Способ и устройство для уменьшения сопротивления движению объектов в пространстве (варианты)
Изобретение относится к гидро- и аэродинамике объектов, движущихся с большой скоростью. Технический результат состоит в экономии энергии. Это достигается воздействием на пограничный слой среды вращающимся магнитным полем статора асинхронного двигателя измененной конструкции, вмонтированного в корпус объекта. Способ уменьшения сопротивления движению объекта в пространстве включает получение перемещающегося с постоянной скоростью магнитного поля с помощью многофазной электромагнитной системы статора на его внешней поверхности. Статор расположен перед и на участке объекта, создающего наибольшее сопротивление при его движении. Совмещают вершины зубцов статора с внешней поверхностью объекта, раскручивают магнитное поле до необходимой скорости, создают необходимую магнитную напряженность в пограничном слое среды, в которой движется объект. Перед статором располагают разрядное устройство так, чтобы вершины его контактов соприкасались с пограничным слоем среды, а электрический разряд происходил в поперечном движению объекта направлении. Ориентируют разрядное устройство относительно статора так, чтобы между ними был необходимый промежуток, а контакты располагались напротив зубцов статора. Подают на них электрическое напряжение и синхронизируют работу разрядного устройства с перемещением магнитного поля. Производят электрический разряд в пограничном слое среды, насыщая его свободными зарядами. Магнитное поле отодвигает заряды и присоединенную массу среды от поверхности объекта, уменьшая плотность пограничного слоя и сопротивление движению. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к асинхронным электрическим машинам (аппаратам) и может быть использовано в ракетостроении и судостроении.
В качестве аналога рассмотрим асинхронный электрический двигатель с короткозамкнутым ротором типа "беличья клетка". Вращающееся магнитное поде в двигателе создается за счет магнитопровода круговой конструкции, имеющей пазы и зубцы, расположенные по окружности внутренней расточки и нескольких обмоток, уложенных в пазы. При трехфазной сети питания таких обмоток три. Они уложены по петлевой или волновой схеме и между осями их полюсов имеется одинаковый угол. Наличие в симметричной многофазной электромагнитной системе как пространственного, так и временного сдвига позволяет получить круговое вращающееся магнитное поле.
Проследим путь распространения магнитного потока в теле магнитопровода. Источником его являются зубцы, охваченные витками обмоток. Выйдя из зубца, магнитный поток проходит воздушный зазор между статором и ротором, входит в ротор, пересекает стержни беличьей клетки, вновь пересекает воздушный зазор, входит в зубец статора, проходит по ярму и вновь входит в зубец. Таким образом, происходит замыкание магнитного потока по телу неподвижного статора и по телу ротора, имеющего возможность вращаться, вслед за полем с некоторым отстованием, скольжением. Магнитный поток, пересекающий беличью клетку, наводит в ней электрический ток. От последнего создается магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем статора, возникает вращающий момент [1, с.270-276]. На наружную поверхность статора поле почти не выходит. Однако иногда требуется его выход на наружную поверхность статора, например раскручивание пограничного слоя среды, в которой движется объект. При этом пограничный слой должен обладать определенной элетропроводностью. Указанное способно компенсировать силу давления среды на корпус объекта и снижать лобовое сопротивление.
С целью получения вращающегося магнитного поля при помощи трехфазной системы обмоток статора последние должны иметь оси, сдвинутые в пространстве на 120 градусов. Направление, в котором основная волна индукции имеет наибольшее значение, называют осью магнитного поля.
Магнитное поле, ось которого вращается, принято называть вращающимся магнитным полем. Если значение индукции в воздушном зазоре в точке, лежащей на оси полюса раздающегося поля, остается неизменным, то такое поле называют круговым вращающимся полем, так как его можно изобразить вращающимся вектором неизменной длины, описывающим своим концом окружность [4, часть вторая, с.186].
Другим аналогом может быть однофазный конденсаторный асинхронный электродвигатель, ротор которого выполнен в виде беличьей клетки или в виде тонкостенного немагнитного полого цилиндра [1, с.278-316]. В этих двигателях используются две отдельные однофазные обмотки, распределенные в пазах статора и взаимно сдвинутые по его окружности на половину полюсного деления. В одну из обмоток включается фазосдвигающий конденсатор. При этом поле получается эллиптическим и снижается коэффициент полезного действия, КПД.
Третьим аналогом (прототипом) может быть асинхронный двухфазный управляемый двигатель [2, с.128-161]. Ротор такого двигателя является коротко замкнутым и выполняется в виде беличьей клетки или полого немагнитного с внутренним магнитопроводом. На статоре двигателя располагаются две распределенные обмотки, сдвинутые в пространстве на 90 электрических градусов. Одна обмотка (ОВ) называется обмоткой возбуждения. Она постоянно включена в сеть переменного тока. Вторая обмотка (ОУ) является управляющей. Применяются следующие режимы управления: амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый. Этот аналог больше других может быть прототипом, так как вращается полый ротор (подобие пограничного слоя) и возможно плавное изменение скорости вращения.
Общей особенностью рассмотренных аналогов является обращение полюсов статора (зубцов статора) внутрь, к оси вращения. Последнее делает невозможным их использование для воздействия на пограничный слой и вынуждает осуществить конструктивные изменения.
Понимая, что магнитное поле может воздействовать только на свободные электрические заряды, находящиеся в пограничном слое, (степень воздействия определяется силой Лоренца), условно заменим это воздействие на обычное, механическое, подобное от действия вращающегося диска, кольца или винта. Такое упрощение позволит приблизительно оценить необходимые скорость и мощность вращения. Далее в эти цифры будут внесены поправки.
С целью создания вращающегося магнитного поля используется принцип, лежащий в основе работы асинхронного двигателя (используется только статор). Его магнитная система проходит через внутреннюю часть, включающую воздушный зазор и ротор. В предлагаемой магнитной системе магнитный поток выходит на внешнюю поверхность статора (зубцы обращены от оси вращения, а ярмо перенесено внутрь).
