Токонесущее динамическое звено

 

Использование: изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к токонесущим динамическим, преимущественно, гибким элементам, которые могут быть использованы в качестве крупногабаритных развертываемых антенн и других устройств специального назначения как в наземной, так и космической сферах деятельности. Сущность изобретения: токонесущее динамическое звено /ТДЗ/ выполнено в виде одной или более пар токовых шин 5,6, электрически связанных друг с другом с системой 12 токовых перемычек, каждая из которого соединена с шинами в точках a _k и b_k, смещенных вдоль замкнутого контура ТДЗ, преимущественно по дуге в 360 ^o друг относительно друга /К= 1,2.. ./. Шины 5,6 выполнены с возможностью подключения к токоподводящим средствам 8,9 разной полярности. При движении ТДЗ вдоль своего замкнутого контура подводимое от средств 8,9 напряжение вызывает токи I в перемычках 12, сумма которых подвержена относительно небольшим периодическим изменениям вследствие перемещения ТДЗ относительно средств 8,9, при этом точки на соответственных участках шин /a_k- a_k+1 и b_k- b_k+1/ взаимно скомпенсированы. В альтернативном варианте ТДЗ выполнено с электропроводником в форме, преимущественно двухвитковой спирали, первый виток которой образует внешнюю, а второй виток внутреннюю электропроводные области звена, причем данные области выполнены с возможностью подключения к токоподводящим средствам типа 8,9. ТДЗ может быть снабжено дополнительными средствами стабилизации тока вдоль него, а к шинам 5,6 и/или перемычкам 12 могут быть подсоединены различные электропотребляющие нагрузки, установленные на ТДЗ. 9 з. п. ф-лы, 16 ил.

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, более конкретно к токонесущим динамическим, преимущественно, гибким элементам, которые могут быть использованы в качестве крупногабаритных развертываемых антенн и других устройств специального назначения как в наземной, так и космической сферах деятельности.

Динамические упруго-податливые или абсолютно гибкие элементы (длинные стержни, нити, ленты и т.д.) являются эффективными средствами построения плоских и пространственных крупногабаритных конструкций, высокая устойчивость заданной формы которых обеспечивается за счет достаточно быстрого движения данных элементов в воздушной (водной) среде или вакууме. В соответствии с предлагаемым изобретением, ниже рассматривается так называемое контурное движение гибкого звена, которое создается протяжкой этого звена подходящим приводом, через направляющие элементы со скоростью порядка 5-50 м/с. Образующиеся при этом динамические гибкие контуры имеют овальную или околокруговую форму (в зависимости от свойств внешней среды и скорости контурного движения звена). Такие контуры служат естественной базой построения крупногабаритных антенн рамочной конфигурации (с габаритами от сотен метров до нескольких км), а также других устройств, в частности для управления относительным движением космических аппаратов (КА) и их элементов /1/.

Для функционирования по назначению вышеописанных динамических (гибких) звеньев необходимо пропускание по ним переменного или постоянного электрического тока, причем токоподводящие средства практически сосредоточены на весьма малом участке дуги (длины) контура там, где располагаются механизмы протяжки звеньев.

Если токонесущее динамическое звено (ТДЗ) выполнить в виде простого замкнутого электропроводника (например, проволочного витка), то в нее можно генерировать ток лишь достаточно высокой частоты, определяемой параметрами витка как "длинной линии", т.е. практически на уровне не менее сотен кГц (при длине контура порядка км). Токоподвод должен осуществляться однополярным механическим или плазменным контактом (элементы в виде разнополярных клемм и т. п. очевидно, неприменимы ввиду "закорачивания" тока через малую дугу витка между клеммами).

Известно ТДЗ в виде кольцевой электропроводящей тросовой системы, формируемой центробежными силами. ТДЗ содержит периферийный околокруговой проводящий контур, соединенный реальными кабель-тросами с центральным телом (корпусом КА), где располагается источник питания ТДЗ. Все элементы системы вращаются вокруг центральной оси КА /2/. В данном случае возможно генерирование в ТДЗ любого, в том числе и постоянного, электрического тока.

Недостатком известного ТДЗ является необходимость вращения токоподводящих средств вместе со звеном, что ограничивает область применения данного устройства, а также усложняет практическую реализацию ( в том числе развертывание) соответствующей конструкции.

Наиболее близким техническим решением из числа известных аналогов является околокруговое ТДЗ, содержащее подключаемый к токоподводящим средствам электропроводник, расположенный вдоль геометрически замкнутого и приводимый в движение относительно указанных средств /3/. Данное ТДЗ может питаться через токоподводы типа клемм (скользящих контактов), причем для предотвращения "закорачивания" через малую дугу ТДЗ вдоль звена установлены полупроводниковые вставки.

