CZ2019524A3 - Zařízení pro vytváření elektrických pulzů - Google Patents

Abstract

Zařízení pro vytváření elektrických pulzů obsahuje zdroj (1) pohybu s pulzním tlakovým působením, hlavní pohyblivý díl (7), jehož pohyb je mechanicky ovládán zdrojem (1) pohybu, zdroj (4) magnetického pole a alespoň dva výstupní kontakty (6) pro odběr výstupních elektrických pulzů. Zařízení dále obsahuje alespoň dva mechanické vodicí prvky (9) pro usměrnění pohybu hlavního pohyblivého dílu (7) na pohyb lineární a alespoň dva elektricky vodivé prvky (2) totožné nebo odlišné od mechanických vodicích prvků (9). Elektricky vodivá část hlavního pohyblivého dílu (7) je s elektricky vodivými prvky (2) elektricky propojena pomocí alespoň dvou kluzných kontaktů (3) tak, že alespoň dva z elektricky vodivých prvků (2) jsou v kontaktu s navzájem různými kluznými kontakty (3) a jsou také připojeny k navzájem různým výstupním kontaktům (6). Zdroj (4) magnetického pole je uspořádán tak, že generuje magnetické pole v oblasti, kde se pohybuje hlavní pohyblivý díl (7).

Description

Zařízení pro vytváření elektrických pulzů

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro vytváření elektrických pulzů založeného na principu elektromagnetické indukce, které obsahuje elektrické kontakty, zdroj pohybu a zdroj magnetického pole. Jde o oblast techniky, kde je využíván jev elektromagnetické indukce v kombinaci s pohybem dílčího celku elektrického stroje. Vynález se soustřeďuje na generování elektrického proudu a souvisejícího výkonu převážně v pulsním režimu.

Dosavadní stav techniky

Pro generování elektrické energie jevem elektromagnetické indukce, je dle známých fyzikálních zákonů nutná časová změna magnetického pole, v souladu s Faradayovým indukčním zákonem, resp. 2. Maxwellovou rovnicí. Této změny se aktuálně v nejvíce případech dosahuje buď změnou vzájemné polohy zdroje magnetického pole (např. magnetu) a smyčky, ve které s proud indukuje. Jsou známé mnohé geometrie a uspořádání, jak tohoto jevu dosáhnout a typicky se pak jedná o elektrický stroj pro generování energie. Pokud tento zdroj dodává elektrickou energii v konstantním režimu, je typicky konstruován jako rotační, kdy vzájemnou rotací zdroje magnetického pole (magnetu, či elektromagnetu) a cívky, v níž dochází k indukci elektrického proudu, dochází v soustavě k časové změně magnetického pole. Takovýto generátor pak dodává energii v konstantním režimu, kdy výstupní elektrický proud, může pak být stejnosměrný, nebo střídavý, což záleží na samotné konstrukci stroje (dynamo nebo synchronní generátor). Prakticky se ovšem velmi málo obdobné generátory využívají v režimu pulsním. Možné použití v obdobné problematice je využití těchto generátorů ve zkušebnictví. Využívá se roztočení generátoru cizím strojem (elektromotorem), který generátor roztočí na pracovní otáčky soustrojí. Energie je tak akumulovaná v rotačním pohybu. Poté generátor začne dodávat energii do zkoušeného obvodu, přičemž jeho otáčky klesají. Tento způsob použití je v případě rotačních generátorů nejvíce podobný sledovanému zařízení, ovšem k dodávání elektrické energie dochází po delší časový úsek - typicky jednotky až desítky sekund.

Dále je možné ke generování elektrického proudu využít některého z netradičních uspořádání, pracujících na principu elektromagnetické indukce. Takovým zařízení je například stroj popsaný v dokumentu DE2654629. Toto zařízení využívá specifické geometrie k indukci proudu. Také k pohybu dochází lineárním, nikoliv rotačním způsobem. Je zde k iniciaci pohybu využito stlačeného plynu, který rytmicky pohybuje pístem v lineárním cyklickém směru. Výstupní proud je ovšem střídavý, neboť zařízení pracuje v cyklickém režimu. Nejedná se o zařízení pracující v režimu pulzním. Také vzhledem ke konstrukci přístroje, není možné jednorázově použít například potenciální chemickou energii.

Kombinací výše uvedených možností, je tzv. homopolámí generátor, který využívá jevu elektromagnetické indukce při rotačním pohybu. Nepoužívá přitom pohyb magnetu okolo cívek, ale rotace elektricky vodivého plechu v externě dodaném magnetickém poli, které je rovnoběžné s osou otáčení. Na krajích elektricky vodivého plechu se pak separuje elektrický náboj a vzniká tak napětí mezi středem a krajem rotujícího disku. Sem jsou pak situovány elektrické kontakty, které vzniklé elektrické napětí odvádějí do obvodu se spotřebičem. Typicky se tento generátor používá v pulzních aplikacích.

