ГЕНЕРАТОР ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ Канарёв Ф.М. Анонс.

ГЕНЕРАТОР ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Канарёв Ф.М.
Анонс. Уже доказано, что импульсное потребление электрической энергии уменьшает её
расход. Однако импульсы могут быть не только электрические, но и механические. Они
тоже приводят к экономии энергии. Совмещение электрических и механических импульсов увеличивает энергетический эффект.
Испытания первых моделей электромоторов – генераторов МГ-1 и МГ-2 показало,
что импульсно потребляемая ими электрическая энергия, генерирует инерциальные импульсы на валу ротора. На рис. 1 представлен теоретический график изменения моментов на валу ротора электромотора – генератора МГ-1 в момент его пуска и при равномерном вращении.
Рис. 1. График изменения вращающих моментов, действующих на ротор МГ-1
при запуске его в работу, и при равномерном вращении
В момент начала вращения ротора его пусковой момент M Ï преодолевает сопротивления в виде моментов механических и рабочих сопротивлений  M C и в виде инерциального момента  Mi . Сумма этих сопротивлений равна  ( Mi  M C ) (рис. 1). Как
только ротор начинает вращаться равномерно, то инерциальный момент становится положительным  Mi и не сопротивляется вращению ротора, а способствует его равномерному вращению (рис. 1). Равномерному вращению ротора сопротивляются только рабочая
нагрузка и механические, и аэродинамические сопротивления - M C [3], [4]. Осциллограмма импульсов напряжения и тока в момент начала вращения ротора, представленная на
рис. 2, b убедительно доказывает это. Она записывалась с сопротивлением 0,1Ома. Это
значит, что в одном делении осциллограммы 0,5/0,1=5А.
Амплитуда первого импульса тока более 10А. Она больше средней амплитуды почти в 2 раза и это естественно, так как в этот момент вращению ротора сопротивляются не
только механические моменты  M C , но и инерциальный момент  M i (рис. 1). Анализ
осциллограммы на рис. 2, b показывает, что величины амплитуд импульсов тока становятся одинаковыми, примерно, после 5-го импульса. Это значит, что равномерное вращение
ротора начинается после 5-го импульса. На рис. 1 момент, когда инерциальный момент
становится положительным  M i , соответствует точке В. Амплитуда первого импульса
напряжения - 100В, а амплитуда первого импульса тока (рис. 2, b) - 10А. Это значит, что
2
мощность пускового импульса равна 100х10=1000Вт. Она реализуется на преодоление
инерциального момента  M i и забирается у первичного источника энергии один раз, в
момент пуска ротора в работу, и поэтому не учитывается в балансе мощности МГ-1, которая реализуется в течение многих часов его работы (рис. 2, а).
а)
b)
Рис. 2. Осциллограмма пусковых значений напряжения и тока
обмотки возбуждения ротора без маховика
Поскольку инерциальный момент ротора участвует в процессе его пуска, то надо
знать его величину. Для этого надо, прежде всего, определить кинетическую энергию
равномерно вращающегося ротора и механическую мощность на его валу при этом вращении [3], [4].
Из первого закона Ньютона следует, что при равномерном вращении тела на него
не действуют никакие силы или моменты сил. Это эквивалентно отрицанию инерциального момента Ìi на валу ротора при его равномерном вращении [3], [4]. Чтобы убедиться
в ошибочности этого отрицания, определим величину инерциального момента на валу ротора МГ-1. При этом надо учесть, что величина энергии, расходуемой на преодоление
инерциального момента в момент пуска ротора, равна кинетической энергии его равномерного вращения. Для определения этой энергии необходимо знать массу m ротора,
момент его инерции Ii и
обороты n . Тогда кинетическая (механическая) энергия
(мощность) ротора, равномерно вращающегося с n=1500 об/мин, равна [3], [4]
1
1 1
 n
 Ii   2   mri 2  
 
2
2 2
 30 
2
EK 
1
 3,14  1500 
  2,33  (0,043) 2  
  27,47 Äæ  26,70 Âò  P
4
30


2
(1)
Инерциальный момент Ìi , генерирующий кинетическую энергию (1) равномерно
вращающегося ротора, равен [3]
Mi 
P


30  P 30  26,70

 0,17 H  ì .
  n 3,14  1500
(2)
3
Экспериментальное измерение крутящего момента на валу этого ротора при 1500
об/мин дало его номинальную величину, равную 0,175Нм. Это значит, что при
1500об./мин механическая мощность на валу ротора равняется 26,70Вт
Мы вычислили величину мощности (1) на валу равномерно вращающегося ротора
и инерциальный момент (2), сопровождающий это вращение и не признаваемый динамикой Ньютона [1]. Таким образом, на валу равномерно вращающегося ротора МГ-1, с n =
1500об/мин. постоянно присутствует механическая мощность, равная 26,70Вт (1) и инерциальный момент, генерирующий эту мощность, равный 0,17 H  ì (2).
