ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО НА МАГНИТНОЙ ПОДУШКЕ

Полезная модель относится к транспортным средствам на магнитной подушке, и может использоваться как транспортное средство.
Из уровня техники известны многочисленные устройства поездов и других транспортных средств на магнитной подушке, содержащие: корпус, блок управления, силовую платформу, датчики высокого и низкого давления, блок питания, сидения водителя и пассажиров.
Недостатком всех этих известных устройств является малая скорость, слабая устойчивость, высокие затраты электроэнергии на перемещение.
Задача полезной модели: снижение затрат энергии на перемещение, увеличение скорости движения, повышение устойчивости транспортного средства.
Данный результат достигается за счет использования кратковременного эффекта невесомости.
Транспортное средство на магнитной подушке, содержащее корпус, блок управления, силовую платформу, датчики высокого и низкого давления, блок питания, сидения водителя и пассажиров, отличается тем, что силовая платформа транспортного средства состоит из четырех электромагнитов, каждый из которых создает направленное в одну сторону усилие, в определенный момент времени, причем все электромагниты подключены к блоку управления определенной полярности и смонтированы жестко на прочной раме днища корпуса с помощью стоек, и состоят из обмотки электромагнита, регулируемых зазоров, отверстий для крепления, постоянных магнитов, стоек крепления постоянных магнитов, сердечника электромагнита, который выполнен из стали или других ферроматериалов. А блок управления содержит микросхемы аналого-цифрового преобразователя.
Также транспортное средство на магнитной подушке может содержать генератор и стабилизатор - преобразователь напряжения.
Из 4 электромагнитов один используется для кратковременной компенсации веса тела, три других используются для перемещения транспортного средства в пространстве. Датчики принимают сигнал, необходимый для управления электронным блоком управления, электронный блок управления создает разряд (импульс) тока, поступающий на обмотки электромагнита, создающего направленный вектор силы (тяги), причем с высокой точностью величины тока.
При подаче малых величин импульсных токов на обмотки электромагнитов скорость перемещения устройства будет зависеть от точности установки величины импульсного тока. В данном устройстве импульсный ток один и тот же и разветвляется на все обмотки электромагнитов. Но возможно исполнение устройства управления, когда импульсные токи различны, исходят от двух (или более) разных источников.
В момент невесомости в любом случае остается остаточной вес, который весьма мал и в этот момент должен включится пространственный электромагнит, создающий направленный вектор силы (тяги) условно вперед.
Краткое описание чертежей.
На Фиг.1 показано устройство транспортного средства на магнитной подушке, где 1 - корпус транспортного средства, 2 - блок управления, 3 - силовая платформа - рама, 4 - датчики «высокого» давления, 5 - датчики «низкого» давления, 6 - блок питания, 7 - сидения водителя и пассажиров.
На Фиг.2 показан конструкция силовой платформы (вид сбоку), где 8 - стойки (служат для жесткого закрепления силовых электромагнитов), 9 - электромагнит, создающий направленный вектор силы (тяги) и задающий направление движения (пространственный), 10 - электромагнит, компенсирующий вес.
На Фиг.3 показан конструкция силовой платформы (вид сверху).
На Фиг.4 показано взаимодействие основных узлов транспортного средства, где 11 - генератор, ставится по необходимости вместе со стабилизатором - преобразователем напряжения. Генератор (11) вырабатывает импульсный ток, необходимый для подзарядки аккумуляторов (6). Аккумуляторы (6) вырабатывают необходимые напряжения и токи для работы блока управления (2).