Недостатком известного ТДЗ является необходимость большего числа полупроводниковых вставок, что может сделать характеристики ТДЗ нестабильными и повысить его сопротивление. Кроме того, вдоль такого ТДЗ можно пропускать постоянный ток лишь одного направления.

В связи с этим техническим результатом предлагаемого изобретения является создание ТДЗ со стабильными, высокими электротехническими характеристиками, способного пропускать ток в обоих направлениях и с любым временным законом изменения.

Указанный технический результат достигается тем, что в ТДЗ электропроводник выполнен в виде по меньшей мере двух токовых шин, электрически связанных друг с другом посредством по меньшей мере одной токовой перемычки, место электрического соединения которой с одной из шин смещено по дуге замкнутого контура относительно места электрического соединения этой перемычки с другой шиной, причем указанные шины выполнены с возможностью подключения к токоподводящим средствам с различным, для каждой из шин, электрическим потенциалом.

При этом в предпочтительном варианте реализации места электрического соединения с шинами каждой токовой перемычки смещены друг относительно друга по дуге в 360^o.

Кроме того, целесообразно использование ТДЗ, при котором оно содержит диэлектрическую основу в форме геометрически замкнутого контура, а электропроводник неподвижно связан с указанной основой, причем одна или несколько токовых перемычек выполнены внутри этой основы.

В предпочтительном варианте реализации ТДЗ диэлектрическая основа выполнена в виде ленты, а токовые шины расположены, попарно, с взаимопротивоположных сторон ленты.

Для расширения функциональных возможностей ТДЗ может быть снабжено установленными на нем электропотребляющими нагрузками, подключенными параллельно и/или последовательно к электропроводнику.

Токонесущее динамическое звено, в альтернативном варианте изобретения, конструктивно более простое отличается тем, что электропроводник выполнен в форме спирали с более, чем одним витком, а места подключения к электропроводнику токоподводящих средств с попарно различным электрическим потенциалом смещены, для каждой пары этих средств, вдоль спирали на расстояние большее, чем расстояние между указанными местами подключения вдоль геометрического контура звена.

В предпочтительном варианте реализации ТДЗ электропроводник выполнен в форме двухвитковой спирали, первый виток которой образует внешнюю электропроводную область звена, а второй виток внутреннюю электропроводную область звена, причем указанные области выполнены с возможностью подключения к токоподводящим средствам с различным для каждой из областей электрическим потенциалом.

При этом целесообразно исполнение, где ТДЗ содержит диэлектрическую основу в виде замкнутой ленты, а электропроводник выполнен в виде электропроводящих покрытий внешней и внутренней поверхностей ленты, электрически связанных друг с другом через зону разрыва покрытий указанных поверхностей, образованную в районе концов спирали.

Ввиду наличия разрывов вблизи концов спирали, ТДЗ может быть снабжено средством сглаживания пульсаций тока, включенным между витками спирали и выполненным по схеме конденсатора.

Наконец, как и в первом альтернативном варианте, ТДЗ может быть снабжено установленными на нем электропотребляющими нагрузками, подключенными параллельно и/или последовательно к электропроводнику.

На фиг.1 показано спользование ТДЗ в составе наземной баллистической антенны; на фиг. 2 -применение ТДЗ в качестве элемента оборудования КА, в частности крупногабаритной орбитальной антенны; на фиг.3 структурная схема ТДЗ с двумя токовыми шинами и одной токовой перемычкой в первом предпочтительном варианте использования устройства; на фиг. 4 эквивалентная электрическая схема устройства по фиг. 3; на фиг.5 -структурная схема ТДЗ, подобная показанной на фиг.3, но с двумя токовыми перемычками; на фиг.6 -эквивалентная электрическая схема устройства по фиг.5; на фиг.7 структурная схема ТДЗ с двумя шинами и большим числом токовых перемычек в первом предпочтительном варианте исполнения устройства; на фиг. 8 эквивалентная электрическая схема устройства по фиг. 7; на фиг.9 -один из возможных вариантов конструктивного исполнения ТДЗ, средств его протяжки и токоподводящих средств; на фиг.10 другой возможный вариант конструктивного исполнения ТДЗ и соответствующих средств; на фиг.11 изменение электрического тока вдоль ТДЗ вследствие перемещения звена относительно токоподводящих средств при различном числе токовых перемычек, выполненных согласно фиг.3,5 и 7; на фиг.12 -структурная схема ТДЗ во втором предпочтительном варианте исполнения устройства; на фиг.13 схема протекания тока вдоль ТДЗ по фиг.12; на фиг.14 -один из возможных вариантов средств для устранения (сглаживания) пульсаций тока в ТДЗ по фиг.12; на фиг. 15 другой возможный вариант средств для сглаживания пульсаций тока в ТДЗ по фиг.12; на фиг.16 изменение во времени тока вдоль ТДЗ по фиг.12 при различных способах (средствах) сглаживания токовых пульсаций.