Итак, в данном случае МГ-1 забирал у первичного источника питания 17,28Вт.
Мощность импульсов ЭДС самоиндукции в обмотке его статора равнялась 11,83Вт, а механическая мощность на валу ротора составила 26,70Вт. Осталась не использованной и не
учтённой мощность ЭДС индукции в обмотке статора. Тем не менее, Мощность на входе
17,28Вт меньше использованной мощности ЭДС самоиндукции и механической мощности
на валу ротора (11,83+26,70) =38,53Вт более чем в два раза.
Нетрудно видеть (рис. 1), что инерциальный момент M i , препятствовавший ускоренному вращению электродвигателя, никуда не исчезает. Он изменяет свое направление
на противоположное при переходе к равномерному вращению и после отключения электрической энергии, формирующей рабочий момент M P , инерциальный момент M i готов
поддержать вращение электродвигателя. Такое вращение называется вращением по инерции.
Возникает вопрос: нельзя ли использовать инерциальный момент M i для совершения полезной механической работы? Инженеры многократно пытались сделать устройства
для реализации этой идеи, но они оказывались ненадёжными и, как следствие, малоэффективными. Указанная идея получила своё воплощение лишь при импульсном использовании инерциального момента. Оказалось, что если его увеличивать импульсно и после
этого разрывать связь вала электродвигателя с валом потребителя механической энергии с
помощью обгонной муфты, то существуют режимы работы, при которых уменьшается
расход электрической энергии на привод электромотора, оборудованного устройством
импульсного увеличения инерциального момента M i (рис. 3).
Рис. 3. Центробежный усилитель мощности: 1 – электродвигатель;
2 и 3 – дисбалансы; 4 – шестерни, 5 – зубчатое колесо; 6 – неподвижная ось;
7 – обгонная муфта; 8 – подшипник; r – радиус вращения центра масс дисбаланса;
Если в системе привода электромотора установить дисбалансы, то они будут генерировать импульсы моментов сил, которые импульсно увеличивают рабочий момент M P
(рис. 4, точки А1, А2, А3,….). Эти импульсы передаются всем вращающимся деталям. В
результате импульсно увеличивается и инерциальный момент M i (рис. 4, точки В1, В2,
4
В3,..). Если в этот момент прервать механическую связь между электродвигателем и потребителем механической энергии с помощью обгонной муфты, то потребитель механической энергии будет вращаться некоторое время по инерции, а рабочий момент M P на
валу электродвигателя уменьшится до величины момента его холостого хода M xx (рис. 4).
В результате электродвигатель некоторое время будет потреблять из электросети электроэнергию, только на холостой ход (рис. 4) [1].
В момент, когда импульс инерциального момента уменьшается до величины его
среднего значения (рис. 4, точки К1, К2, К3…), обгонная муфта вновь включится и рабочий момент M P электродвигателя увеличится до своей прежней величины.
Рис. 4. Диаграмма изменения механических моментов вращающегося тела
с дисбалансным приводом
Итак, в процессе работы электродвигателя с дисбалансным приводом, появляются
моменты времени полного освобождения электродвигателя от рабочей нагрузки (рис. 4,
зоны 1, 2, 3…) и использование в эти моменты инерциальных импульсов M i для привода
потребителя механической энергии.
Описанная схема работы электродвигателя с дисбалансным приводом (рис. 3) испытана и запатентована российским изобретателем Линевич Э.И. [2].
А теперь представим математическое описание работы электродвигателя с дисбалансным приводом. Поскольку его работа начинается с ускоренного вращения, то оно
описывается первым законом механодинамики, который формулируется так [1]: ускоренное вращение тела происходит под действием ньютоновского активного пускового
момента M n и моментов сопротивления вращению в виде инерциального момента
M i и рабочих моментов сопротивления M MP . Математическая модель этого закона
имеет вид
n
M n  M i   M MP .
(3)
i 1
Составляющие этой математической модели рассчитываются следующим образом.
n
M i   Ii  ,
i 1
(4)
5
где M n - пусковой момент;
n
I
i 1
i
- сумма моментов инерции всех вращающихся де-
талей;  - угловое ускорение вращения, которое определяется из формулы
  0    t .