Další možností pro generování elektrické energie v pulzním režimu je soustava elektronických součástek, které ve vhodném uspořádání mohou tvořit generátor pulzní elektrické energie. Typicky se jedná o kondenzátorové nebo indukční úložiště. K těmto zdrojům je nutno doplnit externí zdroj elektrické energie, který toto úložiště nabije. Je to jakási obdoba motoru, který roztáčí rotační generátor v předchozím případě. Tyto soustavy na rozdíl od rotačních generátorů naopak často

-1 CZ 2019 - 524 A3 pracují v pulzním režimu, kdy je do těchto úložišť uložena elektrická energie z externího zdroje a pak je naráz vybita do zátěže. Existuje mnoho možných kombinací a řazení těchto prvků pro dosažení optimálních parametrů - například tvar a čas vyprodukovaného pulzu.

Obecně je však snaha uskladnit v těchto zdrojích co nejvíce elektrické energie, což je dosahováno nejčastěji použitím více těchto prvků - například kondenzátorů. Tato varianta s sebou ovšem nese nároky na vyšší hmotnost a případně objem systému, přičemž například u přenosných systémů jsou tyto vlastnosti nežádoucí.

Další možností je optimalizace vnitřní geometrie a použitých (v případě kondenzátorů dielektrických) materiálů, aby tyto součástky byli schopny pojmout co nejvíce elektrického náboje a stím související elektrické energie. Existují materiály, které jsou obecně známé a hojně používané - například určité druhy olejů, případně speciálních kondenzátorových papírů, které se standardně používají a dosahují dobrých dielektrických vlastností. Pokud ovšem bude požadavek na kondenzátor, který má omezené rozměry, je vhodné zaměřit se právě na tuto oblast. Tedy je snaha nalézt materiál, který má vysokou relativní permitivitu, neboť to pak vede na možnost uschování většího množství energie než u materiálů s relativní permitivitou nižší. V této oblasti stále probíhá intenzivní výzkum. Neposlední možností pro uschování více energie je zvýšení pracovního napětí soustavy, neboť uschovaná energie závisí na kvadrátu napětí. To sebou však nese nevýhodu nutnosti dimenzování generátoru a celého systému na vyšší hladiny napětí. Například dielektrický materiál mezi elektrodami kondenzátorů musí tomuto napětí odolat a nesmí dojít k elektrickému průrazu mezi elektrodami kondenzátorů. Také je nutné z takto nabitého kondenzátorů energii efektivně vyvést, a to, pokud možno s minimálními ztrátami. Všechny tyto uvedené skutečnosti podstatně ovlivňují velikost napěťové hladiny, na které smí být úložiště energie, v tomto případěkondenzátor, používáno.

Na vytváření elektrický pulzů s využitím detonační vlny se zaměřuje skupina generátorů, které se nazývají magnetokumulativní generátory, případně označované jako generátory s kompersí magnetického toku, zkráceně MCG generátory. Tento druh generátorů se používá výhradně v pulsním režimu a jejich chod je neopakovatelný, neboť pro akci se využívá chemicky vyvolaná rázová vlna, která zařízení částečně, nebo zcela destruuje. Princip funkce tohoto zařízení tkví v prudké změně geometrických rozměrů generátoru. V tomto případě je nutný iniciační proud, který protéká primární cívkou. Chemickou reakcí je vyvolaná detonační vlna, která v generátoru prudce změní rozměry, což má za následek velikou časovou derivaci iniciačního proudu. Samotné uspořádání struktury je často koaxiálního typu, kdy vnitřní dutý vodič je často naplněn chemickou složí a vnějším vodičem protéká elektrický proud. Ten tvoří magnetické pole, které je pak kompresí stlačeno a energie pole je transformována v elektrický proud, který je pak směřován do zátěže. Pokud se na tuto stavu zaměříme integrálním popisem, lze jí popsat dle principu zachování energie, přičemž vstupní energie je primární proud (ekvivalent kinetické energii) a chemická energie (ekvivalent potenciální energii). Výstupní energie je pak úměrná proudu, který generátor vyprodukuje, přičemž při ideální přeměně energie, by měla tato energie být součtem obou energií vstupních.