На Фиг.5 показана конструкция электромагнита, создающего направленный вектор силы (тяги), где 13 - обмотка электромагнита, 14 - регулируемые зазоры, 15 - отверстия для крепления, 16 - постоянные магниты, 17 - стойки крепления постоянных магнитов. 18 - сердечник электромагнита. Постоянные магниты (16) имеют два полюса «северный» и «южный». Сердечник (18) выполнен из стали или других ферроматериалов и при подаче импульса тока на обмотку (13) тоже намагничивается определенным образом. На Фиг.5 показано: N - «северный» полюс, S - «южный» полюс. Если сердечник (18) намагнитить постоянным импульсным током таким образом, как показано на Фиг.5, то сердечник будет тянуть весь магнит вверх, так как южный полюс сердечника тянется к северному полюсу верхнего магнита (16), а северный полюс сердечника (18) отталкивается от
нижнего постоянного магнита (16). Это достигается подключением электромагнита к блоку управления определенной полярности. Сердечник (18) тянет весь электромагнит потому, что он жестко закреплен через отверстия (15) шпильками или болтами с рамой. Работа электромагнита регулируется также зазорами (14). Стойки (17) необходимы для жесткости крепления электромагнита к раме.
На Фиг.6 показана функциональная схема блока управления машиной, где АЦП (+) и АЦП (-) - микросхемы аналого-цифрового преобразователя, для датчика «высокого» давления и «низкого» давления, соответственно.
На Фиг.7 показан пример исполнения датчика давления, где 12 - область вакуума, 19 - слои пьезокерамики с деформацией сдвига по ширине, 20 - электроды, некоторые из которых могут быть связаны с корпусом датчика, 21 - отверстия для крепления датчика к корпусу транспортного средства. Вертикальные ребра (8) ставятся по мере необходимости в зависимости от полного веса машины и должны свободно выдерживать этот вес. В отсеке (12) поддерживается состояние вакуума или пониженного давления, уровень которого должен чувствовать слой пьезокерамики (19), вследствие чего на выходе верхнего слоя должен присутствовать некоторый потенциал. Электроды (20) выполнены из обычных металлов, применяемых для изготовления электродов пьезокерамики.
Сущность устройства
Транспортное средство на магнитной подушке (см. Фиг.1) состоит из корпуса (1), блока управления (2), силовой платформы - рамы (3), датчиков «высокого» давления (4), датчиков «низкого» давления (5), блока питания (6), сидений водителя и пассажиров (7). Силовая платформа крепится внутри транспортного средства, что позволяет ему при определенных условиях летать.
Датчики (4, 5) принимают сигнал, необходимый для управления электронным блоком управления (2), которое создает разряд (импульс) тока, поступающий на обмотки электромагнита, создающего направленный вектор силы (тяги). При подаче малых величин импульсных токов на обмотки (13) электромагнитов скорость перемещения устройства будет зависеть от точности установки величины разрядного импульсного тока. В данном устройстве импульсный ток один и тот же и разветвляется на все обмотки (13) электромагнитов.
В момент невесомости в любом случае, всегда остается остаточной вес, который весьма мал и в этот момент должен включиться пространственный электромагнит (9), создающий направленный вектор силы (тяги) условно вперед.
Силовая платформа (3) транспортного средства (1) состоит из 4-рех электромагнитов (9, 10), каждый из которых создает направленное в одну сторону усилие, в определенный момент времени, они смонтированы жестко на простой прочной раме (3) шпильками или винтами через отверстия 15 (см. Фиг.5).
Один (весовой) электромагнит (10) используется для кратковременной компенсации веса тела, три других (9) используются для перемещения транспортного средства в пространстве.
