Двигатель
MOTOR

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и электрическим и может применяться на автомобильном, железнодорожном, воздушном, речном транспорте, на производстве в качестве силовых установок, а также в иных областях применения современных двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей.
В качестве наиболее близкого аналога двигателя выступают поршневые двигатели внутреннего сгорания с наклонно-якорным механизмом преобразования энергии поступательного движения поршня в энергию вращательного движения вала и вентильно-индукторные электрические двигатели с независимым возбуждением.
Уровень техники.
В качестве наиболее близкого аналога двигателя выступает двигатель, патент на изобретение RU 2324061 С2, зарегистрированный в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10 декабря 2010 года.
Заявленное изобретение отличается от аналога более простой конструкцией устройства, не имеющего регулирующих шестерен; заменой опорного обода и роликов на один элемент - подшипник; отсутствием зубчатых зацеплений якоря с опорным ободом; наличием регулирующей шайбы, позволяющей изменять степень сжатия газа в цилиндре; возможностью использования дополнительного магнитного соединения якоря с опорным подшипником либо возможностью размещения двух и более силовых качающих механизмов для обеспечения плавной работы двигателя на малых оборотах; возможностью использования прямых цилиндров и поршней; использованием вентильно-индукторного электродвигателя с качающимся ротором.
Основными причинами, препятствующими получению требуемого технического результата, в аналогичном двигателе, являются: сложность изготовления отдельных деталей: цилиндра и поршня изогнутой формы, зубчатых соединений якоря и опорного обода; невозможность регулирования степени сжатия газа в цилиндре; зависимость коэффициента полезного действия двигателя (далее - КПД) от значений массы якоря и скорости вращения его вершины, необходимых для достижения центробежной силы, прижимающей нижнюю часть основания якоря к опорному подшипнику.
Основными причинами, препятствующими получению требуемого технического результата, в современных двигателях внутреннего сгорания, являются: неполное сгорание газовой смеси, обусловленное использованием кривошипно-шатунного механизма; неполное преобразование энергии поступательного движения поршня в энергию вращательного движения вала ввиду используемого кривошипно-шатунного механизма с низким КПД; а в современных вентильно-индукторных электродвигателях - пульсирующий момент, возникающий при завершении процесса совмещения зубцов ротора с зубцами статора, сложность применения обмотки возбуждения ротора.
Технический результат от применения заявленного изобретения заключается в достижении более высокого КПД преобразования энергии поступательного движения поршня во вращательное движение вала, чем у двигателей внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, приближающегося к 100%; в устранении боковой силы воздействия поршня на стенку цилиндра; в возможности повышения мощности двигателя за счет регулируемой степени сжатия газа в камере сгорания и более полного сгорания газовой смеси; в более простой конструкции устройства, чем у аналогичного двигателя; устранении пульсирующего момента вентильно-индукторного электродвигателя, увеличении диапазона мощности вентильно-индукторного электродвигателя за счет размещения обмоток электрических проводов не только на статоре, но и на роторе без применения скользящего коллекторно-щеточного контакта от источника питания на обмотки ротора.
Описание изобретения.
Наличие нескольких частей (деталей, компонентов, узлов, блоков), соединенных между собой сборочными операциями, в том числе свинчиванием, сочленением, клепкой, сваркой, пайкой, опрессовкой, развальцовкой, склеиванием, сшивкой, обеспечивающими конструктивное единство и реализацию устройством общего функционального назначения (функциональное единство).
Согласно изобретению, двигатель состоит из корпуса 1, с валом вращения 2 с отклоняющимся коленом вала 2.1, соединенными между собой втулкой 2.2, со стопорной шайбой 2.3., с помощью которой вал подвижно закреплен в корпусе, на колено вала надет якорь 3, имеющий штырь 3.1, с маховиком 4, имеющим радиальный паз 4.1, с валом маховика 4.2, с опорным подшипником 5, с регулирующей шайбой 6, со скобой 7, с качающимся валом 8 с прямым рычагом 8.1 с роликом рычага 8.2, с поршнем 9, имеющим поперечный паз 9.1 для соединения с роликом прямого рычага и цилиндром 10 с окном для прохождения через него прямого рычага качающегося вала; с ротором 11 и статором 12 вентильно-индукторного электродвигателя, имеющими обмотки электрического провода 11.1 и 12.1.
