Начало раздела Производственные, любительские Радиолюбительские Авиамодельные, ракетомодельные Полезные, занимательные	Хитрости мастеру Электроника Физика Технологии Изобретения	Тайны космоса Тайны Земли Тайны Океана Хитрости Карта раздела
Использование материалов сайта разрешается при условии ссылки (для сайтов - гиперссылки)

ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2269194
СПОСОБ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА В ПРОСТРАНСТВЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА В ПРОСТРАНСТВЕ

Имя заявителя: Дозоров Том Анатольевич (RU); Смирнов Геннадий Васильевич (RU)
Имя изобретателя: Дозоров Том Анатольевич (RU); Смирнов Геннадий Васильевич (RU) 
Имя патентообладателя: Дозоров Том Анатольевич (RU); Смирнов Геннадий Васильевич (RU)
Адрес для переписки: 117461, Москва, а/я 43, Т.А. Дозорову, Г.В.Смирнову
Дата начала действия патента: 2004.09.27

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.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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 и 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 являетсявесьма 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 и 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 ±2k, k=0,1,2,... при перемещении объекта в направлении от источника поля, или находилось в интервале (, 2)±2k, k=0,1,2,... при его перемещении в направлении к источнику поля.

Поставленная задача (технический результат) достигается и 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 и 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 , 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;

- частота волны;

k - волновое число, равное ,

- фазовая скорость электромагнитной волны;

- электрическая постоянная и относительная электрическая проницаемость среды распространения волны соответственно;

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

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 (=), величина силы f, действующей на два фрагмента проводника, является наибольшей и равна:

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 [jH] 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 (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 R относительно источника электромагнитной волны между фазой тока в проводнике j_pи 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 R 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 . 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 ±2k, k=0,1,2,... при перемещении объекта в направлении от источника поля, или находилось в интервале (, 2)±2k, 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 и тока в проводнике _р не является обязательным условием. Обеспечить требуемый вектор силы можно, и создавая в проводнике последовательность импульсов с частотой _р=/(2k+1), где k=1,2 ,..., т.е. с меньшей в нечетное число раз частоты .

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 . 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 _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 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 , определяемому в сумматоре 12 в соответствии с выражением:

где , n - количество дискрет при изменении силы, действующей на проводник, оно равно количеству ЗУ 13;

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

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

В ЗУ 14 записана и хранится величина, равная . В зависимости от положения переключателя 15 эта величина может быть добавлена в сумматоре 12 к значению 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.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

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, ) при перемещении объекта в направлении от источника поля или находилось в интервале (, 2) 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.

Версия для печати
Дата публикации 31.10.2006гг

НОВЫЕ СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ
	Технология изготовления универсальных муфт для бесварочного, безрезьбового, бесфлянцевого соединения отрезков труб в трубопроводах высокого давления (имеется видео)
	Технология очистки нефти и нефтепродуктов
	О возможности перемещения замкнутой механической системы за счёт внутренних сил
	Свечение жидкости в тонких диэлектрических каналох
	Взаимосвязь между квантовой и классической механикой
	Миллиметровые волны в медицине. Новый взгляд. ММВ терапия
	Магнитный двигатель
	Источник тепла на базе нососных агрегатов