Указанное пространство обладает магнитной проводимостью более низкой по сравнению с магнитопроводом, выполненным, например, из электротехнической стали. При индукции, равной 1 Тл, падение намагничивающей силы на единицу длины потока по воздуху в 50-300 раз больше, чем на ферромагнитных участках магнитопровода. При индукции в зубцах в 2 Тл это отношение уменьшается до 6-8 [3, с.66]. Очевидно, что в предлагаемой конструкции статора (назовем его обращенным статором) необходимо до минимума снизить длину пути магнитного потока вне магнитопровода (от полюса до полюса). Это достигается увеличением до возможного максимума числа пар полюсов.
Другое мероприятие заключается в подъеме индукции до возможного максимума в зубцах статора. Оно возможно за счет выбора материала магнитопровода и оптимальной геометрии. Длина пути магнитного потока по магнитопроводу должна значительно превышать длину пути вне его. При этом не должно происходить насыщение магнитопровода.
Рассмотренное подтверждается формулой для величины номинального пускового момента, приходящего на один ватт потребляемой мощности для асинхронного двигателя с полым ротором [2, с.148-152]
где Р - число пар полюсов, f - частота питающей сети, А - коэффициент, структуру которого можно определять из указанного источника.
В соответствии с [1, с.271] вращающий момент многофазного асинхронного двигателя определяется выражением
где mф - число фаз статора, Uф - фазное напряжение питающей сети, ω1 - угловая синхронная скорость вращающегося поля, К - сомножитель, включающий электрическое сопротивление и скольжение.
Из выражения (2) следует, что момент можно увеличить за счет увеличения напряжения (наиболее аффективно), числа фаз и снижения электрического сопротивления пограничного слоя среды, в которую помещен обращенный статор. Увеличение первых двух величин осуществляется обычными схемными решениями. Уменьшение сопротивления возможно за счет искусственного внесения в пограничный слой вещества (его раствора), например электролита. Увеличение электропроводности возможно путем предварительной ударной ионизации. Последняя возникает (сопровождает) процесс раскрутки пограничного слоя.
Основное назначение обращенного статора заключается в воздействии на пограничный слой среды (снижение лобового сопротивления), в которой движется объект (аппарат). Обращенный статор устанавливается в головной части аппарата перед и на самом напряженном (в смысле лобового сопротивления) участке. При этом ось вращения магнитного поля должна совпадать с продольной осью симметрии аппарата.
В указанной системе пограничный слой находится под действием центробежной силы, силы противодействия вхождению в магнитное поле и силы трения. Вкладывая энергию в магнитное поле обращенного статора мы уменьшаем силу давления среды на корпус, т.е. силу трения. Последнее приводит к значительной экономии анергии главной энергетической установки.
Кинетическая энергия вращающегося пограничного слоя определяется по формуле
где m - масса пограничного слоя, V - линейная скорость вращения пограничного слоя.
Массу пограничного слоя можно рассчитать по формуле
где геометрические параметры слоя: L - длина, R - наименьший радиус, δ - толщина, ρ - плотность слоя.
Синхронная (угловая) скорость вращения магнитного поля имеет зависимость,
Центробежная сила, обусловленная вращением магнитного поля имеет вид
где m - масса элементарного объема пограничного слоя, R - радиус вращения и V - линейная скорость вращения элементарного объема.
Сила статического давления среды на наружную поверхность обращенного статора или на элементарный объем пограничного слоя определяется по формуле
где Рo - абсолютное давление на границе двух сред (воды и воздуха), γh - избыточное (дефицитное) давление, h - глубина погружения (высота полета) аппарата, γ - удельный вес среды.
Приравняв выражения (6) и (7), получим формулу для нахождения необходимой скорости вращения магнитного поля в зависимости от горизонта движения
Встречный поток оказывает динамическое давление на поверхность статора (точнее его нормальная составляющая). Последняя связана с углом расхождения носовой части аппарата зависимостью
где Pдин - динамическое давление потока, Рн.дин - нормальная составляющая динамического потока, α - угол расхождения носовой части аппарата.
Общее давление среды на аппарат равно сумме нормальных составляющих статического и динамического
Приравняв выражения (6) и (9) и решая относительно V, получим зависимость для скорости вращения магнитного поля
Известно [1, с.11], что магнитное поле в расточке асинхронного статора может вращаться со скоростью от 1000 до 180000 об/мин. Частота питающего напряжения находится в диапазоне от 50 до 3000 Гц.
В случае самоходного подводного аппарата, СПА, наибольшая скорость набегающего потока составляет 1800 м/мин. Линейная скорость вращения ротора асинхронного двигателя мощностью 1000 Вт, диаметра 0,2 м и скоростью 3000 об/мин составляет 1880 м/мин.
Для летательного аппарата, ЛА, наибольшая скорость набегающего потока составляет 25800 м/мин. При среднем радиусе стотора в 0,2 м поле должно совершать 20541 об/мин.
Приведенные данные показывают реальность выполнения данного предложения при использовании обычной технологии и материалов.
Таким образом, обращенный статор должен быть электрической машиной, аппаратом многофазным, высоковольтным, многополюсным, с повышенной частотой питания, с запасом по мощности и скорости вращения магнитного поля. При этом его внешний диаметр в большинстве случаях определяется внешним диаметром объекта использования статора, внутренний диаметр и длина по оси вращения определяются необходимой мощностью. Ширина зубцов доводится до минимума, а их длина по оси вращения определяется максимально возможной индукцией в зубце. Межполюсное расстояние доводится до возможного минимума.
Рассчитаем необходимую мощность обращенного статора для СПА и ЛА, используя формулы (3) и (4). Скорость вращения пограничного слоя должна во много раз превосходить скорость набегающего потока, точнее его составляющую, параллельную поверхности
где K1 - коэффициент превышения. При значительном K1 траектория движения элементарного объема пограничного слоя будет представлять спираль с малым шагом. Более точное значение скорости можно рассчитать по формуле (11).
Пусть обращенный статор имеет внешний диаметр 0,4 м, плотность воды 1000 кг/м3 скорость набегающего потока 30 м/с, значения К1:1,5, 10, толщина пограничного слоя 0,01 м. Угол расхождения носовой части аппарата 90 град и длину 0,64 м. При перечисленных значениях полезная мощность обращенного статора должна составлять соответственно: 1,8, 45 и 180 кВт. При этом масса пограничного слоя составляет 8,24 кг.