Na poli MCG generátorů probíhá v současnosti intenzivní výzkum na zlepšení jejich účinnosti a je snaha dosahovat co největších proudů v krátkých časových okamžicích. Celý MCG generátor je ovšem konstrukčně velmi složité zařízení. Také je z principu funkce jeho opakované použití nemožné, takže i samotný výzkum v této oblasti je velmi nákladný.

Podstata vynálezu

Nevýhody výše uvedených uspořádání pulzních generátorů odstraňuje zařízení pro vytváření elektrických pulzů dle předkládaného vynálezu. Předkládaný vynález se od řešení známých ze stavu techniky liší zejména jednoduchostí uspořádání a konstrukce a menšími rozměry a hmotností. Na rozdíl například od MCG generátorů je také možné část zařízení dle prezentovaného vynálezu

- 2 CZ 2019 - 524 A3 používat opakovaně. Oproti dosud známým generátorům je dále možné snadno konfigurovat časový průběh generovaného proudu. Další výhoda je také v možnosti použití stlačeného plynu, jako například vzduchu pro generování lineárního pohybu, což je mnohem bezpečnější varianta pohonu než v případě konkurenčního MCG generátoru, kde se pro iniciování pohybu používá výhradně chemická slož.

Zařízení pro vytváření elektrických pulzů dle předkládaného vynálezu obsahuje zdroj pohybu s pulzním tlakovým působením, alespoň částečně elektricky vodivý hlavní pohyblivý díl, jehož pohyb je mechanicky ovládaný zdrojem pohybu, zdroj magnetického pole a alespoň dva výstupní kontakty pro odběr výstupních elektrických pulzů, Podstatou tohoto zařízení je, že dále obsahuje alespoň dva mechanicky vodicí prvky pro usměrnění pohybu hlavního pohyblivého dílu na pohyb lineární a také alespoň dva elektricky vodivé prvky které j sou totožné s mechanicky vodícími prvky nebo které jsou od nich odlišné, přičemž elektricky vodivá část hlavního pohyblivého dílu je s těmito elektricky vodivými prvky elektricky propojena pomocí alespoň dvou kluzných kontaktů tak, že alespoň dva z elektricky vodivých prvků jsou v kontaktu s navzájem různými kluznými kontakty aj sou také připojeny k navzájem různým výstupním kontaktům. Zdroj magnetického pole je uspořádán tak, že generuje magnetické pole, které je přítomno alespoň v části oblasti, kde se pohybuje hlavní pohyblivý díl usměrněný mechanicky vodícími prvky. Vektor intenzity tohoto generovaného magnetického pole je přitom různoběžný vůči směru lineárního pohybu hlavního pohyblivého dílu.

Ve výhodném provedení je pulzní tlakové působení zdroje pohybu vybráno ze skupiny obsahující působení výbuchu, působení rozpínání stlačeného plynu a působení přímého nebo zprostředkovaného mechanického úderu na hlavní pohyblivý díl.

V nej výhodnějším provedení je vektor intenzity magnetického pole generovaného zdrojem magnetického pole kolmý na směr pohybu hlavního pohyblivého dílu.

Zdroj magnetického pole je s výhodou vybrán ze skupiny obsahující permanentní magnety, elektromagnety s časově stálým polem, elektromagnety s pulzním polem a kombinace některých nebo všech těchto typů magnetů.

Je výhodné, když jsou alespoň dva z mechanicky vodicích prvků lineární a navzájem rovnoběžné.

V jednom příkladném provedení pak mají mechanicky vodicí prvky podobu elektricky vodivých kolejnic a jsou totožné s elektricky vodivými prvky.

Do hlavního pohyblivého dílu může být vložena výstelka z magneticky vodivého materiálu s relativní permeabilitou větší než 1.

Takto koncipované zařízení může nahradit dosavadní zařízení pro generování elektrických pulzů s objemnými a hmotnými úložišti elektrické energie, kterými jsou typicky kondenzátorové, nebo indukční banky. Vynález je vhodný pro použití v oblastech, kde jsou kladeny nároky na nízkou hmotnost a rozměry zařízení, neboť je možné energii uložit v externím úložišti, jako například stlačený vzduch, a pak pulzně využít za pomocí tohoto generátoru. Není nutné používat objemná a těžká úložiště na bázi kondenzátorů. Zařízení pro vytváření elektrických pulzů dle předkládaného vynálezu je navíc na rozdíl od MCG generátorů opakovaně použitelné a je při provozu bezpečnější, protože se obejde bez chemických reakcí, které v MCG generátorech slouží jako spouštěč detonační vlny.

Objasnění výkresů

V obr. 1 je schématicky znázorněn horní pohled na zařízení pro vytváření elektrických pulzů v jednom příkladném provedení.

