УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ МОДЕЛЬЮ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к магнитогидродинамическим двигателям и может быть использована для дистанционного управления моделью двигателя.
Магнитогидродинамический двигатель - это электрический двигатель, в котором рабочее тело (проводящая жидкость), через которое пропускается электрический ток, ускоряется в магнитном поле под действием силы Ампера в направлении, перпендикулярном току и линиям магнитного поля, при этом возникает действующая на двигатель сила тяги. В качестве рабочей жидкости, как правило, используют морскую воду или подобные ей электролиты.
Известен магнитогидродинамический программно-управляемый вихревой двигатель для морских микродронов (см. патент РФ №2686124 по кл. МПК B63H19/00, опуб. 25.04.2019), выполненный в виде двух цилиндрических металлических электродов, вложенных друг в друга, с тремя электромагнитами, расположенными в форме правильного треугольника. Схема предусматривает наличие контроллера, который при помощи цифроаналогового преобразователя формирует трехфазное синусоидальное колебание. При подаче трехфазных синусоидальных сигналов возникает вращающееся магнитное поле в пространстве между цилиндрическими электродами, в результате чего анионы морской воды будут смещаться в сторону положительного электрода по радиальному направлению, а катионы будут двигаться им навстречу, что приведет под действием силы Лоренца к вихревому вращению в пространстве между цилиндрическими электродами с одновременным выталкиванием их вдоль образующей цилиндрических поверхностей, причем программное изменение параметров амплитуд и частоты синусоид позволяет осуществить управление вектором тяги двигателя.
Однако данная конструкция относится к вихревым двигателям и обеспечивает устойчивое вихревое движение жидкости, а неламинарное поступательное движение жидкости, как в обычном магнитогидродинамическом двигателе.
Известны также движители надводных и подводных судов, конструкция которых реализует воздействие электрического и магнитного полей на среду движения и содержит электроды и электрические магниты (см., например, патент РФ №2271302, по кл. МПК В63Н 19/00, опуб. 10.03.2006; патент РФ №2280587, по кл. МПК В36Н 11/04, 11/02, опуб. 27.07.2006), при этом на поверхности движущегося тела создаются взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля. В частности, в устройстве для перемещения тела в морской воде по патенту № 2271302, состоящем из электродов и магнитов, закрепленных на корпусе тела, U-образные магниты расположены внутри корпуса и образуют на поверхности тела чередующиеся по кольцу в плоскости, перпендикулярной направлению движения тела, магнитные полюса, между которыми снаружи тела параллельно направлению движения расположены электроды, соединенные попарно с источником постоянного тока.
Однако конструкции этих магнитогидродинамических двигателей не предусматривают наличие программно-управляемых элементов, что снижает эффективность контроля значений силы тока двигателя, которая, в свою очередь, вместе с магнитной индукцией определяет силу тяги магнитогидродинамических двигателей.
Известно устройство управления тиристорно-конденсаторными сумматорами тока электродов магнитогидродинамического генератора (см. авторское свидетельство СССР № 1584701 по кл. МПК H02M3/305, опуб. 20.05.1994), содержащее блок согласования, вход которого подключен к датчику тока электрода, а первый выход соединен с управляющим входом блока логических переключений, который снабжен импульсным выходом, выходом управления ключа и синхронизирующим входом, причем входные и выходные сигналы связаны определёнными логическими уравнениями. Величина обратного напряжения контролируется первым и вторым датчиками напряжения в момент протекания тока по соответствующему тиристору. Если величина обратного напряжения ниже допустимой, то происходит задержка импульсов управления на включение очередных тиристоров сумматора тока электродов, до тех пор, пока величина обратного напряжения не станет равной заданной.
Однако данное устройство относится к управлению магнитогидродинамическим генератором. Кроме того, устройство выполнено на старой элементной базе.