После подачи импульса при разряде емкости на обмотку силового электромагнита (емкость ставится на выходе тиристора для весового электромагнита (см. Фиг.6), ток формируется групповым переключателем для двух первых декад, либо переменным резистором и постоянными резисторами разветвляется на 2 части, большую и меньшую. Меньшая часть тока преобразуется в соответственно изменяющееся напряжение с помощью резистивного преобразователя ток/напряжение, которое, проходя через преобразователь аналог-цифра-аналог, формируется групповым переключателем, а проходя через сумматор-преобразователь напряжение/ток, собранный на резисторах, поступает на обмотку весового электромагнита. В результате, сердечник (18) (См. Фиг.5) весового электромагнита дергается вверх и тянет за собой всю платформу вверх, при этом величину силы тока необходимо установить нужной расчетной точности. От точности установки величины разрядного тока зависит остаточный вес транспортного средства. Формирование точности величины разрядного тока может быть осуществлено следующим образом. Сначала (см. Фиг.6) в момент разряда емкости ток разветвляют соответствующими резисторами на две части - большую и меньшую. Величина большего тока определяется целой частью необходимого значения силы тока и коммутируется токовым переключателем или меняется переменным резистором. Меньшая же часть проходит через преобразователь аналог - цифра - аналог, выполненный на восьмиразрядных микросхемах АЦП, где с помощью импульсов убирается либо добавляется необходимая часть цифрового потока при помощи подачи с резистивных делителей либо уровня напряжения логического нуля либо логической единицы. С помощью 24-рех кнопок с фиксацией на переключения набирается максимальный предел предполагаемой скорости. При этом уровни логического нуля или единицы подаются при помощи коммутации кнопок на логические элементы И-НЕ [термин И-НЕ означает логическое умножение. НЕ - инверсия то есть сдвиг цифрового потока на 90 градусов по его фазе. Пример логического умножения: 0*0=0, 0*1=0, 1*1=1. Пример элемента НЕ -если на входе будет уровень логической единицы, то на выходе будет уровень логического нуля и наоборот. Элемент же И-НЕ сочетает 2 эти функции (то есть и И, и НЕ)].
Таким образом, цифровой поток, проходя через резистивный ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) приобретает необходимо значение импульсного тока, ток суммируется с помощью резистивного сумматора тока и разряжается на обмотку весового электромагнита.
После этого на выходе преобразователя формируется необходимая величина разрядного тока и, проходя через токовый сумматор, складывается с большим значением величины разрядного тока, тем самым, формируя необходимую величину разрядного тока, подаваемого на индуктивную нагрузку. Согласно правилам Кирхгофа сумма токов в цепи всегда равна нулю, а суммироваться должны напряжения и ЭДС. Поэтому малый ток необходимо преобразовать в напряжение, проведя его через преобразователь аналог-цифра-аналог, снова преобразовав в ток. Самый простой способ это сделать при помощи резисторов.
На входе функцию преобразователя ток/напряжение выполняют резисторы, разветвляющие ток с дополнительным резистором. На выходе тоже стоит резистивный преобразователь напряжение - ток.
Токовый переключатель - основное средство регулировки величины импульсного тока и поэтому может являться органом управления транспортного средства. Регулировка движения по горизонтали и вертикали может осуществляться с помощью переменных резисторов (см. Фиг.5), регулирующих импульсный ток, подаваемый на соответственно весовой и пространственные силовые электромагниты. Так как блок управления - электронное устройство, представляющее собой аналого-цифровой узел, то есть собраны как на аналоговых, так и на дискретных элементах, то потери из за тепловых процессов в достижении момента невесомости можно уменьшить аналогично уменьшению веса транспортного средства, то есть применением температурных датчиков.
Все АЦП рекомендуется выбирать параллельными.
Органы управления машиной можно сделать, используя переменные и подстроечные резисторы и групповой переключатель вместе с одиночными кнопками. Номиналы элементов рассчитываются по общим правилам, принятым для расчета подобных схем. Отталкиваться в расчетах необходимо от максимально предполагаемого веса транспортного средства.
В качестве навигационного оборудования может быть использовано такое же, какое применяется в обычных самолетах, но электронное.
Принцип формирования движения транспортного средства.
В момент разряда емкости на обмотку (13) электромагнита происходит втягивание свободно закрепленного сердечника (18) (см. Фиг.5), который представляет собой полый цилиндр (возможно с зазором, чтобы уменьшить индукцию), выполненный из электротехнической стали, либо из ферросплавов (в зависимости от требуемой частоты переключения), который в свою очередь толкает все устройство в одном направлении, за счет того, что силовые электромагниты крепятся жестко на раме при помощи шпилек либо болтов, проходящих через сквозные отверстия (15) (См.Фиг.7).
В момент невесомости, определяемой показаниями датчиков давления, ускорения, вибрации, силы, гравитации и т.д. происходит срабатывания электромагнита (9), который тянет машину в одном направлении.