-3CZ 2019 - 524 A3

V obr. 2 je schématicky znázorněn axonometrický pohled na zařízení pro vytváření elektrických pulzů ve stejném příkladném provedení, jaké je v obr. 1.

V obr. 3 je schématicky znázorněna možná optimalizace tvaru hlavního pohyblivého dílu 7 a kluzných kontaktů 3 v horním pohledu. Také je znázorněna výstelka 8 z materiálu s relativní permeabilitou větší než 1.

V obr. 4 je pak znázorněno provedení, v němž jsou mechanicky vodicí prvky 2 odděleny od elektricky vodivých prvků 9.

Příklady uskutečnění vynálezu

Vynález pro svou funkci využívá známého principu elektromagnetické indukce, který je popsán v kapitole dosavadní stav techniky. Podstata spočívá v novém geometrickém uspořádání dílčích celků vynálezu, které jsou situovány tak, aby docházelo k indukci elektrického proudu v pulzním režimu, podle určitých požadavků uživatele. K vyvolání jevu elektromagnetické indukce se nepoužívá principu střídavého nebo pulzního elektromagnetického pole jako například v transformátorech, ale náhlé změny geometrie určitého uspořádání daných prvků - jako například v rotačním generátoru. Vynález ovšem využívá nikoli rotační, ale lineární pohyb. Dle specifické geometrie a jiných volitelných vstupních parametrů je pak možné určovat parametry výstupního proudového impulzu.

V obr. 1 a v obr. 2 je ve dvou různých pohledech znázorněno jedno příkladné provedení zařízení pro vytváření elektrických pulzů. Toto zařízení obsahuje zdroj 1 pohybu, který je schopen vyvinout pulzní tlakové působení, dále alespoň částečně elektricky vodivý hlavní pohyblivý díl 7, jehož pohyb je mechanicky ovládaný zdrojem 1 pohybu, zdroj 4 magnetického pole a alespoň dva výstupní kontakty 6 pro odběr výstupních elektrických pulzů.

Pro vynález je podstatné, že zařízení dále obsahuje dva mechanicky vodicí prvky 9 pro usměrnění pohybu hlavního pohyblivého dílu 7 na pohyb lineární a také alespoň dva elektricky vodivé prvky 2. Tyto elektricky vodivé prvky mohou být totožné s mechanicky vodícími prvky 9, jak je znázorněno v obr. 1 a obr. 2, nebo mohou být navzájem odlišné, jak je vidět v obr. 4. Přitom je výhodné, když alespoň dva z mechanicky vodicích prvků 9 jsou lineární a navzájem rovnoběžné. V příkladném provedení dle obr. 1 a 2 mají mechanicky vodicí prvky 9 podobu elektricky vodivých kolejnic a jsou totožné s elektricky vodivými prvky 2. Usměrnění pohybu hlavního pohyblivého dílu 7 na pohyb lineární lze ale zajistit i jinými než lineárními a navzájem rovnoběžnými mechanicky vodícími prvky 9.

Elektricky vodivá část hlavního pohyblivého dílu 7 je elektricky propojena s elektricky vodivými prvky 2 pomocí alespoň dvou kluzných kontaktů 3 tak, že alespoň dva z elektricky vodivých prvků 2 jsou v kontaktu s navzájem různými kluznými kontakty 3 a jsou také připojeny k navzájem různým výstupním kontaktům 6. V obr. 1 a v obr. 2 je zakresleno provedení, kde jsou právě dva kluzné kontakty 3 a právě dva výstupní kontakty 6. Prostřednictvím kluzných kontaktů 3 hlavní pohyblivý díl 7 doléhá k elektricky vodivým prvkům 2, které jsou v provedení dle obr. 1 a 2 současně i mechanicky vodivými prvky 9, Zdroj 4 magnetického poleje uspořádán tak, že generuje magnetické pole, které je přítomno alespoň v části oblasti, kde se pohybuje hlavní pohyblivý díl 7 usměrněný mechanicky vodícími prvky 9. V nej obecnějším provedení je postačující podmínkou na vektor intenzity tohoto generovaného magnetického pole to, aby nebyl rovnoběžný se směrem lineárního pohybu hlavního pohyblivého dílu 7, tedy jinak řečeno, aby byl různoběžný vůči směru lineárního pohybu hlavního pohyblivého dílu 7. V nej výhodnějším provedení je pak vektor intenzity magnetického pole generovaného zdrojem 4 magnetického pole kolmý na směr pohybu hlavního pohyblivého dílu 7, jak je znázorněno v obr. 1, kde jsou vektory intenzity magnetického

-4CZ 2019 - 524 A3 pole zakresleny dle pravidla šípu, a toto magnetické pole je optimálně přítomno na co nejdelším úseku dráhy mezi mechanicky vodícími prvky 9, po které se pohybuje hlavní pohyblivý díl 7.