Известно также устройство управления продольным движением судна (см. патент РФ №2224279 по кл. МПК G05D1/00, опуб. 20.02.2004), содержащее датчик угла перекладки руля, датчик угловой скорости поворота судна, датчик путевого угла, рулевое устройство судна, приемник спутниковых навигационных систем с антенной, автоматический регулятор путевого угла. Автоматический регулятор путевого угла состоит из вычислителя бокового отклонения судна от заданной траектории, блока оценки состояния судна и сумматора. Блок оценки состояния судна содержит четыре сумматора, четыре умножителя и четыре интегратора, выходы которых являются выходами блока оценки состояния судна. Закон, по которому осуществляется стабилизация и управление движением судна, включает оценку угла дрейфа.
Однако данное устройство отслеживает характеристики движения, но не состояние двигателя, а это является важной задачей при работе с МГД двигателями.
Технической проблемой заявляемой полезной модели является создание устройства управления моделью магнитодинамического (МГД) двигателя, позволяющего дистанционно регулировать его работу.
Техническим результатом является обеспечение контроля за параметрами работы МГД двигателя (значения силы тока, количество используемых элементов питания).
Для решения технической проблемы и заявляемого результата устройство управления моделью магнитогидродинамического двигателя содержит  приёмник сигнала, подключённый к контроллеру, запрограммированному с возможностью выбора количества элементов питания в источнике питания, а также возможностью измерения силы тока, при этом один из выходов контроллера соединён с дисплеем, а другие - со входами заданного количества реле, выходы которых соединены последовательно с резистором и источником питания, имеющим заданное количество соединённых последовательно элементов питания, причём каждое последующее реле обеспечивает подключение элементов питания с увеличением их количества на единицу так, что номер каждого реле соответствует количеству подключённых к нему элементов питания источника, при этом источник питания и резистор выполнены с возможностью последовательного подключения к электродам магнитогидродинамического двигателя, а резистор соединён с датчиком напряжений, подключённым к аналоговому  входу контроллера.
Полезная модель поясняется иллюстрациями, где:
на фиг. 1 - представлена схема устройства управления моделью МГД двигателя;
на фиг. 2 - представлена схема соединения выходов реле с элементами питания;
на фиг. 3 - алгоритм работы устройства управления;
на фиг. 4 - фото устройства управления моделью МГД двигателя.
На фиг. 1 позициями обозначено:
1 - приёмник сигнала;
2 - контроллер;
3 - дисплей;
4 - реле;
5 - источник питания;
6 - резистор;
7 - датчик напряжения;
8 - источник питания контроллера;
9 - элементы питания(батареи) в источнике 5.
Устройство управления содержит приёмник сигнала 1, выполняющий функцию ввода данных (см. Фиг.1). Приёмник 1 подключён к входу контроллера 2, один из выходов  которого соединён с дисплеем 3. Другие выходы контроллера 2 соединены с входами заданного количества реле 4, при этом количество выходов контроллера и, соответственно, количество реле (в данной модели - десять) выбирается равным количеству разных наборов элементов питания в источнике питания, которые будут использоваться в модели МГД двигателя. Каждое последующее реле обеспечивает подключение элементов питания с увеличением  их  количества на единицу. При этом номер реле соответствует количеству используемых элементов питания 9 в источнике питания 5.Так (см. Фиг. 2) выход реле №1 соединен с элементом питания №1,  реле № 2 - с элементами питания № 1 и 2, реле № 3 - с элементами питания № 1,2,3 и т.д. В итоге, реле № 10 - с элементами питания с № 1 по № 10. Например, реле могут быть выбраны в количестве 5 штук, с номера № 6 по № 10. Это будет означать, что в схеме управления будут использованы от шести  до десяти элементов питания 9.
Первые выходы реле 4 подключены к резистору 6, а вторые - к источнику питания 5.Источник питания 5 и резистор 6 выполнены с возможностью последовательного подключения к электродам магнитогидродинамического двигателя. Резистор 6 соединён с датчиком напряжения 7, подключённым к аналоговому  входу контроллера 2, соединенного с источником питания 8, осуществляющим питание контроллера 2.
Контроллер 2 запрограммирован с возможностью выбора номера реле и, соответственно, количества элементов питания в источнике питания, включения/выключения питания, а также с возможностью измерения силы тока.