Пусть обращенный статор для СПА имеет 40 пар полюсов, тогда в соответствии с формулой (5) обеспечить скорости вращения магнитного ноля 21, 105 и 210 м/с можно, используя частоты питания 669, 3339 и 6678 Гц.
Для ЛА оценим необходимую полезную мощность, принимая указанные диаметр, длину обращенного статора, угол расхождения носовой части, ЛА, значения коэффициента K1. Плотность воздуха принимаем равной 1,226 кг/м3 , а скорость набегающего потока 430 м/с. Масса пограничного слоя, рассчитанная по формуле (4) составляет 0,01 кг. Полезная мощность равна 0,5, 11,3 и 45,3 кВт. Пусть статор имеет 40 пар полюсов. Тогда для обеспечения скорости вращения магнитного поля в 301, 1505 и 3010 м/с необходимо иметь частоты питания в 9586, 47930 и 95860 Гц.
Движение ЛА с большой скоростью сопровождается значительным нагревом пограничного слоя и его электризацией. Наличие электрических зарядов, движущихся в магнитном поле, обуславливает появление сил Лоренца, изменяющих траекторию зарядов. Пусть коэффициент K1>>1, тогда (см. ф.12) можно представить, что заряды пронизывают однородное магнитное поле перпендикулярно вектору его напряженности и на них действует сила Лоренца, равная
где е - величина заряда, ν - скорость движения заряда, Н - напряженность магнитного поля.
Заряды вращаются по окружности радиуса 
где m - масса заряда. При этом заряды, имеющие разные знаки, вращаются в противоположных направлениях. Однако процесс электризации пограничного слоя и корпуса ЛА сопровождается разделением зарядов разного знака. Например, на корпусе возникает избыток отрицательных зарядов, а в пограничном слое - положительных зарядов. Последнее дает возможность говорить о преобладающем движении зарядов в пограничном слое в одном направлении. При этом электризация сопровождается разрядами и ударной ионизацией. В случае высокой степени ионизации газ превращается в плазму, обладающую электропроводностью, подобную проводникам [5, с.375].
В общем случае ν не перпендикулярно Н и ν необходимо разложить на две составляющие: νп - лежащую в плоскости, перпендикулярной Н, и νt - направленную вдоль Н. Вторая составляющая превращает движение по окружности в движение по спирали. При этом время обращения по спирали также не зависит от ν, как и время обращения по окружности.
В случае наличия вращающегося магнитного поля, особенно эллиптического, действие поля на заряженную частицу можно охарактеризовать как импульсное с пологими фронтами. Временная последовательность таких импульсов должна раскрутить заряд по расходящейся спирали и отодвинуть от корпуса объекта. Тяжелые заряды, обладающие сравнительно большой массой, (ионы, протоны) при движении должны иметь присоединенную массу. Последнее увеличивает степень воздействия магнитного поля на пограничный слой.
На практике не существует идеального кругового вращающегося магнитного поля. Каждое поле является эллиптическим (степень эллиптичности разная). Последнее обуславливает и определенную асимметрию в раскручивании. С целью ее компенсации процесс раскручивания должен состоять из двух действий (последовательных): раскручивание в одном направлении и раскручивание в противоположном. Пограничный слой последовательно проходит два вращающихся магнитных поля.
В некоторых случаях (конструктивные особенности или ходовые и летные) нет необходимости иметь магнитное поле, вращающееся по окружности. Достаточно иметь поле, перемещающееся по замкнутой эллиптической кривой или подобной ей, по незамкнутой кривой, по прямой линии и т.п. В этом случае обращенный статор круговой превращается в некруговой или в развернутый нелинейный или в линейный.
«Разрезая» круговой обращенный статор по радиусу в районе паза, можно путем «развертывания» его в линейку (прямоугольный параллелепипед) или в иную фигуру получить непрерывное движение магнитного поля в одну сторону, например слева направо. Располагая такую линейку (фигуру) на корпусе объекта (аппарата) и ориентируя ее по разному относительно оси симметрии, можно получить необходимый эффект снижения лобового сопротивления.
Алюминиевый стакан вращается в расточке статора, так как его материал обладает электронной проводимостью и сцеплен с магнитным потоком. Наличие указанных условий является обязательным. Существование в материале (пограничном слое) свободных зарядов разного знака и в равном количестве обусловит появление вихревых токов противоположного направления и соответствующих вращающих моментов, компенсирующих друг друга. Отсутствие потокосцепления у пограничного слоя также обусловит нулевой вращающий момент.
При наличии результирующего вращающего момента пограничный слой, прошедший обращенный статор по структуре (поле скоростей) будет подобен пограничному слою, образованному на корпусе корабля или ЛА. Его средняя скорость будет обусловлена средней скоростью вращения магнитного поля и скоростью перемещения объекта (сложение двух векторов). Пульсационная составляющая (наличие турбулентности) определяется неравномерностью магнитного поля и неоднородностью пограничного слоя.
Рассмотрим пригодность обращенного статора для работы в различных средах. Металлы обладают электронной проводимостью. Свободные электроны, имеющие минусовой заряд, обуславливают появление результирующего вращающего момента. Жидкости и газы обладают ионной проводимостью. В них имеются как частицы, заряженные плюсом, так и минусом. При их равном количестве результирующий момент равен нулю (нет вращения).
В обычных (естественных) условиях жидкости и газы электрически нейтральны. Однако существуют обстоятельства (условия), при которых они теряют нейтральность и становятся полярными. При этом разность потенциалов может достигать очень большой величины (разряд между облаками или между облаком и землей). Указанное обуславливает необходимость наличия на корпусе объекта перед обращенным статором участка для интенсивной электризации пограничного слоя. Во избежание разряда как участок, так и поверхность статора должны быть покрыты электроизолирующим слоем. Длина участка определяется необходимой степенью электризации.
Назовем первый участок траектории относительного движения пограничного слоя участком поляризации. Второй участок вниз по потоку назовем участком раскручивания. На этом участке находится обращенный статор. Третий участок, создающий наибольшее сопротивление, назовем участком сопротивления. Благодаря работе обращенного статора, пограничный слой на третьем участке должен иметь дефицит плотности. На четвертом участке плотность пограничного слоя восстанавливается из-за действия сил Архимеда на раскрученные массы. Этот участок назовем участком коллапса.