Specifické uspořádání, které je například uvedené na obr. 1 a 2, zapříčiňuje jev elektromagnetické indukce, kterou lze zmíněnou kolmostí magnetického pole, generovaného zdrojem 4 magnetického pole na směr pohybu hlavního pohyblivého dílu 7 maximalizovat. Zařízení pro vytváření elektrických pulzů je stavěné tak, aby bylo možné využít lineárního pohybu, jehož energii zařízení pro vytváření elektrických pulzů převádí na elektrickou - nej častěji v podobě pulzu. Pro obdobný účel je ze stavu techniky známý rotační synchronní generátor, který využívá rotačního pohybu magnetů okolo statorových staticky uložených cívek stroje. V případě rotačního generátoru se ovšem energie akumuluje do rotačního mechanického pohybu a taje následně využita jednorázově pro generování pulzu.

V našem případě využíváme potenciální energii, obsaženou např. ve stlačeném plynu, chemickém úložišti apod. Ta je pak konvertována na elektrickou pulzní energii. Popisované zařízení pro vytváření elektrických pulzů, lze tedy chápat i jako konvertor této potenciální energie na elektrickou pulzní energii, což je oproti konkurenčním rotačním zařízením značná výhoda.

Další výhodou zařízení je také možnost volby tvaru výstupního elektrického impulzu dle geometrických rozměrů a poloh zdrojů 4 magnetického pole. Tato možnost u konkurečních rotačních zdrojů není proveditelná a pro optimalizaci pulzu se musí za rotační generátory zapojovat jiné elektronické prvky pro získání požadovaného tvaru pulzu.

Zdrojem 1 pohybuje typicky zdroj s pulzním tlakovým působením na hlavní pohyblivý díl 7. Druh pulzního tlakového působení přitom může být vybrán ze skupiny obsahující působení výbuchu, působení rozpínání stlačeného plynu a působení přímého nebo zprostředkovaného mechanického úderu na hlavní pohyblivý díl 7.

V obr. 1 a 2 i v obr. 4 je pro ilustrativní účely prezentovaná konstrukce, v níž je zdrojem 1 pohybu stlačený plyn. Je znázorněn ventil 5 pro iniciaci pohybu, který po otevření vpustí stlačený plyn ze zásobníku, který jev obrázcích v příkladných provedeních zakreslen nalevo od ventilu 5, do prostoru mezi mechanicky vodícími prvky 9. Tím dojde k iniciaci pohybu hlavního pohyblivého dílu 7.

V obr. 1 a 2 je také je znázorněn jeden z možných zdrojů 4 magnetického pole, a to permanentní magnet. V obr. 1 je vyznačen také směr vektoru intenzity magnetického pole vytvořeného tímto zdrojem 4 magnetického pole, přičemž tento směr je vyznačen dle pravidla šípu. Kromě permanentního magnetu nebo více magnetů mohou být zdrojem 4 magnetického pole také např. elektromagnety s časově stálým polem, elektromagnety s pulzním polem a kombinace některých nebo všech těchto typů magnetů včetně kombinací s magnety permanentními.

Hlavní pohyblivý díl 7, ve kterém se indukuje napětí, je před spuštěním zařízení pro vytváření elektrických pulzů typicky situován před oblast, kde zdroj 4 magnetického pole generuje magnetické pole, v obr. 1 a 2 tedy vlevo od permanentního magnetu. K iniciaci pohybu hlavního pohyblivého dílu 7 dochází uvolněním ventilu 5. K připojení elektrického spotřebiče odebírajícího generovanou energii pak dochází pomocí výstupních kontaktů 6.

Další vhodný popis zařízení pro vytváření elektrických pulzů je z hlediska zmíněného Faradayova indukčního zákona. Je známo, že ke generování elektrického napětí je nutná časová změna magnetického pole neboli magnetické indukce. Pokud se hlavní pohyblivý díl 7 mezi kolejnicemi bude pohybovat v oblasti mimo působení zdroje 4 magnetického pole, je hodnota magnetické indukce nulová, resp. nízká. Pokud se hlavní pohyblivý díl 7 posune do oblasti pod zdroj 4 magnetického pole, je hodnota magnetické indukce nenulová, resp. řádově větší. Došlo tedy k časové změně magnetické indukce a v hlavním pohyblivém dílu 7 se dle Faradayova zákona musí

-5CZ 2019 - 524 A3 indukovat elektrické napětí. Pokud chceme vzniklou elektrickou energii využít, je možné elektricky vodivé prvky 2 připojit k elektrickému spotřebiči pomocí výstupních kontaktů 6.