ТДЗ, согласно изобретению, может применяться в разнообразных устройствах: антеннах, динамических опорах сооружений, инструментах с дистанционным манипулированием, имитаторах объектов и т.д. как на Земле, так и в космосе.

На фиг. 1 схематично показана баллистическая антенна, содержащая ТДЗ в виде замкнутой нити или ленты, запускаемой при помощи привода 2 (например, электродвигателя с роликами протяжки ) и питаемой через токоподводящие средства (ТПС) 3 соответственно модулированным напряжением. Привод 2 обеспечивает движение ТДЗ вдоль своего контура с некоторой скоростью V_K. Благодаря аэродинамическому взаимодействию ТДЗ 1 с окружающим воздухом данное звено принимает характерный профиль и, в зависимости от направления его запуска приводом 2 (направления касательной к роликам в месте их контакта со звеном), поднимается над основанием антенны под тем или иным углом к горизонту. Практически высота антенны над землей может составлять 30 м и более при величине контурной скорости V_K порядка 10 м/с и выше. Антенна может работать в режиме рамочного приемника/излучателя электромагнитных волн хотя возможны и иные режимы ее эксплуатации.

На фиг. 2 показан КА 4 на орбите вокруг Земли. Средства 2,3 запуска и электропитания ТДЗ 1 могут быть размещены в специальном модуле КА (и выполненными со всеми необходимыми элементами управления, пример которых можно найти в /3/ ). ТДЗ 1 может служить крупногабаритной антенной для радиолокации и связи (с диаметром кольцевого контура 1001000 м и более), а также структурным элементом некоторого сложного орбитального комплекса. Существенным обстоятельством является возможность управления формой и ориентацией ТДЗ 1 за счет его электродинамического взаимодействия с геомагнитным полем при пропускании по ТДЗ постоянного или медленно меняющегося тока.

В первом предпочтительном варианте предлагаемого изобретения электрическая структура кольцевого проводника ТДЗ 1 образована одной или несколькими парами токовых шин 5,6 (фиг. 3), электрически связанных по меньшей мере одной токовой перемычкой 7 для каждой пары, причем эта перемычка 7 располагается существенно вдоль геометрического контура ТДЗ 1 (поскольку толщина или ширина гибкого звена типично составляет несколько миллиметров или сантиметров, а длина его замкнутого контура порядка сотен метров или 1. 5 км, то перемычка, в целом, практически всегда повторяет данный контур). Электрические соединения концов перемычки с шипами выполнены в точках а и b, смещенных вдоль контура по дуге, предпочтительно, в 360^o. Положение ТПС ( "клемм") 8,9 относительно контактных точек (а, b) меняется в следствие контурного движения ТДЗ 1. Это положение можно задать длиной дуги где Х₀ положение ТПС в некоторый начальный момент времени t_O. Зависимость (1) учитывает возможное изменение V_k по времени.

В каждый момент времени токопроводящие участки шин 5,6 разбиваются на две характерные области, задаваемые дугами х и λ-х, где l х обозначает дугу, дополняющую х до замкнутого контура (фиг.3) или до дугового расстояния между соседними контактными точками перемычек (фиг.5 и 7). По этим областям протекают токи i_o, i_I,(фиг.3), i_o, i₂ (фиг.5) или i_O, i_n,(фиг.7,8). Если шины и перемычки выполнены в виде однородных по длине проводников например, в виде алюминиевых лент и/или проволок постоянного сечения и, кроме того, обе шины обладают одинаковым сопротивлением, то из соображений симметрии следует, что токи i_o, i_I, i₂.и, вообще, любые шинные токи i_k (фиг.7) являются взаимно скомпенсированными, т. е. в парных шинах они по величине и взаимопротивоположны. Таким образом, результирующим током вдоль ТДЗ 1 является суммарный ток перемычек, в общем случае (фиг.7,8) равный I_ε= i_o+i_n= I₁+I₂+...+I_n. (2) Важно отметить, что данный суммарный ток (2) практически один и тот же на всех участках ТДЗ, как это наглядно видно из фиг.3,5 и 7. Незначительные отличия могут иметь место лишь вблизи контактных точек (a, b), (a, b)_K; К 1,2.n. При необходимости эти отличия могут быть устранены простыми техническими приемами в исполнении мест соединения шин с перемычками.