Одним из вариантов устройства является двигатель, в котором нижняя часть якоря 3 и опорный подшипник 5 притягиваются друг к другу за счет магнитных свойств материалов, из которых они изготовлены, либо за счет электромагнитных полей, создаваемых электрическим полем в обмотках электрического провода, одна из которых намотана горизонтально вокруг обода опорного подшипника, а другая - вокруг якоря перпендикулярно его условной оси.
Одним из вариантов устройства является двигатель, в котором используется два либо более движущих качающих механизмов, каждый включающий в себя механизм внутреннего сгорания и (или) электродвигатель, содержащие качающийся вал 8 с рычагом 8.1 с роликом рычага 8.2, с прямым поршнем 9 и прямым цилиндром 10 двигателя внутреннего сгорания; с ротором 11 и статором 12 вентильно-индукторного электродвигателя, соединенных с дополнительными штырями якоря 3.1 через изогнутые рычаги 7.1.
Одним из вариантов устройства является двигатель, в котором используется качающий механизм внутреннего сгорания с качающимся валом 8 с рычагом 8.1, жестко соединенным с изогнутым поршнем 9, расположенным в изогнутом цилиндре 10, условная окружность которых, проходящая через центр по продольной оси, совпадает и расположена в плоскости, перпендикулярной условной оси качающегося вала.
Одним из вариантов устройства является двигатель, в котором вал 2 соединен с коленом вала 2.1 карданным соединением, либо шарниром равных угловых скоростей.
Конструктивное выполнение устройства, характеризуемое наличием и функциональным назначением частей устройства (деталей, компонентов, узлов, блоков), их взаимным расположением.
Наличие нескольких частей (деталей, компонентов, узлов, блоков), соединенных между собой сборочными операциями, в том числе свинчиванием, сочленением, клепкой, сваркой, пайкой, опрессовкой, развальцовкой, склеиванием, сшивкой, обеспечивающими конструктивное единство и реализацию устройством общего функционального назначения (функциональное единство).
В нижней части корпуса 1 расположен способный вращаться вал 2, не жестко зафиксированный стопорной шайбой 2.3., со способным отклоняться на некоторый угол коленом вала 2.1, соединенным с валом 2 втулкой 2.2, с якорем 3, надетым на колено вала 2.1, с маховиком 4 на валу вращения 4.2, маховик подвижно соединен с вершиной колена вала 2.1, способной перемещаться (отклоняться) по радиальному пазу маховика 4.1, с опорным подшипником 5, верхней части которого постоянно свободно касается своей нижней частью якорь 3, с регулирующей шайбой 6, расположенной под опорным подшипником 5, закрепленной в корпусе 1 на резьбе, при поворачивании в ту или в другую сторону перемещающейся соответственно вверх или вниз, способной поднимать или опускать опорный подшипник 5; со скобой 7, обоими концами через отверстия надетой на диаметрально расположенные штыри якоря 3.1 с возможностью поворота штырей в отверстиях, а по центру жестко соединенной с качающимся валом 8, который расположен перпендикулярно валу 2, подвижно закреплен в корпусе 1, имеет перпендикулярно расположенный прямой рычаг 8.1 с роликом на конце рычага 8.2, находящимся в подвижном соединении в пазу 9.1 с поршнем 9, расположенным в цилиндре 10, имеющим окно в центре своей боковой стенки, через которое проходит прямой рычаг качающегося вала 8.1; с ротором 11 на качающемся валу и неподвижным статором 12 вентильно-индукторного электродвигателя, имеющими обмотки электрического провода 11.1 и 12.1.
Одним из вариантов устройства является двигатель, в котором нижняя часть якоря 3 и опорный подшипник 5 притягиваются друг к другу за счет магнитных свойств материалов, из которых они изготовлены, либо за счет электромагнитных полей, создаваемых электрическим полем в обмотках электрического провода, одна из которых намотана горизонтально вокруг обода опорного подшипника, а другая - вокруг якоря перпендикулярно его условной оси.
