электрический ток с частотой ω_р. В измерительном проводнике 8 устройства сравнения фаз 5, находящемся в том же электромагнитном поле, возбуждается ток, пропорциональный скорости изменения магнитной составляющей электромагнитного поля. Электрическое колебание с выхода измерительного проводника 8 усиливается до стандартной величины в амплитудном ограничителе 9 и подается в качестве опорного сигнала на первые два входа фазового детектора 11, на два вторые его входа подается ограниченное в амплитудном ограничителе 10 до стандартного значения электрическое колебание с выхода источника тока 4. Напряжение с выхода фазового детектора 11, пропорциональное разности фаз Δϕ тока в проводнике 3 и тока в измерительном проводнике 8, подается на устройство управления 7, где формируется управляющий сигнал для фазовращателя 6. Данный управляющий сигнал пропорционален углу θ, определяемому в сумматоре 12 в соответствии с выражением:

где Δθ_k=kπ/n, k=0,1,...,(n-1), n - количество дискрет при изменении силы, действующей на проводник, оно равно количеству ЗУ 13;

ϕ_π=0 или π, в зависимости от направления движения объекта (от источника электромагнитного поля или к нему соответственно).

В каждом из n штук ЗУ 13 записаны значения Δθ_k. Подключение с помощью переключателя 15 того или иного ЗУ, обеспечивает изменение величины Δθ_k, а значит, и управление величиной силы, действующей на проводник.

В ЗУ 14 записана и хранится величина, равная π. В зависимости от положения переключателя 15 эта величина может быть добавлена в сумматоре 12 к значению ϕ_π в выражении (11). Этим выбирается направление действующей на проводник силы, а значит, и направление движения объекта 1.

Таким образом, в устройстве управления 7 производится формирование управляющего сигнала для фазовращателя 6, который, по сути, является сигналом, управляющим движением объекта.

Фазовращатель 6 под действием управляющего сигнала изменяет фазу тока j_P, подаваемого в проводник 3. В результате взаимодействия магнитной составляющей поля Н и тока j_P на фрагменты проводника 3 действуют силы, приводящие проводник 3 и жестко связанный с ним объект 1 в поступательное движение в соответствии с выбранными в устройстве управления 7 параметрами.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет значительно увеличить силу, действующую на проводник, находящийся в электромагнитном поле, и обеспечить любую траекторию перемещения жестко связанного с ним объекта без изменения размеров и формы источника поля.

1. Способ перемещения объекта в пространстве, основанный на воздействии электромагнитным полем на проводник, жестко связанный с перемещаемым объектом, отличающийся тем, что проводник располагают в пространстве таким образом, чтобы он или его фрагмент пересекал плоскость, образованную вектором распространения электромагнитного поля и вектором магнитной составляющей этого поля, при этом в проводнике создают переменный ток с частотой, равной частоте электромагнитного поля, устанавливают в начале движения и поддерживают при перемещении фазу тока в проводнике такой, чтобы ее отличие от фазы магнитной составляющей электромагнитного поля по абсолютной величине находилось в интервале (0, π) при перемещении объекта в направлении от источника поля или находилось в интервале (π, 2π) при его перемещении в направлении к источнику поля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводник выполняют в виде обмотки провода, витки которой имеют прямоугольную форму, при этом проводник располагают в пространстве таким образом, чтобы два фрагмента обмотки, в которых течет ток противоположного направления, были перпендикулярны плоскости, образованной вектором распространения электромагнитного поля и вектором магнитной составляющей этого поля, а расстояние между этими фрагментами, измеренное вдоль направления распространения электромагнитного поля, равно нечетному числу длин полуволн электромагнитного поля.

3. Устройство для перемещения объекта в пространстве, содержащее источник электромагнитного поля, проводник, жестко связанный с объектом и находящийся в электромагнитном поле этого источника, и источник тока, отличающееся тем, что введены измерительный проводник, два амплитудных ограничителя, фазовый детектор, фазовращатель, устройство управления, при этом два входа фазовращателя и два входа одного амплитудного ограничителя соединены соответственно с двумя выходами источника тока, два выхода фазовращателя соединены с двумя выводами проводника, два выхода измерительного проводника соединены с двумя входами другого амплитудного ограничителя, выходы амплитудных ограничителей соединены со входами фазового детектора, выход которого соединен со входом устройства управления, выход которого соединен с управляющим входом фазовращателя, проводник и измерительный проводник выполнены в виде обмоток провода, витки которых имеют прямоугольную форму, и расположены в пространстве таким образом, чтобы два фрагмента каждой из обмоток, ток в которых имеет противоположное направление, были перпендикулярны плоскости, образованной вектором распространения электромагнитного поля и вектором магнитной составляющей этого поля, а расстояние между этими фрагментами, измеренное вдоль направления распространения электромагнитного поля, равно нечетному числу длин полуволн электромагнитного поля.