Тем самым устройство должно подскакивать в этом направлении. И, регулируя частоту колебаний и скважность, можно добиться устойчивого движения транспортного средства в определенном направлении.
Высота объекта над поверхностью в момент невесомости зависит от количества запасенной энергии в контуре электромагнита.
Пространственные электромагниты должны быть закреплены жестко на платформе под углом 45° к горизонтальной серединной плоскости машины. Вектор силы весового электромагнита направлен вверх, по отношению к земле.
Если необходимо сделать боковой вектор силового смещения, то он формируется двумя векторами: весовым и пространственным.
Принцип работы датчиков.
Мембрана каждого датчика (см. Фиг.7) состоит из двух слоев пьезокерамики (19) с деформацией сдвига по толщине. Для жесткости датчика можно предусмотреть ребра. Внутренний слой фиксирует опорное давление, искусственно создаваемое внутри полости. Соответственно на верхнем выходе присутствует некоторый потенциал. Нижний же слой реагирует только на изменение веса тела, то есть на нижнем выходе будет присутствовать изменяющийся потенциал. Причем можно сделать различным направление сдвига по толщине, чтобы слои не «видели» друг друга. Схема сравнения датчика сравнивает опорный потенциал, идущий с датчика, с потенциалом, изменяющимся в зависимости от величины приложенного к нему давления. Датчик зафиксирует вес тела. При подаче импульса разрядного тока на обмотки двигателя потенциал с датчика «высокого» давления должен меняться. Одновременно с этим должен меняться и потенциал датчика «низкого» давления. В результате схема сравнения может просто не сработать. Чтобы
схема сравнения сработала необходимо ввести линию задержки, которая задерживает изменение потенциала с датчика «высокого» или (и) «низкого» давления.
Принцип работы блока управления.
Схема «электронные крылья» реализует принцип работы обычных самолетных крыльев (подъемная тяга создается за счет разности давлений под крылом и снаружи, за счет набегаемого потока воздуха).
Так как сам объект перемещения тяжелый изначально, то датчик давления, фиксирующий высокое значение устанавливается под днищем транспортного средства, а датчик, фиксирующий низкое давление, соответственно сверху транспортного средства. Если кроме датчиков давления использовать датчик ускорения, например, то можно добиться компенсации ускорения объекта при толчке. Тогда внутри транспортного средства можно установить значение обычного земного притяжения. Можно сказать, что с помощью соответствующих датчиков формируется форма, амплитуда и длительность разрядного тока.
В качестве микросхем аналого-цифрового преобразователя в схеме «электронных крыльев» предпочтительно использовать микросхему параллельного АЦП, например, серии К 1107 ПВ 1, 2, 3, 4 или другого параллельного АЦП. Временную линию задержки для устойчивой работы датчиков можно организовать с помощью соответствующей логической схемы, запрещая или разрешая подачу потенциала на вход АЦП с датчиков. В качестве схемы сравнения можно вполне применить обычную микросхему сравнения, например серии К555СП1.
Микросхема сравнивает два четырехразрядных числа и в зависимости от результата на выходе появляется логический ноль, либо логическая единица. Два числа поступают от соответствующих АЦП, то есть от преобразованных сигналов с датчиков «высокого» и «низкого» давления.
Несоответствие формы транспортного средства формам типовым формам крыла самолета можно сгладить цифровым способом, используя микросхему ПЗУ (постоянно запоминающего устройства) и ту же микросхему сравнения. В результате на микросхеме сравнения будет логическая единица, которая говорит о том, что форма крыла не соответствует крылу самолета. Далее эта логическая единица (или ноль) подается на схему согласования с тиристором, запуская последний.
С датчиков в ПЗУ записывается опорная характеристика обычного самолетного крыла. Далее, при работе машины сигнал с датчиков сравнивается с записанной характеристикой с помощью тех же микросхем сравнения.
Выходная часть устройства управления.
Генератор или схема «электронных крыльев» подает импульсы на тиристор с датчика «высокого» давления. До этого момента конденсатор разряжен и начинает заряжаться с течением длительности импульса генератора через открытый тиристор. Когда тиристор закрывается, конденсаторы разряжаются через резисторы и преобразователь на обмотку электромагнита. Сердечник электромагнита свободно втягивается внутрь, потому что совершает работу, и передает усилие всей системе в целом. Платформа прыгает.