Одним из вариантов устройства является двигатель, в котором используется два либо более движущих качающих механизмов, каждый включающий в себя механизм внутреннего сгорания и (или) электродвигатель, содержащие качающийся вал 8 с прямым рычагом 8.1 с роликом рычага 8.2, с прямым поршнем 9 и прямым цилиндром 10 двигателя внутреннего сгорания; с ротором 11 и статором 12 вентильно-индукторного электродвигателя, при этом качающие механизмы располагаются условными осями качающихся валов радиально к центру основания якоря в одной плоскости, которая перпендикулярна условной оси вращающегося вала 2, второй механизм соединяется с якорем через дополнительный штырь якоря 3.1 изогнутым рычагом 7.1, заменяющим скобу, а в случае трех и более механизмов, каждый из них соединяется с одним штырем якоря 3.1 через изогнутый рычаг 7.1, без скобы.
Одним из вариантов устройства является двигатель, в котором используется качающий механизм внутреннего сгорания с качающимся валом 8 с рычагом 8.1, жестко соединенным с изогнутым поршнем 9, расположенным в изогнутом цилиндре 10, условная окружность которых, проходящая через центр по продольной оси, совпадает и расположена в плоскости, перпендикулярной условной оси качающегося вала.
Одним из вариантов устройства является двигатель, в котором вал 2 соединен с коленом вала 2.1 карданным соединением, либо шарниром равных угловых скоростей.
Форма устройства в целом - корпус 1, с вращающимся валом 2 с отклоняющимся коленом вала 2.1, соединенными между собой втулкой 2.2, со стопорной шайбой 2.3., с якорем 3 в форме полусферы с отверстием по условной оси и с радиально расположенными в нижней части цилиндрическими штырями 3.1, с маховиком 4, имеющим радиальный паз 4.1 и вертикальный вал вращения 4.2, с опорным подшипником 5, расположенным на регулирующей шайбе 6, которая резьбой соединяется с корпусом, со скобой 7, надетой обоими концами через отверстия на противоположно расположенные штыри якоря 3.1, а по центру жестко прикрепленной к качающемуся валу 8 с прямым рычагом 8.1, на конце которого имеется круглый ролик 8.2; с поршнем 9, представляющим собой закрытый с обоих концов цилиндр с пазом 9.1, поперечным условной оси поршня и расположенным по его середине для зацепления с роликом прямого рычага 8.2, цилиндром 10, образующим две камеры сгорания, представляющим из себя закрытый цилиндр, с окном посередине стенки цилиндра, достаточным для качания проходящего через него рычага 8.1; с ротором 11 и статором 12 вентильно-индукторного электродвигателя, выполненных каждый в форме двух или более радиально расположенных зубцов, способных совмещаться попарно по условным радиальным линиям, имеющими каждый обмотки электрического провода 11.1 и 12.1.
Одним из вариантов устройства является двигатель, в котором нижняя часть якоря 3 и опорный подшипник 5 притягиваются друг к другу за счет магнитных свойств материалов, из которых они изготовлены, либо за счет электромагнитных полей, создаваемых электрическим полем в обмотках электрического провода, одна из которых намотана горизонтально вокруг обода опорного подшипника, а другая - вокруг якоря перпендикулярно его условной оси.
Одним из вариантов устройства является двигатель, в котором используется два, либо более движущих качающих механизмов внутреннего сгорания и (или) электродвигателя, каждый содержащий качающийся вал 8 с рычагом 8.1 с роликом рычага 8.2, с прямым поршнем 9 и прямым цилиндром 10 двигателя внутреннего сгорания; с ротором 11 и статором 12 вентильно-индукторного электродвигателя, при наличии двух движущих качающих механизмов их валы расположены между собой под углом в 90 градусов в одной плоскости, при наличии трех и более качающих механизмов их валы расположены между собой под равными углами (по 120 градусов и менее) в одной плоскости, которая перпендикулярна условной оси вращающегося вала 2, второй механизм соединяется с якорем 3 через дополнительный штырь якоря 3.1 через изогнутый рычаг 7.1, а в случае трех и более качающих механизмов, каждый из них соединяется с одним штырем якоря 3.1 через изогнутый рычаг 7.1.