(5)
 0 - начальная угловая скорость вращения, которая обычно равна нулю;  - угловая скорость равномерного вращения; t - время от начала вращения до перехода к равномерному вращению.
Из формулы (5) при  0  0 , имеем
   n 0,10  n
 

.
(6)
30  t
t
Здесь n - количество оборотов в минуту.
n
I
i 1
t
- сумма моментов инерции всех вра-
i
щающихся деталей определяется теоретически по специальным формулам, учитывающим
массу детали, её геометрию и расположение относительно оси вращения.
Следующая составляющая закона ускоренного вращения – инерциальный момент
M i . Он рассчитывается по формуле
n
n
n
i 1
i 1
i 1
M i   I i   i   I     M MP ,
(7)
где  i - инерциальное замедление, генерируемое инерциальным моментом M i ;
n
M
i 1
MP
-
сумма всех моментов механических и рабочих сопротивлений, которую можно принимать, с некоторыми допущениями, равной рабочему моменту M P электродвигателя при
установившемся равномерном вращении.
Величина инерциального замедления  i вращения двигателя определяется из формулы (7)
n
i 
I
i 1
n
i
    M MP
i 1
.
n
I
i 1
(8)
i
Таким образом, все составляющие, входящие в закон ускоренного вращения (3),
определены. Равномерное вращение электродвигателя и потребителя его механической
энергии описывается формулой
n
n
i 1
i 1
M P   M MP   M i .
(9)
Из этой модели следуют такие физические и математические выводы. Рабочий момент
n
M P электродвигателя преодолевает все механические сопротивления
инерциальных моментов
n
 Mi
i=1
M
i 1
MP
, а сумма
равномерно вращает электродвигатель и потребителя его
6
механической энергии. Математический вывод обязывает нас в этом случае признать
сумму инерциальных моментов
n
 Mi
равной нулю, но это будет противоречить физиче-
i=1
ской реальности – существованию указанной суммы инерциальных моментов. Поэтому
мы игнорируем математический вывод и считаем, что равномерное вращение электродвигателя и потребителя его механической энергии обеспечивает сумма инерциальных моментов
n
 Mi .
i=1
Анализ процесса перехода от ускоренного к равномерному вращению показывает
более простой метод расчёта инерциального момента M i . Поскольку он является моментом сопротивления ускоренному вращению вместе с моментом механических и рабочих
сопротивлений M MP , то его величина входит в пусковой момент M n . Далее, если учесть,
что при равномерном вращении рабочий момент M P незначительно превышает момент
механических и рабочих сопротивлений M MP , то инерциальный момент M i можно определять, как разность между пусковым M n и рабочим M P моментами, то есть
Mi  Mn  M P .
(10)
Итак, методики расчёта всех показателей ускоренного и равномерного вращений
электродвигателя и потребителя его механической энергии представлены. Следующий
этап – расчёт дисбалансного привода.
На рис. 5 показана схема для вывода уравнения импульса момента сил инерции, генерируемого дисбалансами D1 и D2 . Обратим внимание на то, что центральная шестерня 1 на валу электродвигателя и две шестерни 2 и 3 с дисбалансами D1 и D2 представляют единую механическую систему, поэтому проекции Fx и F y центробежных сил
инерции F , действующих на оба дисбаланса, формируют пары с моментами (рис. 5):
Рис. 5. Схема для анализа действия силы инерции на дисбалансы D1 и D2 :
R-радиус центральной шестерни 1; r – радиусы дисбалансных шестерён 2 и 3;
r0 - радиус дисбалансов D1 и D2
M 1  F  sin  2 t  L  m 22 (r  r0 ) 2  (2 R  2r  2r cos  2 t  2r0 cos  2 t ) sin  2 t ;
M 2   F  cos  2 t  (r  r0 )  sin  2 t  m 22  (r  r0 ) 2 sin  2 t  cos  2 t. .
(11)
(12)
7
Обратим внимание также и на то (рис. 5), что в начальный момент M 1 способствует
вращению вала 1 электродвигателя, поэтому он взят со знаком плюс, а - M 2 препятствует
вращению, поэтому взят со знаком минус. Закономерность изменения моментов этих пар
и будет формировать дополнительное воздействие на вал 1 электродвигателя и потребителя его механической энергии.
Анализ показывает, что теоретическая закономерность (13) изменения суммы моментов M 1  M 2 , как скалярных величин, близка к экспериментальной закономерности
(рис. 6, сплошная искажённая синусоида).
