книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике

5.6. СВЧ-ДИНАМИКА

3.6.1. ВВЕДЕНИЕ О к р е с с

Побуждающими факторами для проведения исследо­ ваний и разработок СВЧ-двигателей косвенного (через статический выпрямитель) и прямого действия были, с одной стороны, желание преобразовать энергию перемен­ ного тока очень высокой частоты, или СВЧ-энергию, в механическую работу, а с другой стороны, потенциальные возможности различных заманчивых применений в меди­ цине и аэродинамике (парящие летательные аппараты или вертолеты, наземный сверхскоростной транспорт). Кроме этого, вызывали интерес вращающиеся преобразо­ ватели СВЧ-мощности в мощность переменного тока про­ мышленной частоты, проблемы непосредственного преоб­ разования механической работы в СВЧ-энергию и т. д. В настоящее время все усилия сосредоточены на повы­ шении к. п. д. преобразования, улучшении мощностных характеристик СВЧ-двигателей косвенного действия и на решении более сложных проблем, возникающих при конструировании СВЧ-двигателей прямого действия. Зна­ чительными преимуществами СВЧ-двигателей являются избавление от контактных колец и механических переклю­ чателей, параметрическое регулирование скорости, син­ хронность работы, управление скоростью и направле­ нием вращения с помощью СВЧ-модуляции, перспектива добиться частотнонезависимой работы, а также осуществ­ ление непосредственного взаимодействия с электромаг­ нитной энергией. В данном разделе обсуждаются раз­ личные аспекты этого направления.

Быстрому наземному передвижению с помощью элек­ трической энергии препятствует наличие механического контакта между средством передвижения (вагоном) й источником мощности, так что при предполагаемых вы­ соких скоростях возникает проблема скользящего кон­ такта, существенно ограничивающего мощность. Разре­

шить эту проблему пытались с помощью рассмотренной в разд. 5.6.3 СВЧ-системы. Система состоит по существу из металлической трубы, играющей роль волновода, из которого антенна вагона извлекает СВЧ-мощность и преобразует ее в мощность постоянного тока. Эта мощ­ ность необходима для запуска с помощью электрическо­ го двигателя воздушного винта [вагона, снабженного крыльями и скользящего внутри этой трубы на образую­ щейся при его движении воздушной подушке. На примере практического применения такой СВЧ-системы в конце данной главы рассматриваются теоретические основы этого метода, его достоинства, недостатки и перспективы дальнейшего развития.

5.6.2. СВЧ Д ВИ ГАТЕЛИ

Г а р н ь е р , К о р ю И с а и

I. Введение

Механизм получения электромеханического движе­ ния от преобразователя энергии (двигателя), питающегося только СВЧ-мощностью, был исследован лишь недавно. В основе предложенных авторами данного раздела дейст­ вующих моделей [1—3] лежат идеи и исследования Сток­ мана [4], нашедшие отражение в конструкции двигателя косвенного действия частоты 50 Мгц. Исходя из модели двигателя на 425 кгц%разработанной Шуднером [51, мы рассмотрим возможные пути конструирования СВЧ-дви- гателей прямого действия.

Целью проведенных авторами этого раздела исследо­ ваний было создание более эффективного двигателя (как косвенного, так и прямого действия), чем уже сущест­ вующие, и получение механического движения'с помощью источника СВЧ-мощности. Существующий метод заклю­ чается в совместном использовании статического преоб­ разователя постоянного тока (описанного в т. 1, гл. 4) и обычного двигателя постоянного тока.

Преимуществом двигателя Стокмана косвенного дей­ ствия, основанного по существу на том же методе, яв-

лнется отсутствие контактных колец и механического пе­ реключения. Кроме того, работа двигателя Стокмана не зависит от частоты. Двигатель Шуднера прямого действия дает возможность осуществить непосредственное взаимо­ действие с электромагнитной энергией более высоких частот способом, отличным от того, который теперь ис­ пользуется в обычных электродвигателях переменного тока.

Перспективы будущего использования эффективных мощных СВЧ-двигателей весьма разнообразны. Легкий СВЧ-двигатель мог бы заменить ректенну и обычный дви­ гатель постоянного тока, примененные в парящем верто­ лете 16]. Удаленный на некоторое расстояние СВЧ-дви­ гатель можно было бы непосредственно связать с генера­ тором переменного тока и таким образом преобразовать СВЧ-энергию в энергию переменного тока, которую затем легко распределить между потребителями. Работа над совершенствованием СВЧ-двигателя прямого действия может в конечном счете указать путь к созданию меха­ нического генератора СВЧ-энергии, подобного обычному генератору переменного тока. Все вышесказанное харак­ теризует основные возможности применения СВЧ-дви­ гателей.

