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

уравнением для обычного двигателя постоянного тока [8]. При работе с зондом № 7 отмечалось уменьшение скорости при дальнейшем увеличении входной мощности после достижения максимального значения. В этом экстремаль­ ном случае при работе с зондом № 7 двигатель полностью останавливался при средней входной мощности 2,4 вт.

Ф и г. 6. Частотные характеристики скорости, к.с.в.н. и раз­ ности роторных токов СВЧ-двигателей волноводного типа.

/ — ирящсиис по часовой стрелке; 2—вращение против часовой стрелки.

---------- с к о р о с т ь ;-------------к .с .в .н .; - - - - ток.

В ходе экспериментов установили, что если при ис­ пользовании зонда № 1 удалять постоянный магнит (умень­ шать плотность потока), то скорость вращения увеличи­ вается до максимума, а затем уменьшается. Это соответст­ вует поведению скоростных характеристик электродвига­ теля постоянного тока при уменьшении плотности потока.

Все антенные зонды, использовавшиеся в эксперимен­ тах, с изменением рабочей частоты вели себя аналогич­ но: с изменением частоты менялась скорость роторной катушки. Все антенные зонды могли быть выполнены таким образом, чтобы остановка происходила при разных рабочих частотах.

В случае зонда № 8, как мы уже видели на фиг. 6, ротор после остановки начинает вращаться в обратном направлении. Изменение направления вращения вызвано рассогласованием импедансов волновода и антенного зон­ да при изменении рабочей частоты. Это рассогласование оказалось таким, что положения минимума и максимума тока катушки поменялись местами. Пунктирная кривая на фиг. 6 показывает разницу токов между статическими положениями при 0 и 180° Заметное несоответствие между разностью токов и скоростью обусловлено изменением условий согласования при движении антенного зонда и наличием вводов амперметра. В результате того, что по­ ложения минимума и максимума тока катушки меняются местами, в одном положении ротора происходило ускорение вместо движения по инерции и, наоборот, в другом положении — движение по инерции вместо ускорения.

Такая же остановка к изменение направления враще­ ния получены путем изменения положения короткозамыкающего поршня, расположенного за зондом отбора энергии. Изменение направления вращения возможно только для зондов № 4—12. Это обусловлено изменением разности между минимумом и максимумом индуцирован­ ного в антенне тока в результате изменения рабочей ча­ стоты или положения короткозамыкающего поршня. В аналогичных условиях антенные зонды № 1—3 оста­ навливаются и не меняют направления вращения, так как в положении наибольшей чувствительности в них совсем не индуцируется ток. При согласовании импедан­ сов индуцированного тока нет.

Если промодулировать входную мощность таким об­ разом, чтобы вращающий момент был более резко выражен в направлении движения с ускорением и менее резко в направлении движения по инерции, то будет получен параметрический режим работы. При одном из значений частоты модуляции, лежащем в области низких частот, синхронная скорость (число оборотов) роторной катушки оказалась в четыре раза больше входной частоты модуля­ ции. Это наблюдалось, когда сигнал модуляции имел фор­ му меандра [31. Когда сигнал модуляции имел синусои­ дальную или треугольную форму, наблюдалось появление

синхронных скоростей, вдвое больших частоты модуля­ ции. В диапазоне от более низких до весьма высоких ча­ стот модуляции число оборотов роторной катушки в минуту точно следовало за частотой модуляции.

В некоторой точке, лежащей за пределами этого диа­ пазона довольно высоких .частот модуляции, скорость роторной катушки падает опять до того значения, кото­ рое она имела без модуляции.

Б.Двигатели прямого действия. Авторы считают, что

внастоящее время конструирование рабочей модели СВЧ-двигателя прямого действия должно идти по пути использования принципов, примененных Шуднером при создании своего ВЧ-двигателя [5]. Роторную катушку ориентируют относительно статорной так, чтобы были созданы условия максимального резонанса. В результате этого в некоторой точке при повороте ротора на 360° вращающий момент будет наибольшим.