Для оценки характеристик описанного ТДЗ следует обратиться к эквивалентным электрическим схемам по фиг. 4, 6 и 8. Для ясности будем считать все проводники однородными по длине, сопротивления парных шин одинаковыми, а подводимое к шинам напряжение ε постоянным. Сопротивления перемычек D также положим одинаковыми. Ввиду пропорциональности сопротивлений проводящих участков их длине, будем обозначать их так же как и длины: х, D, λ х. Введем безразмерные параметры: где L длина замкнутого контура ТДЗ I; n число перемычек.

Очевидно, что меняется в пределах (0,1) затем процесс токов в ТДЗ повторяется.

Из расчета по схеме фиг.4 (для n 1) можно получить: Из (4) видно, что пульсации тока I_ε (фиг.11, n I) будут тем меньше, чем меньше сопротивление шины l по сравнению с сопротивлением перемычки D Однако увеличение сопротивления D ведет к снижению среднего тока e/Δ вдоль ТДЗ. Если, например, принят l=Δ то вариации тока в ТДЗ составят около 30 (фиг.11, n= I) причем масса ТДЗ будет примерно второе превосходить массу "простого витка" с тем же самым током I= ε/Δ Обратно, если потребовать равенства масс ТДЗ I и "простого витка" ( фактически одной из шин), то надо будет второе уменьшить массу шин 5, 6 и перемычки 7 (фиг. 3) т.е. втрое увеличить сопротивления l=Δ Тогда ток ТДЗ окажется втрое меньшим тока, равного по массе "простого витка". Разумеется, ток можно увеличить за счет роста напряжения e но этот рост ограничен и не всегда допустим. Больших результатов можно достичь при оптимизации электрической структуры ТДЗ и, прежде всего при увеличении числа токовых перемычек.

Из расчета по схеме фиг.6 (для n 2) можно получить:

где величина, определяемая выражением:

Изменение суммарного тока иллюстрируется фиг.11 (n=2), причем масса обеих шин и масса двух перемычек 10, 11 взяты равными соответственно массам шин 5,6 и массе перемычек 7 -ТДЗ по фиг.3 Как видно из фиг.11 (n=2), ток в ТДЗ той же массы, но с двумя перемычками вместо одной (при этом сопротивление каждой перемычки, конечно, возросло вдвое D_→2Δ а сопротивление l (полушины", очевидно, вдвое уменьшилось: l→ λ/2 оказался в среднем таким же, как и прежде, но его пульсации заметно снизились примерно до 10% Обратно, допустив большие пульсации (например, как прежде до 30%) можно снизить массу ТДЗ.

Расчеты электрических схем при n ≥3 в аналитическом виде становятся трудоемкими, а их результаты весьма громоздкими. Однако тенденция достаточно быстрого сглаживания суммарного тока в ТДЗ с ростом числа перемычек сохраняется (фиг. 11 n=5). Для больших n>1 (весьма малых можно получить следующие приближенные оценки:
пусть масса электропроводника ТДЗ задана в K_м раз большей массы "простого витка";
пусть суммарный ток в ТДЗ составляет долю от тока в "простом витке".

Тогда при n перемычках вариации тока в ТДЗ будут

причем сопротивление каждой перемычки составит где R - сопротивление "простого витка", а сопротивление ,
Таким образом, теоретически можно сколь угодно приблизить массово-энергетические характеристики ТДЗ согласно изобретению характеристикам "простого витка". Например, если масса ТДЗ всего на 10% больше массы указанного витка: K_M=1,1, а ток в ТДЗ всего на 10% больше массы указанного витка: K_M=1,1, а ток в ТДЗ всего на 10% меньше тока в витке h₁=0,9 то из (6) находим что это достижимо при числе перемычек n=90. В этом случае вариации тока составят также 10% При вводе большей массе ТДЗ (К_м=2) и таком же η₁1 число перемычек n 100 даст вариации тока всего в 2 и т.д. Ограничения в данном направлении носят в основном технологический характер.