II. Двигатель

СВЧ-двигатель косвенного действия в принципе яв­ ляется разновидностью электродвигателя постоянного то­ ка без коллектора и питается выпрямленным ВЧ-напря- жением, поступающим от какого-либо отборника энер­ гии, помещенного в электромагнитное поле. Условия постоянного вращения создаются лишь при выполнении следующей схемы: 1) антенна получает ВЧ-энергию;

2)диод выпрямляет ВЧ-энергию и дает постоянный ток;

3)конденсатор и катушка индуктивности образуют фильтр, который должен увеличить ток роторной катушки; 4) ро­ торная катушка создает магнитное поле, взаимодейст­ вующее с полем постоянного магнита; 5) в идеальном слу­ чае антенна, попадая при вращении в некое определенное положение, сама «отключается» от падающего на нее ВЧполя, в результате чего роторная катушка и постоянный

магнит не могут взаимодействовать друг с другом. Прак­ тически же антенный зонд не полностью «отключается» от ВЧ-поля, что обусловливает появление отрицатель­ ного вращающего момента. Результирующий вращающий момент определяет направление вращения.

СВЧ-двигатель прямого действия состоит из статора и ротора, возбуждаемых так, чтобы их электромагнитные поля непосредственно взаимодействовали друг с другом. Единственная действующая модель двигателя, питаю­ щегося ВЧ-эиергией, была разработана Шуднером. Он использовал взаимодействие двух последовательных ка­ тушек на частоте 425 кгц, менявшееся в зависимости от

.угла вращения.

А. Двигатели косвенного действия. Исследованы два типа СВЧ-двигателей косвенного действия. Их называют двигателями открытого типа и двигателями волноводного типа. Оба исследуемых двигателя косвенного действия имеют в основном одинаковые электрические схемы, за исключением области концентрации электромагнитной энергии вокруг зонда-отборника. Отборник энергии СВЧ-двигателя открытого типа помещается в электромаг­ нитное поле, распространяющееся в свободном простран­ стве. Отборник - энергии СВЧ-двигателя волноводного типа вводится через отверстие в волновод так, чтобы на него попадала электромагнитная энергия, распростра­ няющаяся %по волноводу.

Двигатели открытого типа. Авторами исследованы СВЧ-двигатели косвенного действия открытого типа трех конфигураций — с шлейфовым вибратором, петлей и с двойным шлейфовым вибратором. Фотография двигателя с двойным шлейфовым вибратором в рабочем положении (фиг. 1) могла бы служить иллюстрацией для двигателей всех трех конфигураций. Разница заключается в конструк­ ции самого зонда-отборника и способе закрепления по­ стоянного магнита. Антенные зонды всех конфигураций укреплялись в плоскости, расположенной под углом 45° к оси вращения. Таким образом был выполнен п. 5 разд. II. СВЧ-двигатель косвенного действия открытого типа имеет такую же электрическую схему, как и двига­ тель волноводного типа (фиг. 3). Различаются эти схемы лишь конструкцией и положением антенного зонда. Регу­

роторной катушки приводит к большему току и большему крутящему моменту [7]. Катушки роторов двигателей с петлей и шлейфовым вибратором имели соответственно 800 и 1000 витков провода № 27 (диаметр 0,36 мм). Ро­ торная катушка двигателя с двойным шлейфовым вибрато-

Ф и г. 2. Частотные зависимости скорости (пунктирные кри­ вые и темные кружочки) и тока (сплошные кривые и светлые кружочки) роторной катушки СВЧ-двигателя открытого типа с двойным шлейфовым вибратором.

ром содержала 550 витков бифилярной намотки провода № 28 (диаметр 0,32 мм). Сопротивление этих трех кату­ шек составляло соответственно 10, 13 и 7,25 ом.

Зависимость скорости роторной катушки для случая двойного шлейфового вибратора от частоты СВЧ-колеба- ний показана на фиг. 2. Штриховые кривые соответствуют зависимости скорости от частоты при разных уровнях

СВЧ-мощности. Ток катушки, измеренный в положении антенного зонда, когда этот ток максимален, представ­ лен сплошными кривыми.

Согласно фиг. 2, скорость двигателя с двойным шлей­ фовым вибратором имеет более резкую частотную зави-

Ф'и г. 3. Схема СВЧ-двигателя волноводного типа.

симость, а частотные характеристики тока катушки везде имеют плавный характер. Это означает, что резкая частотная зависимость не связана с характером самого зонда-отборника. Резкий спад, по-видимому, обусловлен тем, что в положении ротора, соответствующем отключен­ ному состоянию, меняется картина распределения стоя­ чей волны. Хотя это и не было подтверждено измерения­ ми, представляется вероятным, что в отключенном поло­