Одним из вариантов устройства является двигатель, в котором используется качающий механизм внутреннего сгорания с качающимся валом 8 с прямым рычагом 8.1, жестко соединенным с изогнутым поршнем 9, расположенным в изогнутом цилиндре 10, условные оси поршней 9 и цилиндров 10 совпадают по условной окружности, расположенной в плоскости, перпендикулярной условной оси вала 8.
Одним из вариантов устройства является двигатель, в котором вал 2 соединен с коленом вала 2.1 карданным соединением, либо шарниром равных угловых скоростей.
Параметры и другие характеристики частей устройства (деталей, компонентов, узлов, блоков) и их взаимосвязи;
Радиус якоря 3 превышает радиус опорного подшипника 5 и соотносится с ним как гипотенуза с катетом в прямоугольном треугольнике.
Якорь 3 должен обладать массой, которая при вращении его вершины будет создавать центробежную силу, прижимающую нижнюю часть основания якоря к опорному подшипнику 5 и предотвращающую их разрыв; в качестве варианта может использоваться якорь 3 и опорный подшипник 5 из магнитных материалов, обеспечивающих их взаимное притяжение, препятствующее отрыву якоря 3 от опорного подшипника 5, которое может возникнуть от воздействия скобы 7 на штырь якоря 3.1 в первой половине ее хода при передаче поступательного движения поршня или качания ротора электродвигателя; для предотвращения отрыва якоря 3 от опорного подшипника 5 могут быть использованы также два, либо более движущих качающих механизмов, включающих в себя механизм внутреннего сгорания, содержащие качающийся вал 8 с рычагом 8.1 с роликом рычага 8.2, с прямым поршнем 9 и прямым цилиндром 10 двигателя внутреннего сгорания или без ролика рычага 8.2, но с изогнутым поршнем 9 и изогнутым цилиндром 10, и (или) вентильно-индукторный электродвигатель с качающимся ротором; при наличии двух движущих качающих механизмов их валы располагаются между собой под углом в 90 градусов в одной плоскости, а при наличии трех и более качающих механизмов их валы могут быть расположены между собой под равными углами (по 120 градусов и менее) в одной плоскости; для предотвращения отрыва якоря 3 от опорного подшипника 5 может быть использован качающий механизм, состоящий только из вентильно-индукторного электродвигателя, обеспечивающего качание ротора 11 по отношению к статору 12 на угол, не превышающий 90 градусов в период второй половины хода штыря якоря 3.1 по условной окружности его качания, в этом случае КПД преобразования качающего движения вала 8 во вращательное движение вала 2 приближается к 100%, тогда как в случае не обеспечения постоянной опоры якоря 3 на опорный подшипник 5, приближающийся к 100% КПД возможен только в период второй половины хода качания штыря якоря 3.1.
Для работы двигателя, содержащего качающий механизм внутреннего сгорания, для достижения постоянного значения КПД, приближающегося к 100%, минимально необходимо два таких механизма, расположенных своими валами 8 под углом 90 градусов между собой, содержащими каждый по одному цилиндру 10 и поршню 9, образующими две камеры сгорания с циклом работы двухтактного двигателя, либо содержащие каждый по два цилиндра с двумя поршнями, образующими четыре камеры сгорания в каждом механизме с четырехтактным циклом работы двигателя внутреннего сгорания, что обеспечивает поочередное воздействие силы поступательного движения поршня на каждый из двух штырей якоря 3.1 во второй половине его хода, соответствующей четверти оборота вала 2, так, что в момент начала цикла расширения поршень одного качающего механизма воздействует через штырь якоря 3.1 в первой половине его хода, а поршень другого механизма, прошедший в цикле расширения первую половину хода, воздействует на второй штырь якоря 3.1, расположенный под прямым углом к первому, во второй половине его хода, прижимая к опорному подшипнику, препятствуя отрыву якоря от опорного подшипника, что было бы возможно в результате воздействия первого поршня.
