Двигатель

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве универсального двигателя. Технический результат состоит в повышении КПД за счет прямого преобразования электрической энергии в механическое движение. Двигатель содержит каркас, на который намотана токопроводящая обмотка с неполным витком. С двух сторон обмотки противоположно друг другу расположены обкладки конденсатора с возможностью поворота вокруг оси каркаса или без нее. Указанные обкладки конструктивно связаны с токопроводящей обмоткой и электрически изолированы от нее диэлектриком. Конденсатор и токопроводящая обмотка образуют электрический колебательный контур. Движение всей конструкции обеспечивается за счет взаимодействия сил самоиндукции с электрическими зарядами на обкладках конденсатора, возникающими в электрическом колебательном контуре. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам для преобразования энергии переменного электрического тока в кинетическую энергию движения и управления этим движением.

Изобретение может быть использовано как универсальный двигатель, в том числе как альтернатива двигателям реактивного типа и безопорным движителям, использующим турбулентное течение среды и кавитацию жидкости.

Известны реактивные двигатели, использующие реактивную силу сгорающего топлива, известны винтовые движители, использующие реактивную силу отбрасываемой среды движения, известны безопорные движители, использующие для движения турбулентное течение среды по патенту Российской Федерации №2002123072 (опубл. 2004.06.20) и явление кавитации жидкости по патенту Российской Федерации №94013559 (опубл. 1995.12.20).

Недостатком реактивных двигателей является их потенциальная взрыво- и пожароопасность, низкий КПД, малый ресурс работы, высокая стоимость изготовления и эксплуатации, а также опасность для экологии, связанная с выделением большого количества вредных продуктов горения. Недостатком винтовых движителей является обязательное наличие достаточно плотной среды движения, а также низкий КПД, связанный с потерями на трение, на вихревые процессы и рассеивание среды движения. Недостатком безопорных двигателей, использующих турбулентное течение среды и кавитацию жидкости, является их низкий КПД, а также наличие взаимно перемещающихся частей устройства, обязательное наличие жидкости, что делает весьма затруднительным работу двигателей в широком диапазоне температур.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в исключении указанных выше недостатков путем использования прямого и безреактивного преобразования электрической энергии в кинетическую энергию движения. Для работы описываемого двигателя не требуется обязательного наличия среды движения (возможно движение в полном физическом вакууме) в отличие от реактивного двигателя не использует какую-либо реактивную силу (жидкости, газов, плазмы и т.п.) и в отличии от безопорных движителей, использующих турбулентное течение среды и явление кавитации, не требует какой-либо механической работы составных частей для достижения эффекта движения.

Двигатель представляет собой катушку индуктивности и расположенные рядом с ней обкладки конденсатора. Каждая в отдельности обкладка конденсатора предназначена для накопления, удержания и изменения электрического заряда одной полярности в соответствии с циклом работы двигателя, в простейшем случае она может представлять из себя пластину из проводящего электрический ток материала.

Катушка индуктивности и обкладки конденсатора связаны между собой конструктивно и во время работы двигателя посредством общего электромагнитного потока.

Электрически вышеуказанные элементы образуют колебательный контур типа «конденсатор - катушка индуктивности», где в роли конденсатора выступают обкладки конденсатора.

Изобретение позволяет добиться не просто движения свободных электронов в колебательном контуре, а движения всей конструкции за счет взаимодействия сил самоиндукции с электрическими зарядами на обкладках конденсатора, возникающими при колебаниях.

Для достижения этого эффекта сумма действия векторов электродвижущей силы самоиндукции катушки индуктивности на обкладки конденсатора в соответствии с их зарядами и расположением не должна быть равна нулю. Это определяется конструктивно взаимным расположением обкладок конденсатора и катушки индуктивности, а также синхронностью изменения электрических зарядов на обкладках конденсатора в соответствии с направлением протекания и изменения тока в обмотке. Синхронность обусловлена соединением вышеуказанных элементов в колебательный контур.

Предлагаемый двигатель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-9. На фиг.1 показан общий вид и устройство соосного двигателя, на фиг.2 показан общий вид и устройство несоосного двигателя, на фиг.3-6 показаны направления действия сил э.д.с. самоиндукции на заряженные обкладки конденсатора при различных фазах работы соосного двигателя, на фиг.7 и 8 приведены возможные электрические схемы двигателя, на фиг.9 показан пример определения направления силы тяги.