Princip indukce napětí na způsobu pohybu elektricky vodivé příčky v magnetickém poli je všeobecně známý. Komplexní zařízení pro vytváření elektrických pulzů na tomto principu však dosud ze stavu techniky známé není. Je zde možnost využití nového druhu konverze potenciální energie, uloženou ve vhodném druhu úložiště, k transformaci na energii elektrickou nejčastěji v pulsní podobě. Při použití tohoto zařízení pro vytváření elektrických pulzů je teoreticky možné dosáhnout menších rozměrů a hmotností než v případě použití kondenzátorové banky.

Princip fungování předkládaného vynálezu popíšeme nyní ještě podrobněji. Jak je patrné z výše popsaného uspořádání, zařízení pro vytváření elektrických pulzů dle předkládaného vynálezu funguje jako lineárně pracující indukční generátor, v němž je hlavní pohyblivý díl 7 urychlován v magnetickém poli pomocí zdroje 1 pohybu, v provedení dle obr. 1 a 2 je tímto zdrojem pohybu stlačený plyn. V počátečním stavuje hlavní pohyblivý díl 7 umístěn mezi mechanicky vodicí prvky 9, které jsou v provedení dle obr. 1 a 2 elektricky vodivé, a v blízkosti zdroje 1 pohybu, který má v tomto provedení podobu zásobníku stlačeného vzduchu a je znázorněn v levé části obrázků. Je samozřejmé, že stranová orientace není pro fungování vynálezu podstatná, ale v tomto popise budeme používat pojmy „vpravo“, „vlevo“ pro lepší orientaci v obrázcích. Před začátkem akce je ventil 5 zavřený. Pro začátek akce se ventil 5 otevře a stlačený vzduch ze zdroje 1 pohybu se začne uvolňovat do prostoru mezi mechanicky vodícími prvky 9. Tím začne urychlovat hlavní pohyblivý díl 7, který je mezi mechanicky vodícími prvky 9 utěsněný a má s mechanicky vodivcími prvky 9 kluzný kontakt pomocí kluzných kontaktů 3. Současně, jelikož v obr. 1 a obr. 2 jsou mechanicky vodicí prvky 9 totožné s elektricky vodivými prvky 2, je úkolem kluzných kontaktů 3 také zajišťovat co nejlepší kontakt elektrický. Pohybující se hlavní pohyblivý díl 7 tak začne získávat kinetickou energii. Když se hlavní pohyblivý díl 7 dostane pod zdroj 4 magnetického pole, začne se v hlavním pohblivém dílu 7 indukovat elektrické napětí. Dobrým přítlačným kontaktem pomocí kluzných kontaktů 3, mezi pohybujícím se hlavním pohyblivým dílem 7 a elektricky vodivými prvky 2, které jsou zde totožné s mechanicky vodícími prvky 9, je napětí svedeno k výstupním kontaktům 6 a může být předáno dál do zátěže. Dle zákona zachování energie, pak musí dojít ke zpomalení hlavního pohyblivého dílu 7 pod zdrojem 4 magnetického pole, a tedy úbytkem jeho kinetické energie. To však závisí na více faktorech, jako například geometrickém uspořádání, nebo připojené zátěži.

V ideálním případě tak bude energie výstupního pulzu rovná součtu energií vložených - tedy energie zajišťující pohyb hlavního pohyblivého dílu 7 a energie nabitých kondenzátorů, pro napájení zdroje 4 magnetického pole v případě, kdy je toto magnetické pole vytvářeno pomocí elektromagnetů napájených z kondenzátorů. Volba poměru těchto energií je pak otázkou optimalizace požadované hmotnosti a rozměrů daného zařízení pro tvorbu elektrických pulzů. Optimalizace je zde tedy možná, což jde u dosavadních generátorů elektrických pulzů provádět jen velmi omezeně.