Конструктивно рассматриваемое ТДЗ целесообразно выполнить в виде замкнутой ленты 1 (фиг.9,10) на диэлектрической основе (тефлон, каптон, номекс и др. достаточно прочные синтетические материалы), в которую внедрены токовые перемычки как это обычно делается в многожильных кабелях. На внешней поверхности диэлектрической основы- с внутренней и внешней стороны ленты - образованы электропроводные области (покрытия) 13, 13'и 13" выполняющие функции токовых шин. Части ленты 1, в которые внедрены токовые перемычки, преимущественно, утолщены, с ними могут механически взаимодействовать ролики (валки) 14 механизма протяжки ТДЗ, кинематически связанные с приводом 15. Последний функционально связан с системой управления относительным движением (контурной скоростью) ТДЗ. Принципиально, может использоваться и немеханический привод протяжки ТДЗ: например, выполненный по схеме линейного индукционного электродвигателя тогда на соответствующих поверхностях ленты 1 должны быть выполнены необходимые электромагнитные элементы (индуктивные контуры и т. п.), а также приняты меры для исключения наводок в шинах 13 и перемычках 16.

С шинами 13, 13'и 13" взаимодействуют ТПС 17 (фиг.9,10), которые могут выполняться в виде пар контактных роликов (валков), соединенных с клеммами различной полярности. Возможно и иное исполнение ТПС 17, в частности на основе жидкометаллического контакта (электрореологические жидкости с соответствующими уплотнениями и т. п.), а также с помощью объемного плазменного проводника. Последний вариант особенно благоприятен для варианта ТДЗ по фиг. 9, где созданы условия, препятствующие перетеканию плазмы с одной стороны ленты на другую.

Все токовые перемычки 16 (фиг. 9,10) электрически связаны с шинами 13,13'и 13" согласно принципиальным схемам по фиг.3,5 7, причем на внешней и на внутренней сторонах диэлектрической ленты могут выполняться несколько независимо питаемых пар шин с соответствующими для каждой из пар системами перемычек и независимых ТПС 17 (что легко себе представить в варианте ТДЗ по фиг.10, но возможно также и в исполнении по фиг.9 например, при "разрезании" каждой из шин 13 на несколько параллельных полос). Отдельные пары шин могут и не быть полностью независимыми, но иметь некоторые общие перемычки и/или быть связанными посредством ТПС, подключенных к какой-либо системе коммутации и т.д. Соединение перемычек 16 с шинами 13,13'и 13" осуществимо с помощью пайки и других известных технологий.

В зависимости от конкретного назначения ТДЗ оно может быть дополнено рядом электро(радио) технических элементов, подключенных к электропроводнику (т.е. к шинам и/или перемычкам) по параллельной или последовательной схемам. Подключаемым элементам (условно не показаны) могут быть различные фазовые и частотные корректоры, например, при использовании ТДЗ в качестве высокочастотной антенны ( для компенсации "эффектов длиной линии "); инверторы и полупроводниковые микросхемы, например, при использовании ТДЗ в качестве фазированной решетки (с большим числом "полуволн" тока вдоль замкнутого электропроводника); колебательные контуры (индивидуальные излучатели/приемники), а также различные зонды и специализированные приборы. Подобные элементы тем или иным образом закрепляются на ленте ТДЗ так, чтобы не препятствовать ее протяжке механизмами типа 14-15 (фиг.9,10) и не нарушать работу ТПС 17. При выборе схем электрического подключения указанных элементов следует иметь ввиду, что токи на отдельных участках шин ( i_k, фиг.7) и в отдельных перемычках (I_k) могут существенно отличаться по величине и временному изменению от суммарного тока I_ε вдоль звена. С одной стороны, это дает определенную гибкость в части располагаемых режимов питания тех или иных элементов. С другой стороны, если требуется стабильность питания в смысле его соответствия напряжению e и току I_ε в цепи ТПС, то элементы должны подключаться ко всем перемычкам (их "жгуту" ) в любом ТДЗ.

Предлагаемое ТДЗ, в вышеописанном первом варианте данного изобретения, работает следующим образом.

Посредством привода 2 (фиг.1, 2) ТДЗ развертывается из транспортного положения в рабочее, при этом используются те или иные направляющие и регулирующие средства (см. например, /3/). При сообщении звену требуемых контурной скорости V_k и направления запуска оно приобретает рабочую форму и операцию: продолговато-овальную (фиг. 1) или близкую к круговой (фиг. 2). Положение плоскости ТДЗ в пространстве задается соответствующим разворотом привода 2 относительно опорной конструкции; при работе на орбите вокруг планеты это положение может дополнительно устанавливаться путем электродинамического взаимодействия тока в ТДЗ с внешним магнитным полем.