Центр крепления колена вала 2.1 к валу 2 совпадает с центром основания якоря 3, условная ось втулки 2.2 проходит через условный центр основания якоря.
Прямой рычаг 8.1 перпендикулярен условной оси качающегося вала, скоба 7 и (или) изогнутый рычаг 7.1 в точке крепления к условной оси качающегося вала также перпендикулярны ему, однако изогнуты по окружности, огибающей скобой на половину, а изогнутым рычагом на четверть окружность основания якоря; условная ось качающегося вала проходит через центр основания якоря 3.
Источником питания вентильно-индукторного электродвигателя может быть как постоянный, так и переменный ток, что возможно при разном направлении обмоток ротора 11 и статора 12, при этом, ввиду того, что ротор не совершает полных оборотов вокруг своей оси, а лишь качается, возможно соединение обмоток ротора и статора, при пропускании по которым постоянного или переменного электрического тока создаются магнитные поля с противоположным расположением магнитных полюсов ротора 11 и статора 12, которые стремятся к притягиванию наиболее близко расположенных зубцов ротора 11 и статора 12 по одной условной радиальной линии, качая ротор; однако использование переменного тока применимо только в фазе работы вентильно-индукторного электродвигателя на взаимное притяжение зубцов ротора и статора, в случае же использования и фазы их взаимного отталкивания необходимо раздельное подключение обмоток к постоянному току и смена направления движения постоянного электрического тока в одной из них при смене фазы притяжения на фазу отталкивания.
Источником питания обмоток якоря и опорного подшипника (в варианте двигателя) может быть как постоянный, так и переменный ток, что возможно при разном направлении обмоток, при пропускании по которым электрического тока создаются магнитные поля с противоположным расположением магнитных полюсов, обеспечивая притяжение нижней части якоря к опорному подшипнику.
Материал, из которого выполнены части устройства и (или) устройство в целом.
Элементы устройства могут быть выполнены из металлов и иных прочных материалов; якорь 3 должен быть выполнен из материала, обладающего необходимой массой для развития центробежной силы от вращения его вершины на рабочих оборотах двигателя, достаточной для обеспечения постоянного соединения нижней части якоря 3 с опорным подшипником 5, якорь 3 и опорный подшипник 5 могут быть выполнены из магнитных материалов, обеспечивающих их взаимное притяжение, либо следует использовать вариант двигателя, содержащего два, либо более движущих качающих механизмов, каждый из которых в период второй половины хода поршня 9 в процессе расширения газа, либо магнитного взаимодействия зубцов ротора и статора обеспечивает через скобу 7 и (или) рычаг (рычаги) 7.1 поочередное воздействие на соответствующий штырь якоря 3.1 в период второй половины его хода по условной окружности его качания, последовательно прижимая якорь 3 к опорному подшипнику 5, в результате чего достигается КПД устройства близкий к 100% вне зависимости от центробежной силы вращения вершины якоря либо магнитной силы притяжения якоря и опорного подшипника.
Двигатель может быть изготовлен и собран исходя из общих принципов двигателестроения и уровня современной техники, не имеет каких-либо конструктивных элементов, изготовление которых требовало бы применения специальных технологий.
Краткое описание чертежей.
Фигура 1 - двигатель вид сбоку.
Фигура 2 - двигатель вид сверху.
Фигура 3 - двигатель, вид спереди.
Осуществление изобретения.