В создании вихревых токов и соответствующих моментов участвуют заряженные частицы, обладающие массой (в том числе и присоединенной). Уточним характер взаимодействия вихревых токов разного (противоположного) направления, их магнитных полей с основным вращающимся магнитным полем. Воздух является парамагнетиком (относительная магнитная проницаемость больше 1) и при воздействии внешнего магнитного поля создается преимущественное направление в расположении элементарных магнитных моментов, воздух оказывается намагниченным. Степень намагниченности незначительна.
Роль орбитальных моментов мала в намагничивании. Основными элементарными носителями магнетизма являются спиновые моменты, образующие в результате вращения электрона вокруг своей оси. Однако их может оказаться недостаточным и необходима дополнительная операция над пограничным слоем. С целью выбивания электронов с высоких уровней в атомной структуре возможна ударная ионизация с помощью искрового разряда. В воздухе образуются электронные лавины, приводящие к образованию каналов повышенной электропроводности. Скорость распространения электронной лавины меньше, чем скорость образования электропроводящего канала. Последнее обусловлено фотонной ионизацией воздуха [6, с.372-377 и 5, с.213].
Система искровых разрядников размещается на корпусе ЛА на первом участке, перед обращенным статором, равномерно по окружности. Подача высокого напряжения на электроды может быть синхронизирована с перемещением магнитного поля. При этом очередной разряд должен происходить с опережением, величина которого определяется временем ионизации промежутка: электрод, обращенный статор. Отметим, что использование ударной ионизации является мерой, дополняющей электризацию пограничного слоя от трения. При сравнительно малой скорости перемещения ЛА, при коротком первом участке такая мера может оказаться основной.
В случае СПА ионный разбаланс в воде можно осуществить следующим образом. Во-первых, впрыскиванием в пограничный слой раствора вещества, имеющего необходимые ионы и обладающего повышенной электропроводностью. В качестве такого может быть щелочной электролит с удельной электропроводностью 6 См/м. Такие ионы можно отбирать из раствора, в котором происходит электролиз. Источником отрицательно заряженных ионов является пространство, окружающее анод. Источником положительно заряженных ионов является пространство, окружающее катод. Отбирая часть ионов одного знака полярности и впрыскивая их под давлением в пограничный слой, можно осуществить электризацию. Способ громоздкий, дорогой и тяжело управляемый. Его также можно использовать и для ЛА.
Оптимальным способом электризации пограничного слоя является самостоятельный разряд (искровой разряд для воздуха). Разряд должен проходить в поперечном направлении (относительно перемещения пограничного слоя, ПС) и близко к обращенному статору, ОС. Во избежание короткого замыкания электрической схемы в начале разряда схема автоматом защиты должна отключаться от электродов разрядника. Самостоятельный разряд может иметь разрушительные последствия, что при реализации способа заставит перейти к несамостоятельному. При этом последним легче управлять. Таким образом, и для СПА разряд является способом электризации ПС.
Электропроводность воды (особенно соленой и теплой) значительно превышает электропроводность воздуха. Последнее позволяет в случае СПА значительно увеличить расстояние между электродами и уменьшить напряжение на них.
В случае ЛА уместно вспомнить закон Столетова: наибольший ток для газа наблюдается при одном и том же отношении напряженности поля (электрического) к давлению [12, с.211]. При изменении высоты ЛА необходимо изменить и напряжение на электродах. В противном случае несамостоятельный (тихий) разряд может превратиться в самостоятельный (разрушительный).
В случае водной среды (СПА) с увеличением давления (глубины погружения) электропроводность уменьшается для глубин ниже скачка плотности (температуры). При маневрировании СПА в этом диапазоне глубин можно ориентироваться на закон Столетова. Однако выше скачка плотности закономерность обратная, так как здесь электропроводность в основном определяется увеличением температуры при погружении (антарктическая водная структура). В умеренных широтах температура с глубиной понижается, уменьшается электропроводность и можно более уверенно ориентироваться на закон Столетова. Иными словами: вертикальный разрез электропроводности (температуры) является критерием для определения величины напряжения на электродах разрядного устройства.
При быстром движении СПА на его корпусе возможна кавитация, образование областей с дефицитом давления, с избытком свободных ионов и с увеличением электропроводности [6, с.517]. Первый участок, там, где расположено разрядное устройство, а также пространство обращенного статора, может быть местом кавитации, усиливающейся последующим кольцом второго разрядного устройства и обращенного статора (двухступенчатая "раскрутка" пограничного слоя.). В начальный период такая система работает в водной среде (этап разгона). Номинальный режим работы проходит в водно-газовой среде. При торможении работа происходит в водной среде. Система может быть многоступенчатой, т.е. состоять из значительного количества пар. Каждая пара включает разрядное устройство и обращенный (развернутый) статор. При этом последующие ступени могут и не иметь разрядного устройства. С увеличением глубины (статического давления) кавитационная составляющая должна уменьшаться.
Целью изобретения является уменьшение лобового сопротивления объектов, движущихся в воде, в воздухе, а также в космическом пространстве. Следствием этого является значительное снижение мощности, потребляемой от главной энергетической установки.
Сущность изобретения и его отличительные признаки заключаются в следующем. С помощью специальной электрической машины, преобразованного асинхронного статора (обращенного или развернутого) создается вращающееся или перемещающееся магнитное поле. Поле выходит на поверхность объекта и расположено перед участком, создающим наибольшее трение. Вращающееся магнитное поле имеет ось, совпадающую с осью симметрии объекта. Перемещающееся магнитное поле движется по поверхности объекта от его диаметральной плоскости к периферии. Перед статорами (на одном объекте их может быть несколько) размещаются разрядные устройства. С помощью последних создается вращающееся (перемещающееся) электрическое поле, сопровождающееся разрядами. Электронные потоки разрядов нарушают электрическое равновесие в пограничном слое (электризуют его), т.е. создают свободные заряды. На последние со стороны магнитного поля действуют силы Лоренца, раскручивая их по спирали и отодвигая от поверхности корпуса объекта.