V této oblasti je mnoho možných variant. Například hlavní pohyblivý díl 7 nemusí být jen ve formě příčky, ale dá se použít i vhodnější geometrie - například elektricky vodivý plech s kruhovým uspořádáním, které má věší indukčnost. Zároveň je ovšem požadavek na kvalitní zpracování elektrických kluzných kontaktů 3. V případě kruhového uspořádání by tak mělo dojít k indukci většího napětí / lepšímu převodu kinetické energie na energii elektrickou. V dalším kroku optimalizace je pak možné použít vhodný materiál z magnetického pohledu. Například je možné situovat do hlavního pohyblivého dílu 7 materiál s vysokou permeabilitou ve formě výstelky 8. Relativní permeabilita této výstelky 8_by měla být vyšší než 1, optimálně pak výrazně vyšší. Dobrých výsledků bylo dosaženo např. s výstelkou 8 jejíž relativní permeabilita byla blízká 10. Díky této výstelce 8 pak dojde k většímu toku magnetické indukce skrz hlavní pohyblivý díl 7 a lepší indukci napětí, obdobně jako u známého transformátoru, který je také z velké části složen z materiálu s vysokou permeabilitou, což podporuje jeho účinnost. Tento materiál je ovšem nutný volit s ohledem na rychlosti elektrických jevů, které se v soustavě budou odehrávat.

-6CZ 2019 - 524 A3

Provedení hlavního pohyblivého dílu 7 s vloženou výstelkou 8 z magneticky vodivého materiálu s vyšší relativní permeabilitou než 1 je ukázáno v obr. 3. Optimálně je permeabilita materiálu výstelky 8 řádově větší než permeabilita okolního prostředí.

Další možnosti pro optimalizaci předkládaného vynálezu jsou v oblasti zdroje 4 magnetického pole, který je zatím popisován jako permanentní magnet, ale lze jej výhodně nahradit elektromagnetem. Ten může být tvořen cívkou vhodných rozměrů a vhodné indukčnosti k vytvoření co největšího magnetického pole. Pokud bude zařízení pro vytváření elektrických pulzů použito k práci v pulzním režimu, není nutné magnetické pole generovat stálé, ale je možné generování pole opět v pulzním režimu, pokud pulz bude dostatečně dlouhý na to, aby byl hlavní pohyblivý díl 7 v prostoru pod cívkou po dobu aktivního pulzu. Pokud se hlavní pohyblivý díl 7 bude pohybovat dostatečně rychle, je tak možné cívku pro magnetické pole napájet například z kondenzátoru, či jiného zdroje pulzního proudu. Tím lze dosáhnout podstatně silnějších magnetických polí než v případě permanentního magnetu.

Ve výhodném uspořádání je také možné generovat pulzy dle daných potřeb aplikace. Pokud jsou například v průběhu lineárního urychlování hlavního pohyblivého dílu 7 umístěny za sebou dva zdroje 4 magnetického pole, s různou orientací pólů, získáme dva po sobě jdoucí pulzy s opačnou polaritou. Je tedy možné na požadovaný elektrický průběh pulzu reagovat změnou geometrie zařízení pro vytváření elektrických pulzů. Také je možné použít zdroj 4 magnetického pole se střídavým polem na jednom elektromagnetu, a to změnou směru toku jeho budícího proudu. Podle orientace generovaného magnetického pole bude pak v zařízení pro vytváření elektrických impulzů vzikat proud s danou polaritou, přičemž polarita i frekvence výstupního proudu budou záviset na parametrech zdroje 4magnetického pole. V takovémto případě pak může být zařízení pro vytváření elektrických pulzů klasifikováno i jako zesilovač signálu, neboť přidaná kinetická energie bude ve výsledku zesilovat budicí signál zdroje 4_magnetického pole.

V řešeních dle stavu techniky je pro generování požadovaného průběhu elektrického pulzu nutné přebudování elektroniky či podpůrných pasivních prvků, např. odpomíků generátoru, skládajícího se například z kondenzátorů a indukčnosti.

Pro urychlení hlavního pohyblivého dílu 7 je také možné zvolit jiný zdroj 1 pohybu, než je stlačený vzduch. Pro dosažení vyšších rychlostí pohybu a s tím souvisejícího vyššího indukovaného napětí je možné použít například chemickou slož, která vyvolá detonační vlnu, potřebnou k urychlení hlavního pohyblivého dílu 7. Na tomto způsobu urychlení například pracují konvenční palné zbraně. Dále je možné urychlení hlavního pohyblivého dílu 7 realizovat pomocí přímého mechanického úderu na hlavní pohyblivý díl 7 Sledované zařízení pro vytváření elektrických pulzů pak kinetickou energii, udělenou projektilu - v našem případě hlavnímu pohyblivému dílu 7 konvertuje na energii elektrickou ve formě pulzu.