В экспериментальной модели МГД двигатель представляет собой закрепленные под дном плавательного средства пластины-электроды и расположенный над ними магнит так, что направление магнитного поля перпендикулярно направлению электрического тока между электродами. При этом, магнит выполнен цилиндрическим из неодима. В качестве рабочей жидкости использовался раствор пищевой соды в концентрации 9%, поскольку раствор обычной поваренной соли приводил к коррозии пластин МГД двигателя с потерей их проводимости.
Устройство управления работает следующим образом.
С пульта управления (на чертеже не показан) подаётся сигнал в приёмник 1, выполняющий функцию ввода заданных данных.  Приёмник 1 формирует сигнал о номере используемого реле и, соответственно, о количестве используемых элементов питания (аккумуляторных батареек) 9 в источнике питания, а также сигнал о включении/выключении питания МГД двигателя.
Далее сигнал поступает на контроллер 2, выполненный на основе ARDUINOMEGA. Контроллер 2 формирует команды на включение реле 4 (под номером от 1 до 10 и соответственно, от 1 до 10 элементов питания).
Одновременно с этим на дисплее 3, выполняющем функцию  датчика индикации показаний, отражаются значения выбранного режима работы (номер реле, состояние двигателя - вкл./выкл).
Напряжение от источника питания 5 (например, от шести элементов питания 9) подаётся на один из электродов МГД двигателя. Одновременно через реле 4 напряжение подаётся на резистор 6 и на другой электрод МГД двигателя. При этом на резистор поступает малая часть (менее 5%) напряжения от источника питания 5.
Датчик напряжения 7 показывает значение напряжения на резисторе 6. Значение напряжения с датчика 7 подаётся на контроллер 2, который с помощью программы преобразует это значение в силу тока, соответствующую силе тока в МГД двигателе.
Значение силы тока отражается на дисплее 3. Это значение позволяет, в конечном итоге, контролировать параметры работы двигателя.
Принцип работы устройства управления представлен в виде алгоритма на фиг.3.
Устройство выполнено на основе следующих элементов.
Приёмник сигнала 1 - модуль XD-RF-5V.
Контроллер 2 - плата Arduino Mega на базе микроконтроллера ATmega2560(плата программируется с компьютера на языке АRDUINO, основанном на C/C++).
Дисплей  3 - дисплей OLED I2C 128x64 пикселей.
Реле 4 - десять электромагнитных реле марки GQC-3FF-S-Z.
Источник питания 5 - десять литий-ионных аккумуляторных батареек типоразмера 18650, каждая из которых (элемент питания 9) напряжением до 4,2 В.
Резистор 6 - манганиновая проволока, используемая в качестве шунта.
Датчик напряжения 7 - аналого-цифровой преобразователь, связанный с аналоговым входом платы ARDUINO.
Источник питания 8 - никель-металлогидридный аккумулятор типоразмера «Крона»
Пример конкретного выполнения (см. фото 4).
С пульта управления подается команда на выбор, например, седьмого реле. Команда поступает на ARDUINO. При этом на экране дисплея отражается число используемых элементов питания - семь. Напряжение, создаваемое ими, составляет 28 В. Далее с пульта управления поступает команда на включение двигателя. Приняв эту команду, ARDUINO  выводит на экран дисплея оповещение о включении и производит включение седьмого реле. При этом замыкается цепь с двигателем, семью элементами питания и резистором. ARDUINO снимает величину напряжения на резисторе, равную 0,9 В, преобразует ее в силу тока (6 А) и выводит эту величину на экран дисплея. Данная сила тока достаточна для результативной работы модели МГД двигателя.
Были проведены эксперименты при включении максимального количества элементов питания - 10 штук. Напряжение, создаваемое ими, составляло 40 В. Сила тока в двигателе была равна 9,5 А. При этом не происходило чрезмерного нагрева соединяющих проводов.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет дистанционно устанавливать количество используемых элементов питания, измеряет величину силы тока, которая, в свою очередь, вместе с индукцией магнитного поля определяет силу тяги магнитогидродинамических двигателей.
Заявляемое устройство управления при условии увеличения количества элементов питания, использовании более мощных соединительных проводов и реле со значительными допустимыми значениями тока может быть использовано и для мощных МГД двигателей.