Рассмотрим принципы построения разрядного устройства. Устройство должно создавать вращающееся (перемещающееся) электрическое поле. Поле синхронно с магнитным должно совершать в пространстве аналогичное вращение (перемещение). Конструктивное исполнение аналогично исполнению обращенного статора, ОС (развернутого статора, PC). Отличия заключаются в следующем: отсутствует магнитопровод и обмотка, вместо зубцов используются электроды. Система электродов, подключенных к одной фазе питания, должна размещаться в одной плоскости. В этой же плоскости размещаются электроды, подключенные к нулевой линии. Система электродов, подключенных к другой фазе и соответствующий набор электродов нулевой линии должны размещаться в другой плоскости. Между плоскостями должен быть изоляционный промежуток, предотвращающий паразитный разряд. Движение ЛА и СПА возможно с переменной скоростью и изменяемым горизонтом. Последнее обуславливает изменение нормальной составляющей общего давления на поверхность аппарата (см. ф.10) и пограничный слой. Изменяется сила трения между движущимися частями пограничного слоя, ПС. Для компенсации увеличения силы трения между частями присоединенной массы ПС (на эту массу не действует сила Лоренца, см. ф.13) необходимо увеличить скорость вращения магнитного поля. При уменьшении силы трения целесообразно уменьшить ее и тем самым сэкономить энергию. Возможность гибко изменять скорость вращения магнитного поля, МП, в зависимости от параметров перемещения аппарата является необходимым условием оптимальной работы. Рассмотренное обуславливает необходимость использования в качестве ОС и PC асинхронного двухфазного (двухобмоточного) управляемого статора, несмотря на его недостатки.
Перечислим необходимые действия для снижения лобового сопротивления ЛА, летящего на одной высоте при постоянной скорости.
1. Расположение перед участком поверхности ЛА, создающего наибольшее сопротивление, ОС.
2. Расположение перед ОС разрядного устройства, РУ.
3. При помощи ОС создание магнитного поля, вращающегося вокруг оси симметрии (продольной оси) указанного участка.
4. Раскручивание магнитного поля до необходимой скорости.
5. Усиление магнитного поля до необходимой напряженности.
6. Расположение перед ОС разрядного устройства.
7. Ориентация РУ относительно оси вращения магнитного поля (совмещение их осей).
8. Установка между ОС и РУ необходимого зазора.
9. Ориентация РУ относительно ОС (совмещение зубцов и электродов).
10. Синхронизация работы ОС с работой РУ.
11. Установка необходимой мощности разряда.
12. Установка необходимой длительности разряда (п. может отсутствовать).
13. При необходимости установка второго комплекса ОС и РУ, при этом магнитное и электрическое поля должны вращаться в обратную сторону (пп.1-12 повторяются).
14. Установка третьего комплекта ОС и РУ, при этом магнитное и электрическое поля должны вращаться в направлении, совпадающем с полем первого комплекта (пп.1-12 повторяются).
15. Установка четвертого комплекта ОС и РУ, при этом магнитное и электрическое поля должны вращаться в направлении, совпадающем с полем второго комплекта (пп.1-12 повторяются).
Количество комплектов ОС и РУ определяется продольной протяженностью участка поверхности ЛА, создающего наибольшее сопротивление.
Рассмотрим более подробно действия, лежащие в основе работы РУ. С целью повышения КПД работа РУ и ОС должна быть синхронизирована, т.е. они должны запитываться от одного источника переменного напряжения. В основе необходимости синхронизации лежит принцип: нет магнитного поля, не нужны свободные электроны в ПС. При максимальном магнитном поле должно быть наибольшее количество свободных электронов в ПС. Между напряженностью магнитного поля и количеством электронов должна существовать прямо пропорциональная зависимость.
В соответствии с действием силы Лоренца заряды, попавшие и образованные в ПС, проходя магнитное поле, будут вращаться по спирали и подниматься (отклоняться) от поверхности ЛА (СПА). При этом у электронов и положительно заряженных ионов вращение происходит в противоположных направлениях. По мере выхода из магнитного поля (отклонения от поверхности) радиус вращения зарядов увеличивается (магнитное поле слабеет). Ось спирали направлена в сторону вращения магнитного поля. Легкие электроны быстрее увлекаются полем и выходят на его периферию. Тяжелые ионы (протоны) отстают от электронов. Однако после разгона они дольше следуют за полем и их периферийное положение более удалено от оси вращения (центрифугирование зарядов).
Перечень действий, снижающих лобовое сопротивление СПА, идущего на одной глубине при постоянной скорости, аналогичен рассмотренному (способ первый). Роль присоединенной массы в рассмотренном движении зарядов возрастает, так как увеличиваются межмолекулярные силы притяжения.
Движение ЛА и СПА с увеличивающейся скоростью сопровождается увеличением количества зарядов, оказывающихся в промежутке между РУ и ОС. Последнее обуславливает некоторое торможение аппарата ПС. Уменьшить его можно путем увеличения скорости вращения магнитного поля. Здесь уместна грубая аналогия с работой бульдозера: его рабочий орган - щит должен располагаться под острым углом к линии движения. Увеличение окружной составляющей в магнитном поле позволит увеличить количество зарядов, размещенных перед фронтом вращающегося магнитного поля и вовлечь их во вращательное движение.
Изменение скорости вращения магнитного поля асинхронного статора возможно путем изменения частоты питающего напряжения (см. ф.5). Однако такое изменение возможно в узком диапазоне частот (препятствуют распределенные параметры электромагнитной системы, снижающие мощность). Возможно изменять скорость вращения путем изменения числа пар полюсов (см. ф.5). Иметь несколько фиксированных скоростей или расширенный диапазон скоростей можно, применяя многообмоточную систему и изменяемую частоту питания. Такое исполнение заставляет применять сложный переключатель обмоток и сложный источник питания. При этом оптимальный режим работы ОС будет на одной скорости или в узком диапазоне изменения скоростей.
Использование двухобмоточного управляемого ОС сопровождается резким падением КПД (полезной мощности) и значительным увеличением степени эллиптичности магнитного поля. Однако здесь возможно плавное изменение скорости в большом диапазоне. При этом отработаны схемы включения ОС в системы автоматического регулирования. Учитывая изложенное, принцип двухобмоточного управления можно использовать в качестве второго независимого способа уменьшения лобового сопротивления.