Соосный двигатель (фиг.1) состоит из замкнутого симметричного (на рисунке - тороидного) сердечника 1, на который намотана токопроводящая обмотка 2. Внутри тора и с наружной его стороны в одной плоскости, лежащей на круговой оси симметрии, расположены обкладки конденсатора 3 так, что они образуют один или несколько (на рисунке четыре равных) секторов. Для конструктивной механической связи обкладок конденсатора с обмоткой, а также для их электрической изоляции, применен диэлектрик 4. Электрически обкладки конденсатора и обмотка образуют колебательный контур (фиг.7) типа «конденсатор-катушка индуктивности», где в роли конденсатора - обкладки конденсатора 3, а в роли катушки индуктивности - обмотка двигателя 2.

Работа соосного двигателя осуществляется следующим образом.

Первоначально энергия в колебательном контуре может накапливаться как на обкладках конденсатора, так и в обмотке двигателя.

Предположим, что в начальной фазе (фиг.3) вся внутренняя энергия колебательного контура сосредоточена в обмотке двигателя, и эта энергия начинает перетекать в виде электрических зарядов на обкладки конденсатора. В результате мы получаем заряжающиеся обкладки конденсатора, а также переменное электрическое поле вокруг обмотки двигателя Е_э.д.с., вызванное явлением самоиндукции обмотки и действующее на заряжающиеся обкладки конденсатора. При этом видно, что вектора действия сил э.д.с. самоиндукции на заряжающиеся обкладки конденсатора F направлены в одну сторону, и при отсутствии каких-либо внешних сил единственной силой, компенсирующей их будет сила инерции, следовательно двигатель придет в движение.

После полного перетекания энергии из обмотки двигателя на обкладки конденсатора, наступает вторая фаза. Во время нее ток начинает течь в направлении, противоположном направлению в первой фазе, но в результате явления самоиндукции направление электрического поля, вызванного самоиндукцией обмотки Е_э.д.с., вокруг обмотки двигателя не изменится, а следовательно, эта фаза по направлению векторов сил F идентична предыдущей (фиг.3).

После того как заряды на всех обкладках конденсатора сравняются, то есть станут равны нулю, наступает третья фаза (фиг.4) работы двигателя. Эта фаза аналогична первой, за исключением направления протекания тока через обмотку двигателя.

Четвертая фаза работы аналогична второй фазе за исключением направления протекания тока (фиг.4).

Из фиг.3 и 4 видно, что направление действия суммы кулоновских сил ΣF, а значит, и движения двигателя, определяется только конструктивными параметрами: направлением навивки обмотки и порядком ее подключения к обкладкам конденсатора. Направление действия силы ΣF (фиг.9) можно определить следующим образом:

кулоновская сила будет действовать, а следовательно, будет происходить движение в сторону, противоположную, неполному витку обмотки, образованному при ее подключении к обкладкам конденсатора.

Двигатель образует колебательный контур типа «конденсатор - катушка индуктивности», где во время работы энергия преобразуется:

- в кинетическую энергию движения двигателя;

- в энергию электромагнитного излучения;

- в тепловые потери в обмотке (исключение составляет двигатель, изготовленный с применением сверхпроводника) и сердечнике (при его наличии).

В результате энергопотерь получаем двигатель с затухающими гармоническими колебаниями.

Определим силу тяги двигателя. Для упрощения расчетов не будем учитывать энергопотери.

При работе двигателя на электрические заряды, расположенные на обкладках конденсатора, действует сила самоиндукции, возникающая в обмотке трансформатора:

где F_k - сила Кулона, Н;

Е_э.д.с. - электродвижущая сила самоиндукции, пронизывающая заряженную обкладку конденсатора, В;

Q_НЭСЗ - заряд, находящийся на обкладках конденсатора, Кл.

Уравнение гармонических колебаний, возникающих в колебательном контуре типа «конденсатор - катушка индуктивности», где в роли конденсатора выступают обкладки конденсатора, а в роли катушки индуктивности - обмотка двигателя, имеет вид:

где Q(t) - сумма зарядов одной полярности на обкладках конденсатора (т.е. либо положительных, либо отрицательных), Кл;

А - амплитуда изменения зарядов на обкладках конденсатора одной полярности, возникающая во время гармонических колебаний, Кл;

w₀ - резонансная частота колебаний данного колебательного контура, Гц;

t - время, с;

α - начальное смещение колебаний по фазе, радиан.

Найдем величины A, w₀, α.

Предположим, что изначально энергия двигателя накапливалась только на обкладках конденсатора, тогда так как энергия обкладок конденсатора есть суть энергия конденсатора, то

где W_c - энергия, накопленная на обкладках конденсатора, Дж;

Q - заряд на обкладках конденсатора, Кл;

С - емкость конденсатора, Ф.