Двигатель действует следующим образом:
При возвратно-поступательном движении поршня 9 он качает прямой рычаг 8.1 вала 8, скользя по ролику 8.2 и качает соединенную с валом 8 скобу 7, которая обоими концами через отверстия надета на противоположно расположенные по одной условной оси штыри якоря 3.1 и качает якорь 3, при этом якорь не проворачивается вокруг своей оси, удерживаемый от проворачивания скобой 7; нижняя часть наклоненного основания якоря последовательно перекатывается по опорному подшипнику 5, постоянно касаясь его своей нижней кромкой, прижимаемая центробежной силой, возникающей от вращения вершины якоря, либо магнитной силой притяжения якоря и опорного подшипника, при этом каждый штырь якоря 3.1 совершает качательное возвратно поступательное движение в относительно вертикальной плоскости, а якорь своей вершиной вращает колено вала 2.1, которое в свою очередь вращает маховик 4 с валом 4.2, вращает и вал 2; при подключении электрического тока к обмоткам 11.1 ротора и 12.1 статора в момент, когда их зубцы разведены между собой на некоторый угол, при разном направлении обмоток и одинаковом направлении электрического тока создаются магнитные поля с противоположным расположением магнитных полюсов ротора 11 и статора 12, которые стремятся к притягиванию наиболее близко расположенных зубцов ротора 11 и статора 12 по одной условной радиальной линии, качая ротор 11 и вал 8, через него качая скобу 7, которая качает якорь 3, вращающий своей вершиной колено вала 2.1, которое в свою очередь вращает маховик 4, вращает и вал 2, а при изменении направления движения электрического тока в обмотках ротора или статора, их зубцы за счет взаимодействия магнитных полей с одинаковым расположением полюсов будут отталкиваться, качая вал 8, скобу 7, якорь 3 и вращая вал 2 с маховиком 4.
При использовании варианта двигателя, в котором якорь 3 и опорный подшипник 5 притягиваются друг к другу за счет магнитных свойств материалов, из которых они изготовлены, создается дополнительная сила, предотвращающая отрыв якоря от опорного подшипника, что необходимо для обеспечения КПД двигателя, приближающегося к 100% в случае использования в устройстве только одного движущего качающего механизма, передающего усилие на скобу 7 в том числе в период первой половины хода штыря якоря 3.1 по условной окружности его качания; в случае же использования в качестве движущего качающего механизма только вентильно-индукторного электродвигателя, работающего лишь в фазе притяжения зубцов ротора и статора, разведенных между собой на угол не свыше 90 градусов, воздействие на штырь 3.1 якоря от скобы 7 происходит только во второй половине хода штыря якоря, в первой же половине его хода вентильно-индукторный электродвигатель не работает, а качание якоря 3 в период разведения зубцов ротора 11 и статора 12 осуществляется за счет кинетической энергии маховика 4, в связи с чем отрыв нижней части якоря от опорного подшипника исключен и создания дополнительных сил притяжения якоря к опорному подшипнику не требуется.
При использовании варианта двигателя, содержащего два либо более движущих качающих механизмов, каждый из них в период второй половины хода поршня 9 в процессе расширения газа, либо в период совмещения зубцов ротора 11 и статора 12, разведенных между собой на угол не свыше 90 градусов, обеспечивает через скобу 7 и рычаг 7.1 или через рычаги 7.1 поочередное воздействие на соответствующий штырь якоря 3.1 в период второй половины его хода по условной окружности его качания, последовательно поочередно прижимая якорь 3 к опорному подшипнику 5, в результате чего достигается КПД устройства близкий к 100% вне зависимости от центробежной силы вращения вершины якоря либо магнитной силы притяжения якоря и опорного подшипника.
При использовании в качестве варианта двигателя, в котором используется качающий механизм внутреннего сгорания с качающимся валом 8 с рычагом 8.1, жестко соединенным с изогнутыми поршнем 9 и цилиндром 10, повышается КПД преобразования поступательной силы воздействия поршня в процессе расширения газа, за счет движения поршня по окружности и устранения механических потерь, возникающих в двигателе с прямой формой поршня и цилиндра при отклонении вектора приложения силы расширения газов от условного перпендикуляра оси поршня 9 к рычагу 8.1.
При поворачивании по резьбе и опускании регулирующей шайбы 6 происходит опускание расположенного на ней опорного подшипника 5 и увеличение угла наклона якоря 3, вследствие чего происходит отклонение колена вала 2.1 со смещением его вершины по пазу маховика 4.1 к его краю и увеличение амплитуды качания штыря 3.1 якоря и угла качания скобы 7, соответственно происходит увеличение угла качания вала 8 и рычага 8.1, что влечет увеличение хода поршня 9 и увеличение степени сжатия газа в цилиндре 10, а при поворачивании по резьбе регулирующей шайбы 6 в обратном направлении происходит ее подъем, и как следствие, уменьшение степени сжатия газа в цилиндре.