Способ состоит из следующих действий. Пп.1-15 аналогичны первому способу.
16. При амплитудном режиме управления обмотку возбуждения ОС подключают к однофазной сети питания повышенного напряжения и частоты. Обмотку управления подключают к выходу регулятора уровня напряжения, на вход которого подается указанное напряжение сети, сдвинутое на 90 градусов (сдвиг по времени).
17. Регулировку уровня напряжения (скорости вращения магнитного поля) осуществляют, используя сигнал от датчика полного давления (см. ф.10 и 11). При этом, чем выше сигнал датчика, тем больше напряжение на обмотке управления (выше скорость поля). В качестве регулятора возможно использование четырехполюсника с регулируемым внутренним сопротивлением.
18. При фазовом режиме управления обмотку возбуждения ОС подключают к однофазной сети повышенного напряжения и частоты. Обмотку управления подключают к выходу фазосдвигающего устройства, имеющего регулируемый сдвиг по фазе. На обмотку управления подают постоянное по амплитуде напряжение, приведенное значение которого равно напряжению возбуждения.
19. Регулировку фазового сдвига (скорости вращения магнитного поля) осуществляют, используя сигнал от датчика полного давления. При этом, имея сдвиг по фазе 90 градусов, получаем круговое поле и наибольшую скорость.
20. При амлитудно-фазовом режиме управления обмотку возбуждения через фазосдвигающую емкость подключают к однофазной сети с повышенным напряжением и частотой. Обмотку управления подключают к выходу регулятора уровня напряжения, запитываемого от указанной сети [2, с.128-130].
Примечание. Во всех режимах РУ запитывается аналогично ОС. Система электродов, обслуживающих пространство ОВ, лежит в одной плоскости и эапитывается аналогично ОВ. Система электродов, обслуживающих пространство ОУ, лежит в другой плоскости, параллельной первой, и запитывается аналогично ОУ. Плоскости расположены перпендикулярно оси движения аппарата. Сила разрядного тока ограничивается баластными сопротивлениями.
Практика показывает, что в некоторых случаях нет необходимости полного обращения магнитного поля, а достаточно частичного. Это может быть обусловлено особенностями внешней поверхности объекта и траекторией его движения: циркуляцией, вхождением в плотные слои, выходом из них и т.п. С целью снижения лобового сопротивления целесообразно использовать развернутую электромагнитную систему. PC, имеющую два режима работы: прямой ход и обратный. При обратном поле отсутствует и длительностью его можно пренебречь.
В качестве третьего способа представим случай использования PC при постоянной скорости перемещения магнитного поля. Способ состоит из действий. Пп.1-15 аналогичны первому способу. Отличия в пп.1-15 состоят только в замене слова "вращающееся" на слово "перемещающееся" и ОС на PC.
При несимметричном расположении PC относительно диаметральной плоскости объекта вводится дополнительное действие: установка симметричных РС и РУ, действующих в обратную сторону. При этом также имеют место пп.1-15.
Четвертым способом уменьшения лобового сопротивления может быть вариант использования PC с изменяемой скоростью перемещения магнитного поля. Действия способа аналогичны действиям второго способа (пп.1-20). Отличия - в замене слова "вращающееся" на "перемещающееся" и ОС на PC.
При несимметричном расположении PC относительно диаметральной плоскости объекта вводятся дополнительные действия: установка симметричных PC и РУ, действующих в противоположную сторону. При этом также имеют место пп.1-20. Этот вариант может выступать как зависимый от четвертого.
Первым вариантом устройства для снижения лобового сопротивления является система, основанная на первом способе. Устройство асинхронного статора многофазного исполнения хорошо известно [1, с.328-341 и 2 с.128-161]. ОС имеет следующие отличия. Меняют местами ярмо и зубцовую зону, обращают вершины зубцов наружу, а их основания к оси вращения поля, доводят число пар полюсов до возможного максимума, делают паз узким и глубоким, а зубец узким и высоким. Толщину пакета листов статора делают, исходя из допустимой величины индукции в зубце. Высоту зубца и ярма делают, исходя из необходимости значительного превышения пути магнитного потока по железу по сравнению с воздухом. Обмотки укладывают снаружи в пазы статора. Внешнюю поверхность статора покрывают тонким, прочным и немагнитным слоем, обладающим гермо-, тепло- и электроизоляцией.
Разрядное устройство состоит из пакета контактных листов, имеющих электрическую изоляцию. Количество листов равно количеству фаз сети питания. При двухсторонней печати количество листов сокращается вдвое. Система контактов одного листа может выполняться с помощью печатного монтажа. Между двумя соседними листами с контактными прокладывается изоляционный лист. Его толщина должна превышать ширину изоляционного промежутка между парой контактов. Последовательно с контактами включаются добавочные сопротивления, ограничивающие ток разряда.
С целью повторения (синхронизации) работы ОС и РУ их схемы подключения к источнику питания и схемы соединения между фазами должны быть аналогичны. При трехфазной системе питания таким схемами могут быть «треугольник» или «звезда». При этом для ОС в качестве фазы принимается обмотка, образующая пару полюсов, а для РУ - пара контактов, между которыми происходит разряд.
В качестве многофазного источника питания может быть следующее:
электромеханическая система, включающая электродвигатель и синхронный генератор, электронная система, состоящая из двухфазного регулируемого генератора синусоидального напряжения, контура регулирования амплитуды, преобразователя числа фаз и усилителей мощности [7, с.108]. Однако источник питания устройства выходит за пределы изобретения.
Рассмотренное устройство в формуле изобретения имеет №11 и является независимым. Зависимый п.12 является устройством, состоящим из нескольких ОС и РУ, работающих при постоянной скорости вращения полей. С целью компенсации асимметрии пограничного слоя и появления паразитных моментов, действующий на корпус объекта, поля двух соседних комплектов должны вращаться в противоположных направлениях. В случае интенсивной электризации пограничного слоя первым РУ в последующих комплектах необходимость в РУ может исчезнуть, так как прохождение электрического заряда через ОС сопровождается дополнительной электризацией.