Из этого следует, что

где Q_max - максимальный заряд на обкладках конденсатора, возникающий при гармонических колебаниях, Кл.

А так как в данном случае W_c - вся энергия двигателя, то W_c=W_экт, следовательно,

где W_экт - полная суммарная электромагнитная энергия, циркулирующая в двигателе.

Находим α: в начальной фазе колебаний t=0, следовательно,

результатом решения этого уравнения будет α=0.

А так как то перепишем уравнение в окончательном виде:

так как напряжение на индуктивности U_L в любой момент времени равно по величине и противоположно по знаку электродвижущей силе самоиндукции, то

Ток в цепи I равен скорости изменения заряда на обкладках конденсатора:

подставляя ток в выражение для электродвижущей силы самоиндукции в катушке индуктивности и обозначая заряд на обкладках конденсатора по времени через q′′, получаем:

найдем q′′:

таким образом

Предполагая для упрощения расчетов, что обкладки конденсатора расположены в одной плоскости, лежащей на продольной оси симметрии обмотки двигателя и подставляя выражения (7) и (12) в формулу (1), получаем:

В случае, когда первоначальная энергия накапливается в катушке индуктивности, смещение по фазе составит в этом случае формула (13) примет вид:

Проведя необходимые вычисления нетрудно убедиться, что действующее значение силы будет численно равно энергии, циркулирующей в двигателе, то есть:

где F_{k(действ)} - действующее значение силы тяги двигателя, Н.

Исходя из этих формул (13) и (14), мы видим, что сила, действующая на обкладки конденсатора со стороны самоиндукции катушки при возникающих гармонических колебаниях всегда направлена в одну сторону, что подтверждает принцип работы двигателя.

Вектор кулоновской силы (фиг.9) будет направлен перпендикулярно оси симметрии обмотки, по биссектрисе угла, образованного расположением обкладок конденсатора, в сторону, противоположную расположению неполного витка обмотки, образованного подключением ее к обкладкам конденсатора.

Эта конструкция двигателя обеспечивает движение вдоль перпендикулярной оси симметрии двигателя (фиг.3 и 4), поворот его на месте (фиг.5 и 6), а также его поворот в движении в случае, когда обкладки конденсатора заряжены несимметрично относительно перпендикулярной оси симметрии двигателя.

Несоосный двигатель (фиг.2) состоит из стержневого каркаса 1, на который намотана токопроводящая обмотка 2. С двух сторон обмотки в плоскости оси симметрии сердечника противоположно друг другу расположены обкладки конденсатора 3. Для конструктивной связи обкладок конденсатора с обмоткой двигателя, а также для их электрической изоляции применен диэлектрик 4.

Принцип работы несоосного двигателя аналогичен принципу работы соосного двигателя.

Эта конструкция двигателя обеспечивает движение перпендикулярно плоскости оси сердечника, в которой расположены обкладки конденсатора, а также повороты на месте и в движении аналогично с соосным двигателем, кроме этого - любые повороты, в случае, если поворачивать обкладки конденсатора 3 вокруг оси стержневого каркаса 1.

Для возбуждения и поддержания электрических колебаний в двигателе на необходимом уровне, можно осуществлять электропитание от внешнего источника энергии (фиг.8) через индуктивную связь между питающей обмоткой 1 и обмоткой двигателя 2, при частоте питающего тока, близкой или равной резонансной частоте двигателя.

1. Двигатель, содержащий каркас, на который намотана токопроводящая обмотка с неполным витком, с двух сторон обмотки противоположно друг другу расположены обкладки конденсатора с возможностью поворота вокруг оси каркаса или без нее, указанные обкладки конструктивно связаны с токопроводящей обмоткой и электрически изолированы от нее диэлектриком, при этом конденсатор и токопроводящая обмотка образуют электрический колебательный контур.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каркас токопроводящей обмотки выполнен в форме тороида, при этом обкладки конденсатора находятся внутри и снаружи тороида в одной плоскости симметрии.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каркас токопроводящей обмотки выполнен стержневым, а обкладки конденсатора расположены с двух сторон обмотки в плоскости его оси симметрии.

4. Двигатель по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что он снабжен индуктивно связанной с токопроводящей обмоткой питающей обмоткой, через которую осуществляется питание электрической энергией от внешнего источника при частоте питающего тока, равной или близкой резонасной частоте электрического колебательного контура.