При подаче напряжения на ТПС 8, 9 (фиг.3,5,7) одна из шин (например, 5) приобретает в целом более высокий потенциал, а другая шина в целом более низкий потенциал (например, 6). По соединяющим шины перемычкам 7 (фиг.3), 10-11 (фиг. 5) или 12 (фиг. 7) протекают токи I_k (K 1,2,n), формирующие суммарный ток I_ε I₁ + I₂+ + I_n вдоль замкнутого контура ТДЗ, причем токи i_k на соседних участках шин в типичном случае исполнения ТДЗ взаимно компенсируются. Изменение суммарного тока вдоль ТДЗ вследствие перемещения звена относительно ТПС 8 9 может быть сделано весьма малым (фиг. 11) при достаточно большом числе перемычек. Частота изменения тока (при его постоянстве в среднем) пропорциональна числу перемычек, равномерно распределенных вдоль контура ТДЗ. Эта частота относительно невелика: например, при длине ТДЗ 500 м, скорости V_k 5 м/с и числе перемычек n 100 ( l/L 0,01) она составит 1 Гц (амплитуда пульсаций тока в ТДЗ при этом может составлять около 1 и менее). При желании токовые пульсации можно исключить соответствующими небольшими вариациями подводимого напряжения ε
При подаче на ТПС 8 9 ( 17 на фиг. 9, 10) переменного напряжения ток в ТДЗ будет изменяться строго в такт с ним при частотах, существенно больших вышеуказанной частоты пульсаций (например, 1 Гц) и существенно меньших "резонансной" частоты, обусловленной "эффектами длинной линии" (например, около 600 КГц) или собственными характеристиками рамочной антенны (порядка 100 кГц). Для более высоких частот требуются специальные радиотехнические приемы, известные в технике (крупногабаритных) антенн и состоящие, в частности, в размещении вдоль ТДЗ различных фазо/частотно-корректирующих элементов. Впрочем, для всех практически применяемых частот (от кГц до ГГц) пульсация тока в ТДЗ принципиального значения не имеют.

размещенные на ТДЗ электропотребляющие нагрузки (вышеуказанные электро- или радиотехнические элементы) питаются постоянным или переменным током от системы перемычек и/или шин. При этом эти нагрузки могут быть снабжены собственными схемами преобразования токов и напряжений ( на базе интегральных микросхем и т.п.).

Во втором варианте предлагаемого изобретения электропроводник ТДЗ выполнен в виде, предпочтительно, двухвитковой спирали 18 (фиг.12), витки которой разделены изолирующим промежутком 19 (например, в виде вышеупомянутой ленты из диэлектрического материала, при необходимости профилированной подобно лентам по фиг.9 или 10). Витки спирали могут выполняться как покрытия внешней и внутренней сторон ленты. По меньшей мере одна пара разнополярных ТПС 20 введена в электрический контакт с данными покрытиями ( аналогично ТПС 17 на фиг. 9,10). C целью стабилизации величины тока при наличии разрыва токопроводящей поверхности (cм. ниже) может быть предусмотрена вторая пара ТПС 20', коммутируемая с ТПС 20 по сигналам датчика 21 через соответствующий блок 22. Датчик 21 выполнен, в частности, в виде фото(теле)индикатора положения поверхности спирали 18 относительно ТПС 20 (20'), причем на ленте спирали 18 нанесены какие-либо метки, воспринимаемые датчиком 21.

Как показано на фиг.12 и 13, токопроводящие покрытия первого (внешнего) и второго (внутреннего) витков спирали 18 электрически связаны друг с другом через зону разрыва 23 данных покрытий так, что между контактами ТПС 20 всегда имеется ( за исключением кратковременного прохождения зоны разрыва 23 ) один полный токовый виток, показанный на фиг.13 сплошной линией, при этом "пассивные части" проводящей спирали ( пунктирная линия), находящиеся под соответствующими потенциалами, тока не несут.

Стабилизирующий коммутационный блок 22 может выполняться различным образом. Одним из возможных вариантов может быть схема делителя напряжения ( фиг. 14). В этой схеме предусмотрены две пары близко расположенных контактов ТПС, из которых а и b' поддерживаются под одним и тем же потенциалом и подключаются к источнику напряжения через сопротивление 24. Данная схема реостатного типа может быть реализована как в механическом, так и электронном исполнении. На фиг. 14 подвижный контакт реостатного сопротивления 24 условно соответствует исполнению.

На фиг. 15 представлен другой вариант схемы коммутационного блока 22, в котором используется конденсатор С достаточно большой емкости и регулируемое сопротивление R. RC- цепочка подключается к токопроводящим виткам спирали 18 через постоянные подвижные контакты 25, 26 (аналогичные ТПС) и переключатели 27, 28. На фиг.15 данные переключатели показаны в положении, соответствующем движению ТДЗ в направлении, показанном сплошной стрелкой ( "справа налево"): пунктиром отмечено положение переключателей 27, 28 при противоположном направлении ТДЗ.