Зависимый п.13 является устройством, в котором поля совершают повторные движения по незамкнутому кольцу. Такое может обуславливаться геометрией напряженного участка объекта. Формирование электромагнитной системы в этом случае должно предусматривать расчленение (разрезание) по пазу и необходимость компенсации увеличения магнитного сопротивления для полюсов, находящихся на краю магнитопровода. Последнее возможно за счет увеличения сечения магнитопровода.
Зависимый п.14 является устройством, в котором поля совершают повторные движения по прямой. Особенности этого варианта аналогичны п.13.
Зависимый п.15 является устройством, имеющим магнитный шунт, предназначенный для увеличения сцепления пограничного слоя с магнитным потоком. Форма обтекания шунта и кронштейнов зависят от конструктивных особенностей объекта. Их профиль может быть авиационным. Величина зазора сверху ограничивается допустимым магнитным сопротивлением, а снизу - допустимым аэро(гидро)динамическим сопротивлением устройства.
Независимый п.16 является устройством, в котором магнитное поле вращается с переменной (регулируемой) скоростью. В основе устройства лежит второй способ (п.6 формулы). Конструкция ОС основана на использовании статора асинхронного управляемого двигателя [см. 1, с.278-315 и 2, с.128-161]. Способ преобразования обычного статора в обращенный изложен в тексте, а также в заявке №2005135150 от 21.11.2005 "Способ и устройство для создания перемещающегося магнитного поля", автор Пашуков Е.Б.
На чертеже a упрощенно представлена схема РУ для кругового ОС, использующего амплитудный режим управления, ОС имеет 4 пары полюсов и 2 паза на полюс и фазу. ОС максимально упрощен, что способствует пониманию принципа работы РУ. Контакты имеют обозначения: Ф1, Ф2 и О. Фазосдвигающее устройство, ФСУ может состоять из конденсатора, включенного последовательно в цепь питания регулятора, Р. Последним может быть усилитель мощности, на вход которого подается напряжение от ФСУ, а с выхода снимается напряжение для РУ. Передаточный коэффициент усилителя изменяется путем изменения величины смещения на входе. Последнее осуществляется выходным сигналом от измерителя нормальной составляющей полного давления.
На чертеже б упрощенно представлена схема РУ для PC, работающего в аналогичном режиме. Сравнивая схемы, можно заключить, что у PC РУ имеет меньшую площадь поверхности, охваченную разрядами. Имеет место неравномерность в обработке пограничного слоя разрядами и в загруженности электродов. При реализации режимов регулирования ОС, PC и РУ следует использовать тиристоры и схемы управления ими [7 с.155-158].
Литература
1. Ермолин Н.П. Электрические машины малой мощности. - М.: Высшая школа, 1967.
2. Хрущев В.В. Электрические микромашины переменного тока для устройства автоматики. - Л.: Энергия, 1969.
3. Коварский Е.М., Янко Ю.И. Испытания электрических машин - М.: Энергоатомиздат, 1990.
4. Нейман Л.Р., Калантаров П.Л. Теоретические основы электротехники. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.
5. Яворский Б. М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Госиздат, Физико-математическая литература, 1963.
5. Карякин Н.И. и др. Краткий справочник по физике. - М.: Высшая школа 1963.
7. Казьмерковский М., Вуйцак А. Схемы управления и измерения в промышленной электронике. - М.: Энергоатомиздат, 1983.
1. Способ уменьшения сопротивления движению объекта в пространстве, включающий получение перемещающегося с постоянной скоростью магнитного поля с помощью многофазной электромагнитной системы статора, имеющей равные фазные напряжения, равный и постоянный сдвиг по фазе между ними, отличающийся тем, что многофазную электромагнитную систему устанавливают на внешнюю поверхность статора, располагают его перед и на участке объекта, создающего наибольшее сопротивление при его движении, совмещают вершины зубцов статора с внешней поверхностью объекта, раскручивают магнитное поле до необходимой скорости, создают необходимую магнитную напряженность в пограничном слое среды, в которой движется объект, располагают перед статором разрядное устройство так, чтобы вершины его контактов соприкасались с пограничным слоем среды, в которой движется объект, а электрический разряд происходил в поперечном движению объекта направлении, ориентируют разрядное устройство относительно статора так, чтобы между ними был необходимый промежуток, а контакты располагались напротив зубцов статора, подают на контакты электрическое напряжение, величина и мощность которого определяются электропроводностью среды, ограничивают силу тока через контакты и синхронизируют работу разрядного устройства с перемещением магнитного поля, производят электрический разряд в пограничном слое среды, в которой движется объект, насыщая его свободными зарядами, и магнитным полем отодвигают заряды и присоединенную массу среды от поверхности объекта, уменьшая плотность пограничного слоя и сопротивление движению объекта.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на объекте устанавливают один и более дополнительный статор с многофазной электромагнитной системой с обратным направлением магнитного поля и с дополнительным разрядным устройством или без него.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что магнитное поле статора перемещают по незамкнутой кривой, повторяя это движение, электрическое поле разрядного устройства может перемещаться аналогично.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что магнитное поле статора перемещают по ограниченной прямой, повторяя это движение, электрическое поле разрядного устройства может перемещаться аналогично.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют магнитное шунтирование с зазором внешней поверхности статора, вершин его зубцов.
6. Способ для уменьшения сопротивления движению объектов в пространстве, включающий получение перемещающегося с переменной скоростью магнитного поля при помощи двухфазной электромагнитной системы статора, имеющей обмотку возбуждения и обмотку управления, распределенные по поверхности статора и сдвинутые относительно друг друга на 90 электрических градусов, и схемы управления, обеспечивающие амплитудный, фазовый и амплитудно-фазовый режимы регулирования скорости, отличающийся тем, что двухфазная электромагнитная система расположена на внешней поверхности статора, который располагают перед и на участке объекта, создающего наибольшее сопротивление при его движении, совмещают вершины зубцов статора с внешней поверхностью объекта, подают на обмотку возбуждения напряжение повышенной величины и частоты, а на обмотку управления - напряжение в соответствии с режимом регулирования и в зависимости от величины нормальной составляющей полного давления встречного потока среды, в которой движется объект, разгоняют магнитное поле до необходимой скорости, создавая необходимую магнитную напряженность в пограничном слое среды, в которой движется объект, располагают перед статором разрядное устройство так, чтобы его контакты соприкасались с пограничным слоем среды, в которой движется объект, а электрический разряд происходил в поперечном направлении движению объекта, ориентируют разрядное устройство относительно статора так, чтобы между ними был необходимый зазор, а контакты располагались напротив зубцов, подают на контакты электрическое напряжение, величина и мощность которого определяются электропроводностью среды, в которой движется объект, ограничивают силу тока, при необходимости синхронизируют работу разрядного устройства с перемещением магнитного поля, насыщают пограничный слой среды, в которой движется объект, свободными зарядами и магнитным полем отодвигают заряды и присоединенную массу среды от поверхности объекта, уменьшая плотность пограничного слоя и сопротивление движению объекта.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что на объекте устанавливают один и более дополнительный комплект статора, магнитное поле которого перемещают в обратную сторону, с разрядным устройством или без него.