Вцелях создания СВЧ-двигателя прямого действия

авторы поставили несколько базовых экспериментов. В эти эксперименты входило определение величины силы электромагнитного поля, действующей между двумя ко­ роткозамкнутыми передающими линиями и двумя вит­ ками (контурами). Эти передающие линии и витки скон­ струированы так, чтобы в определенном положении друг относительно друга наблюдался резонанс, вызывающий максимальную силу взаимодействия. В модели с двумя катушками питание статорной и роторной катушек осу­ ществлялось через отдельные петли связи, укрепленные в конце волновода. Роторная катушка и ее петля связи располагались внутри статорных катушек и петли связи. Положения статорной и роторной катушек и соответст­ вующих петель связи отрегулированы так, чтобы отклю­ чение мощности и максимальное приводное усилие возни­ кали при надлежащих углах поворота. Петля связи рото­ ра ориентирована так, что каждый раз после поворота на 180° автоматически меняется направление возбужде­ ния роторной катушки, чем и обеспечивается непрерывное вращение. Поскольку авторы располагали оборудованием с ограниченным уровнем мощности и недостаточно чувст­ вительными приборами, ожидаемый эффект пока не был обнаружен. Однако они уверены, что, если использовать

достаточную мощность и ферритовые сердечники для ста­ торной и роторной катушек, их конструкция будет ра­ ботать.

III. Выводы

Исследовавшиеся два типа двигателей косвенного действия оказались удачными. Для управления процес­ сом приема и «отключения» подводимой к двигателю СВЧмощности в каждом из них использовался один из несколь­ ких вариантов антенных зондов. Принятая СВЧ-мощность поступала на последовательно включенный диод, и по­ лучившийся в результате постоянный ток питал ротор­ ную катушку. Установлено, что расположение зонда в волноводе способствует концентрации СВЧ-мощности и облегчает управление скоростью и направлением враще­ ния. Эти параметры оказалось возможным регулировать путем изменения уровня входной СВЧ-мощности, рабо­ чей частоты или положения короткозамыкающего порш­ ня. Далее, установлено, что модуляция входной СВЧмощности позволяет работать синхронно с частотой мо­ дуляции и благодаря отсутствию потребления мощ­ ности в области минимальной чувствительности антен­ ного зонда повышает рабочий к. п. д. Таким образом, СВЧ-двигатель прямого действия теоретически возможен.

5.6.3. ВОЛНОВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ А р д е н , Б р э д ш о у , М о р т е н с он

1.Введение

Внекоторых последних проектах систем высокоско­ ростного наземного транспорта в качестве направляющих используются цилиндрические трубы. Они защищают ва­ гоны от влияния погоды, актов хулиганства и внешних

помех движению (столкновений), гарантируя в то же вре­ мя относительно быстрый и высоконадежный способ со­ общения. Движение в трубах может осуществляться сжа­ тым воздухом; в некоторых конструкциях предлагается использовать силу тяжести или линейные асинхронные двигатели. В исследуемой в настоящее время конструк­ ции, предложенной проф. Фоа из Ренселеровского поли­ технического института [1], вагон движется в трубе при нормальном давлении воздуха с помощью помещенного в кожух воздушного винта или даже «безлопастного» вин­ та, запускаемого находящимся в вагоне двигателем. Площадь поперечного сечения вагона составляет пример­ но четверть поперечного сечения трубы, а ребра, идущие от вагона к стенкам, создают воздушные подушки, под­ держивающие вагон. При больших скоростях движения стабилизаторы и образуемые ими подушки дают такой же эффект, как и обычные самолетные крылья.

Двигатели вагонов могут работать на обычном топли­ ве или на электрической энергии, позволяющей изба­ виться от веса топлива и выхлопа отработавших газов.

металлические скользящие контакты не годятся. Передача мощности с помощью электромагнитной волны в волноводе имеет много достоинств. В трубе диаметром 5,5 м можно использовать относительно низкие частоты (в диапазоне 100—300 Мгц). Напряженность электрического поля при мощности 15 Мет, необходимой для вагона длиной 30 ж, оказывается гораздо ниже той, которая привела бы при нормальном давлении к ионизации воздуха. Безопасные плотности мощности в трубах рассчитаны в работах [2, 3],

II.Передача мощности на типе волны, обладающем малыми потерями

Так как мощность должна поступать в вагон от стан­ ций, расположенных вдоль трубы на расстояниях по край­ ней мере 40 км, потери в стенках трубы будут значитель­ ными. Чтобы сделать их минимальными, надо использо­ вать волну ТЕ^, обладающую малыми потерями, и до­ статочно высокие частоты, поскольку для этого типа волны затухание <х пропорционально / - 1/*.