Предлагаемое ТДЗ, в вышеописанном втором варианте данного изобретения, работает следующим образом.

Развертывание и придание ТДЗ контурного движения со скоростью V_k производится аналогично тому, как это делается для ТДЗ в вышеописанном первом варианте изобретения.

При подаче напряжения на ТПС 20 ( фиг.12) по витку спирали 18, заключенному между разнополярными ТПС, протекает ток I (фиг.13). Если проводящая спираль 18 однородна, то при постоянстве напряжения на ТПС 20 вдоль ТДЗ будет протекать постоянный ток в течение одного периода вращения ТДЗ в его контурном движении: в промежутке времени между двумя последовательными прохождениями зоны разрыва 23 через ТПС 20 ( практически этот период составляет~ 100 с и более). Очевидно, что эффективное сопротивление проводника 18 определяется лишь половиной его полной длины. Ясно также, что масса данного ТДЗ будет всегда примерно вдвое превосходить массу " простого витка" при тех же токе I и напряжении e, подводимом к ТПС 20.

рассматриваемый вариант ТДЗ является конструктивно более простым, не дающим пульсации тока, подобных показанным на фиг.11. Однако этот вариант может обладать повышенной массой, а постоянство (непрерывность) тока I требует проведения специальных мер при прохождении зоны разрыва 23. Простейшим способом является достаточно плавное (хотя и быстрое) отключение питающего напряжения непосредственно перед прохождением зоны разрыва 23, а также последующее плавное (и быстрое) включение данного напряжения непосредственно после прохождения указанной зоны (случай "А" на фиг. 16). Практически ширина зоны разрыва 23 должна составлять, по-видимому, не менее 1.0,5 см, так что время прохождения этой зоны t имеет порядок 0,01.0,001 с и само по себе незначительно. Однако ограничение на скорость изменения тока I может потребовать несколько больших времен.

Если прерывание тока нежелательно, то могут быть применены те или иные стабилизирующие коммутационные блоки 22 (фиг.12). Согласно варианту исполнения такого блока по фиг. 14 во время прохождения зоны разрыва 23 подводимое напряжение e перераспределяется между контактами a', b и a-b' следующим образом. При нахождении всех четырех контактов на поверхности 18 пара а-b' отключена от сопротивления 24, так что ток I течет по витку спирали 18 от b (+) к a'(-) при напряжении e между этими контактами. Датчик 21 фиксирует приближение зоны разрыва 23 (ТДЗ в данном примере движется "справа налево") и выход контактов а',b' из электрической связи со спиралью 18 (конструктивно здесь желательно предусмотреть, чтобы контакт b' вышел из этой связи чуть раньше контакта а'). В момент выхода пара a-b' подключается к сопротивлению 24 с одного из его концов в данном примере с правого, так, что между a и b имеется напряжение e и вдоль проводника 18 течет тот же ток I. Далее при вхождении пары контактов a', b' в связь с проводником 18 и до попадания a, b в зону разрыва 23 точка электрического соединения пары a b' с сопротивлением 24 занимает некоторое среднее положение (фиг.14), при этом напряжение e делится между двумя витками спирали 18 ( напряжение между b и b'+ напряжение между a и a'= e ), так что по виткам текут некоторые токи, меньшие I по-отдельности, но в сумме дающие тот же ток I вдоль ТДЗ. При выходе контактов а, b из связи с проводником 18 ( вновь желательно, чтобы контакт b вышел из связи несколько ранее а) соединение пары а-b' с сопротивление 24 занимает крайнее левое положение: между b'и a' устанавливается e и ток вдоль витка 18 вновь равен 1. При вхождении всех четырех контактов в связь с проводником 18 пара а-b' отключается от сопротивления 24. Затем описанный процесс периодически повторяется. В идеальном случае может быть достигнута полная стабилизация тока I вдоль ТДЗ ( случай "В" на фиг.16).