Работа блока управления.
Изменяющееся в зависимости от веса тела напряжение с датчиков (см. Фиг.6) через буферный усилитель (на Фиг.6 он не показан) поступает на входы микросхем параллельных АЦП 1 (+) и АЦП 2 (-), которые выполняют функцию двойного преобразователя аналог-цифра, так как на вход опорного напряжения подается сигнал с генератора, причем не одновременно, а с задержкой на один АЦП (для устойчивой работы блока), далее уже преобразованное напряжение в цифровой параллельный код поступает на схему сравнения, где коды с двух АЦП сравниваются между собой до тех пор пока на выходе микросхем не появится уровень логической единицы, что будет свидетельствовать о наличие момента равновесия транспортного средства. Далее эта единица поступает на схему согласования с тиристором, которая формирует необходимый импульс запуска для тиристора. Так реализуется схема «электронных крыльев» транспортного средства.
Схема согласования формирует импульсы также и для остальных электромагнитов. По замыслу в момент точки равновесия должен включиться пространственный электромагнит. Этот процесс достигается следующим образом: у микросхемы сравнения есть два выхода - инвертирующий и не инвертирующий, выводы с них (обоих) подаются на дополнительные элементы сравнения. Так как на один АЦП подается сигнал с генератора, идущий через линию задержки, то этот АЦП срабатывает с некоторым запаздыванием по отношению к другому, поэтому на выводах дополнительных элементов сравнения будет появляться в определенный момент уровень логической единицы, что и
свидетельствует о наличии момента равновесия (невесомости). Эта логическая единица, проходя через схему согласования с тиристором, запускает пространственные электромагниты. Если логической единицы не будет, то в эту часть схемы надо еще поставить линию задержки, которая и будет определять длительность момента равновесия. Тиристорный ключ весового электромагнита формирует импульс тока, величиной, не на много превышающей необходимую расчетную (для устойчивой работы и возможности регулировки). Далее этот импульс заряжает конденсатор, который почти одновременно разряжается через резисторный делитель тока, который делит ток на две части - большую и меньшую. Импульс тока поступает на групповой токовый переключатель (либо на переменный резистор), где формируется значение тока двух первых декад кнопками на замыкание с фиксацией. Большая часть тока проходит с группового переключателя без изменений и подается на сумматор тока. Меньшая же часть преобразуется в соответствующее изменяющееся напряжение преобразователем ток/напряжение, так как в сумматоре по правилу Кирхгофа могут сложится только напряжения, либо ЭДС, далее это напряжение поступает на параллельный преобразователь аналог-цифра-аналог. Часть преобразователя аналог-цифра может быть собрана на типовых микросхемах параллельного АЦП.
6
20
Разрядность АЦП выбирается исходя из необходимой точности установки тока, то есть количества знаков после запятой. Например, для 6ти знаков после запятой необходимая точность составит 0,999999, что соответствует 10 единиц или примерно 2 единиц, то есть должно быть 20-ти разрядное АЦП. Далее логические уровни разрядов поступают на входы двухвходовых логических элементов И-НЕ, на второй вход элементов И-НЕ подается с помощью кнопок на переключение с фиксацией уровни либо логического нуля, либо единицы.
Таким образом, формируется максимальный предел возможной скорости транспортного средства. Далее сигналы с выходов элементов И-НЕ поступают на резистивный цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, где суммируются напряжения уровней в один общий поток. Далее сигнал проходит через преобразователь напряжение/ток, где формируется зависимость выходного тока от точности установки напряжения с ЦАП.
Сумматор тока смешивает больший и меньший ток в единый, который поступает на обмотку весового электромагнита. При этом в обмотке (13) (см. Фиг.5) наводится ЭДС и сердечник весового электромагнита (18) втягивается в обмотку по направлению к верхнему магниту и тянет за собой всю платформу за счет жесткого крепления с рамой.