Свойствам волны ТЕ%и трудностям и преимуществам ее использования для длинных линий передачи посвящена обширная литература. Преимущество в поведении а очевидно из фиг. 1 : на частоте 230 Мгц в металлической трубе диаметром 5,5 м а для волны ТЕ$\ в четыре раза меньше, чем для низшего типа волны ТЕп , и в десять раз меньше, чем для любой из волн типа ТМ. Требования широкополосности, предъявляемые обычно к линиям связи, в данном случае практически не существенны, зато серьезной проблемой при наличии неидеальных стенок волновода становится преобразование волны ТЕ1\ с ма­ лыми потерями в типы волн с большими потерями. На частоте 230 Мгц в круглом волноводе диаметром 5,5 м распространяется около 40 типов волн, а если учитывать поляризационное вырождение, то и вдвое больше. Малей­ шие отклонения, такие, как непрямолинейность (изгиб), эллиптичность или негладкость внутренней поверхности (случайные выпуклости, вмятины), ведут к преобразова­ нию энергии волны ТЕ%{ в энергию соответствующей

Однако можно ослабить требования к допускам, ис­ пользуя фильтры типов волн. Фильтр, исследуемый в на­ стоящее время в Ренселеровском политехническом инсти­ туте (и долгое время применявшийся при конструирова­ нии резонаторов с видами колебаний ТЕ$1р), представляет собой кольцевой зазор, как показано на фиг. 2. Только те из 40 упомянутых выше распространяющихся типов

Ф и г. 2. Фильтр типа волны, состоящий из равноотстоящих кольцевых зазоров.

волн Т Е , которые обладают круговой поляризацией, т. е. ТЕо\, ТЕ12 и ТЕЦз, не имеют продольных токов в стен­ ках. Если зазоры узкие, то взаимодействие этих трех типов волн выражается величиной второго порядка. В ра­ боте [5] проанализировано и измерено рассеяние в одиноч­ ном зазоре круглого волновода, возбуждаемом так, что распространяется только волна ТЕЦь а волна ТЕЦ2 по­ давляется. Наши исследования идут дальше и касаются волноводов с гораздо большим числом высших типов волн. При этом исследуются и вопросы рассеяния через зазор в поглотителях или дросселях.

Предварительные эксперименты весьма наглядно про­ демонстрировали фильтрующие способности такого зазо­ ра. Чтобы получить резонатор на виде колебаний ТЕЦ^, стальная труба диаметром 30 см с грубой и неполирован­ ной внутренней поверхностью была короткозамкнута на концах гладкими медными пластинами. В этом положении, когда пластины касались стенок трубы, возникал резо­ нанс на вырожденном виде колебаний ТМ°и и доброт­ ность резонатора <2 становилась равной 9000. После того как пластины отодвигались от стенок на 3 мм, добротность возрастала до 27 000, а вид ТМ°ц7 подавлялся. Это можно проверить, если для обнаружения пучностей поля про­

тащить через резонансную полость маленькую диэлек­ трическую бусину.

Для возбуждения волны ТЕ'оу в большой длинной тру­ бе надо прежде всего обратиться к конструкции много­ вибраторной антенны, возбуждающей одно или несколь-* ко концентрических относительно оси трубы одно­ родных колец тока. Конструкция должна быть, ко­ нечно, такой, чтобы антенна убиралась во время прохож-

Входмощности № 2

Входмощности №2

Фиг . 3. Соединение Рибле.

дения вагона. Второй возможный способ связи — через систему отверстий в стенке. Этот способ требует очень длинной секции связи, так как поля волны ТЕ$\ вблизи стенок слабы (что соответствует малым потерям в стен­ ках). Третьей и наиболее привлекательной системой связи является соединение Рибле, показанное на фиг. 3. Вокруг волновода диаметром 5,5л* соосно с ним располагается труба вдвое большего диаметра, а в волноводе создается зазор с регулируемой шириной I (фактически диаметры относятся друг к другу как значения корней функции Бесселя т. е. 3,832/7,017_= 1/1,83 и I имеет порядок

12 м). Мощность"волны типа ТЕ$ (в коаксиальной линии), попавшая через*вход № 2 во внешнюю трубу, в зазоре смешивается с мощностью, поступившей через вход № 1 от станций, питающих линию. При правильной фазировке источников мощности и точном подборе ширины зазо­ ров почти вся мощность выйдет из соединения через вы­ ход волновода № 3. Слово «почти» обусловлено возбужде­ нием в зазоре волн высших типов вплоть до ТЕ$г. Спосо­ бы их подавления сейчас изучаются. Чтобы не нарушить