8. Способ по п.6, отличающийся тем, что магнитное поле статора перемещают по незамкнутой кривой, повторяя это движение, электрическое поле разрядного устройства может перемещаться аналогично.
9. Способ по п.6, отличающийся тем, что магнитное поле статора перемещают по ограниченной прямой, повторяя это движение, электрическое поле разрядного устройства может перемещаться аналогично.
10. Способ по п.6, отличающийся тем, что осуществляют магнитное шунтирование с зазором внешней поверхности статора, вершин его зубцов.
11. Устройство для уменьшения сопротивления движению объектов в пространстве, включающее статор асинхронного многофазного двигателя, отличающееся тем, что ярмо расположено внутри, а зубцовая зона - на внешней стороне статора, при этом вершины зубцов обращены наружу, обмотки уложены в пазы снаружи, внешняя поверхность статора покрыта защитным слоем, число пар полюсов доведено до возможного максимума, обмотки подключены к многофазному источнику электропитания с повышенным напряжением и частотой, статор вмонтирован в корпус объекта так, что вершины зубцов соприкасаются с пограничным слоем среды, в которой движется объект, при этом статор расположен перед и на участке объекта, создающего наибольшее сопротивление среды, в которой движется объект, в корпус объекта вмонтировано разрядное устройство, состоящее из кольцевых систем контактов, расположенных поперек набегающего пограничного слоя среды и выходящих к нему, в которой движется объект, количество систем равно числу фаз питания, между статором и разрядным устройством, а также между системами контактов существует зазор, контакты, подключенные к одной фазе питания, расположены напротив зубцов, входящих в магнитную систему этой фазы статора, пара контактов, между которыми происходит разряд, подключена к одной фазе питания и охватывает межполюсное расстояние, последовательно с контактами включены добавочные сопротивления, вместо систем контактов может применяться однорядовая система.
12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что состоит из нескольких статоров, магнитные поля двух соседних статоров вращаются в противоположных направлениях, и разрядных устройств или без них.
13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что у кольцевого магнитопровода статора отсутствует сектор, при этом аналогичный сектор отсутствует в круговых контактных системах разрядного устройства.
14. Устройство по п.11, отличающееся тем, что магнитопровод статора выполнен путем разрезания кругового по радиусу в районе паза и развертывания в прямоугольный параллелепипед, при этом разрядное устройство имеет аналогичную форму.
15. Устройство по п.11, отличающееся тем, что статор имеет магнитный шунт, выполненный из ферромагнитного материала, ширина шунта равна ширине зубцовой зоны статора, шунт расположен с зазором над внешней поверхностью статора, над вершинами его зубцов и крепится к нему кронштейнами, выполненными из немагнитного материала, при этом как шунт, так и кронштейны имеют обтекаемую форму.
16. Устройство для уменьшения сопротивления движению объектов в пространстве, включающее статор управляемого асинхронного двигателя, отличающееся тем, что ярмо расположено внутри, а зубцовая зона - на внешней стороне статора, вершины зубцов обращены наружу, обмотки уложены в пазы снаружи, число пар полюсов доведено до возможного максимума, внешняя поверхность статора покрыта защитным слоем, обмотка возбуждения подключена к однофазному источнику электропитания повышенного напряжения и частоты, обмотка управления подключена к выходу схемы управления, на вход которой подается сигнал от первичного измерителя нормальной составляющей полного давления набегающего потока, при этом схема управления подключена к указанному источнику питания, а ее структура определяется выбранным режимом управления, статор вмонтирован в корпус объекта так, что вершины зубцов соприкасаются с пограничным слоем среды, в которой движется объект, статор расположен перед и на участке объекта, создающего наибольшее сопротивление среде, в которой движется объект, в корпус объекта вмонтировано разрядное устройство, состоящее из кольцевых систем контактов, расположенных поперек набегающего потока среды и выходящих к пограничному слою, в которой движется объект, количество систем равно числу фаз, между статором и разрядным устройством, а также между системами контактов существует зазор, контакты, подключенные к одной фазе, расположены напротив зубцов, входящих в магнитную систему этой фазы, последовательно с контактами могут быть включены добавочные сопротивления, пара контактов, между которыми происходит разряд, подключена к одной фазе питания и охватывает межполюсное расстояние.
17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что состоит из нескольких статоров, магнитные поля двух соседних статоров вращаются в противоположных направлениях, и разрядных устройств или без них.
18. Устройство по п.16, отличающееся тем, что у кольцевого магнитопровода статора отсутствует сектор, при этом аналогичный сектор отсутствует в круговых контактных системах разрядного устройства.
19. Устройство по п.16, отличающееся тем, что магнитопровод статора выполнен путем разрезания кругового по радиусу в районе паза и развертывания в прямоугольный параллелепипед, при этом разрядное устройство имеет аналогичную форму.
20. Устройство по п.16, отличающееся тем, что статор имеет магнитный шунт, выполненный из ферромагнитного материала, ширина шунта равна ширине зубцовой зоны статора, шунт расположен с зазором над внешней поверхностью статора, над вершинами его зубцов, и крепится к нему кронштейнами, выполненными из немагнитного материала, при этом как шунт, так и кронштейны имеют обтекаемую форму.
21. Устройство по п.16, отличающееся тем, что статор и разрядное устройство имеют внешний диаметр, величина которого зависит от угла расхождения носовой части объекта.