M  M1  M 2 
m 22 (r  r0 ) 2  sin  2 t (2 R  2r  2r cos  2 t  2r0 cos  2 t )  m 22 (r  r0 ) 2 sin  2 t  cos  2 t
(13)
Следует обратить внимание и на то (рис. 6), что положительная амплитуда импульсов моментов центробежных сил инерции дисбалансов и угол поворота t 2 вала электродвигателя, формирующий положительную амплитуду, больше отрицательной амплитуды
и больше угла t 3 , формирующего отрицательную амплитуду импульса. На рис. 3 это
отражено схематически импульсным увеличением инерциального момента с вершинами
импульсов в точках B1, B2, B,…..
Рис. 6. Экспериментальный (А) и теоретический (В) максимумы суммы импульсов
составляющих M 1 и M 2 моментов центробежных сил инерции дисбалансов
Далее, на рис. 6 показана осциллограмма изменения момента на валу электродвигателя. Амплитуда импульса при угле поворота дисбалансов на 90 0 (рис. 6, сплошная искажённая синусоида) значительно меньше его теоретической величины. Обусловлено это
тем, что импульс соответствует моменту отключения вала электродвигателя от вала потребителя его механической энергии с помощью обгонной муфты. Так, что большая, теоретическая величина импульса передаётся только валу потребителя механической энергии
и увеличивает его инерциальный момент M i .
А теперь обратим внимание европейских инжернеров, пытавшихся коммерциализировать механическое изобретение российского инженера-радиотехника Линевича Э.И.
8
[2]. Установка дисбалансного блока на корпусе электродвигателя оставляет паразитный
импульс с отрицательной амплитудой, действующим на вал электродвигателя и при отключении его от потребителя его энергии с помощью обгонной муфты и энергетический
эффект исчезает (рис. 6). Если же этот блок соединить с корпусом потребителя механической энергии, то положительная и отрицательная амплитуды импульса окажутся на валу
потребителя и большая величина положительной амплитуды импульса усилит вращение
потребителя, а вал электромотора в этот момент будет отключён от вала потребителя и
энергия, потребляемая электромотором из сети уменьшится. Из изложенного следует
большая роль параметров обгонной муфты в оптимизации амплитуды инерциального момента M i .
График изменения амплитуды импульсов (рис. 6) явно показывает необходимость
двух муфт: между электродвигателем и блоком дисбалансов и между блоком дисбалансов
и потребителем механической энергии. Обе муфты должны отключаться при угле поворота вала дисбалансов на угол t1  1350 и включаться при угле t 4  180 0 . Лишь только в
этом случае будет исключаться действие паразитного отрицательного импульса  M i
(рис. 6). Вполне естественно, что эту функцию могут выполнить лишь электромагнитные
муфты. Однако, опыты показали, что это ненадёжный вариант. А нельзя ли обойтись без
муфты? Можно, если соединить во времени рождение инерциальных импульсов, генерируемых дисбалансами шестерён с рождением импульсных механических сопротивлений
(рис. 7).
Рис. 7. Инерциальный электромеханический импульсный источник питания
(Патент № 2 399 144 С1)
Инерциальный электромеханический импульсный источник питания работает следующим образом (рис. 7). Электродвигатель 6 включается в электрическую сеть, начинает
вращаться вал 1, вращение передаётся одновременно блоку дисбалансных шестерён 12
через центральную шестерню 13, расположенную на валу электродвигателя, и ротору 8
источника импульсов напряжения и тока. При прохождении магнитов 9 вблизи непо-
9
движного магнитопровода 10 в его обмотке 11 наводятся импульсы напряжения, которые
передаются потребителю электрических импульсов, например, электролизёру.
Установлено, что импульсы механических моментов, генерируемые дисбалансами,
уменьшают нагрузку на валу электродвигателя. Электромотор – генератор МГ, потребляющий электрическую энергию
импульсами, также уменьшает её расход из первичного
источника питания, поэтому замена электродвигателя в электромеханическом генераторе
инерциальных импульсов (рис. 7), электромотором – генератором приведём к увеличению
энергетического эффекта.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Импульсная энергетика на заре своего развития. Уже пора обсуждать не только
потенциальные возможности электрических импульсов, но и механических, а также их
совокупности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Канарёв Ф.М. МЕХАНОДИНАМИКА. http://www.micro-world.su/ Папка «Учебные пособия»
2. Линевич Э.И. Применение центробежной силы в качестве источника мощности.
http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/10044.html
3. Канарёв Ф.М. Автономный источник энергии. http://www.micro-world.su/ Папка «Статьи»
4. Канарёв Ф.М. Начало импульсной энергетики. http://www.micro-world.su/ Папка «Статьи»