Согласно варианту исполнения блока 22 по фиг.15, поддержание тока в проводнике 18 при вхождении ТПС 20 в зону разрыва 23 осуществляется за счет разряда конденсатора С (отметим, что сам проводник 18, см. фиг.12, является некоторым конденсатором и может использоваться для компенсирующего "саморязряда" без каких-либо дополнительных блоков, однако практически его емкость все же недостаточно велика, а сопротивление относительно мало, чтобы обеспечить необходимое время разряда). При попадании ТПС 20 в зону разрыва (фиг. 15) конденсатор С разряжается через контакты 25 в тот же самый виток проводника 18, к которому были подключены ТПС 20, причем разрядный ток уменьшается мало за время t≪ CR, (7)
где постоянная времени CR должна быть выбрана на уровне 5....10τ ( t время прохождения разрыва), т.е. например, 0,01 с. Если сопротивление витка 18 составляет приблизительно 5 0м, то емкость конденсатора должна быть на уровне 2000 мкф.

При разряде конденсатора С сопротивление R цепи устанавливается близким к нулю. При вхождении ТПС 20 в связь с проводником 18 (ТДЗ движется " справа налево" на фиг.15) сопротивление R устанавливается на уровне сопротивления витка 18 ( например, 50м), и после вхождения контактов 25 в связь с витком 18 (по прохождении ими разрыва) конденсатор окончательно подзаряжается до напряжения e необходимого для последующего разряда. При движении ТДЗ "слева направо" используются контакты 26, при положении переключателей 27, 28, показанном пунктиром. Стабилизация тока в описанной схеме соответствует случаю "С" на фиг.16.

Таким образом, ТДЗ согласно предлагаемому изобретению позволяет непрерывно питать движущийся замкнутый проводник постоянным (или изменяемым по заданному закону) током от локализованных неподвижных ТПС, причем массово-энергетические характеристики ТДЗ могут незначительно отличаться от таковых для " простого (неподвижного) витка".

Предлагаемое изобретение не ограничено вышеописанными частными вариантами его реализации, но допускает различные модификации в рамках сущности изобретения, изложенной в приводимой патентной формуле.

Формула изобретения

1. Токонесущее динамическое звено, содержащее подключаемый к токоподводящим средствам электропроводник, расположенный вдоль геометрически замкнутого контура и приводимый в движение относительно указанных средств, отличающееся тем, что электропроводник выполнен в виде по меньшей мере двух токовых шин, электрически связанных одна с другой посредством по меньшей мере одной токовой перемычки, место электрического соединения которой с одной из шин смещено по дуге указанного замкнутого контура относительно места электрического соединения этой перемычки с другой шиной, причем указанные шины выполнены с возможностью подключения к токоподводящим средствам с различными для каждой из шин электрическими потенциалами.

2. Звено по п. 1, отличающееся тем, что места электрического соединения с шинами каждой токовой перемычки смещены друг относительно друга по дуге в 360^o.

3. Звено по п. 1 или 2, отличающееся тем, что содержит диэлектрическую основу в форме геометрически замкнутого контура, а электропроводник неподвижно связан с указанной основой, причем одна или несколько токовых перемычек выполнены внутри этой основы.

4. Звено по п. 3, отличающееся тем, что диэлектрическая основа выполнена в виде ленты, а токовые шины расположены попарно с взаимно противоположных сторон ленты.

5. Звено по любому из пп. 1 4, отличающееся тем, что снабжено установленными на нем электропотребляющими нагрузками, подключенными параллельно и/или последовательно к электропроводнику.

6. Токонесущее динамическое звено, содержащее подключаемый к токоподводящим средствам электропроводник, расположенный вдоль геометрически замкнутого контура и приводимый в движение относительно указанных средств, отличающееся тем, что электропроводник выполнен в форме спирали с более чем одним витком, а места подключения к электропроводнику токоподводящих средств с попарно различным электрическим потенциалом смещены для каждой пары этих средств вдоль спирали на расстояние большее, чем расстояние между указанными местами подключения вдоль геометрического контура звена.

7. Звено по п. 6, отличающееся тем, что электропроводник выполнен в форме двухвитковой спирали, первый виток которой образует внешнюю электропроводную область звена, а второй виток внутреннюю электропроводную область звена, причем указанные области выполнены с возможностью подключения к токоподводящим средствам с различными для каждой из областей электрическими потенциалами.

8. Звено по п. 7, отличающееся тем, что содержит диэлектрическую основу в виде замкнутой ленты, а электропроводник выполнен в виде электропроводящих покрытий внешней и внутренней поверхностей ленты, электрически связанных друг с другом через зону разрыва покрытий указанных поверхностей, образованную в районе концов спирали.

9. Звено по любому из пп. 6 8, отличающееся тем, что снабжено средством сглаживания пульсаций тока, включенным между витками спирали и выполненным по схеме конденсатора.

10. Звено по любому из пп. 6 9, отличающееся тем, что снабжено установленными на нем электропотребляющими нагрузками, подключенными параллельно и/или последовательно к электропроводнику.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16