Dále může být pohyb hlavního pohyblivého dílu 7 zprostředkován dalším dílem nebo mechanickou konstrukcí. Lze tedy oddělit mechanickou část zařízení od elektrické, ve které se generuje napětí. To může být realizováno např. v zařízení, jehož jedna možná podoba jev obr. 4. Zařízení pro vytváření elektrických pulzů v příkladném provedení dle obr. 4 obsahuje mechanické vodicí prvky 9, přídavný pohyblivý díl 10. který bude rozpohybován zdrojem 1 pohybu. Přes přenosový díl 11 pak může přídavný pohyblivý díl 10 dodat kineticoku energii hlavnímu pohyblivému dílu 7. Ten pak slouží ke generování elektrické energie výše popsaným způsobem. Zařízení v horní části obr. 4 tedy slouží ke generování elektrické energie, stejně jako v případě obr. 1, pouze s absencí zdroje pohybu 1 a ventilu 5. Tyto části j sou v dolní části obr. 4, kde j e situován mechanický, pneumatický či jiný zdroj ]_pohybu.

V případě průmyslové výroby je toto zařízení pro vytváření elektrichých pulzů možno vyrábět s nízkou výrobní cenou. Ve svém nej výhodnějším provedení je zařízení pro vytváření elektrických pulzů tvořeno několika elektricky dobře vodivými komponenty - například měděnými. Přičemž

-7 CZ 2019 - 524 A3 nej důležitějšími částmi zařízení pro vytváření elektrických pulzů jsou elektricky vodivé prvky 2, hlavní pohybivý díl 7, zdroj 4 magnetického pole, což může být elektromagnet se zdrojem proudu nebo permanentní magnet a zdroj 1 pohybu - například stlačený vzduch nebo jiný pracovní plyn nebo chemická slož. To je obzvláště výhodné, pokud se zařízení pro vytváření elektrických pulzů 5 používá v situacích s neopakovaným chodem - tedy jednorázově.

Průmyslová využitelnost ίο Vynález je využitelný v případech, kde je kladen důraz na nízkou hmotnost, případně kompaktní rozměry uspořádání, přitom ovšem zůstane požadavek na vysoký výstupní pulzní výkon, který má zařízení do sledované zátěže dodávat. Cílem je také docílit efektivní konverze potenciální energie stlačeného plynu, výbušniny či jiného zdroje na elektrickou pulzní energii.

Předkládané zařízení pro vytváření elektrických pulzů má také své využití v aplikacích jednorázových, kde dojde k vygenerování pulzu a není kladen důraz na opakovaný provoz. Výhodou zařízení pro průmyslové aplikace je také možnost volby tvaru výstupního elektrického impulzu dle geometrických rozměrů a polohy magnetů / elektromagnetů a obecně zdrojů 4 magnetického pole v průběhu urychlování hlavního pohyblivého dílu 7.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro vytváření elektrických pulzů obsahující zdroj (1) pohybu s pulzním tlakovým působením, alespoň částečně elektricky vodivý hlavní pohyblivý díl (7), jehož pohyb je mechanicky ovládaný zdrojem (1) pohybu, zdroj (4) magnetického pole a alespoň dva výstupní kontakty (6) pro odběr výstupních elektrických pulzů, vyznačující se tím, že dále obsahuje alespoň dva mechanicky vodicí prvky (9) pro usměrnění pohybu hlavního pohyblivého dílu (7) na pohyb lineární a také alespoň dva elektricky vodivé prvky (2) které jsou totožné s mechanicky vodícími prvky (9) nebo které jsou od nich odlišné, přičemž elektricky vodivá část hlavního pohyblivého dílu (7) je s těmito elektricky vodivými prvky (2) elektricky propojena pomocí alespoň dvou kluzných kontaktů (3) tak, že alespoň dva z elektricky vodivých prvků (2) jsou v kontaktu s navzájem různými kluznými kontakty (3) a jsou také připojeny k navzájem různým výstupním kontaktům (6), a přičemž zdroj (4) magnetického pole je uspořádán tak, že generuje magnetické pole, které je přítomno alespoň v části oblasti, kde se pohybuje hlavní pohyblivý díl (7) usměrněný mechanicky vodícími prvky (9), a vektor intenzity tohoto generovaného magnetického pole je přitom různoběžný vůči směru lineárního pohybu hlavního pohyblivého dílu (7).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že pulzní tlakové působení zdroje (1) pohybuje vybráno ze skupiny obsahující působení výbuchu, působení rozpínání stlačeného plynu a působení přímého nebo zprostředkovaného mechanického úderu na hlavní pohyblivý díl (7).
3. 3. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že vektor intenzity magnetického pole generovaného zdrojem (4) magnetického pole je kolmý na směr pohybu hlavního pohyblivého dílu (7).
4. 4. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že zdroj (4) magnetického poleje vybrán ze skupiny obsahující permanentní magnety, elektromagnety s časově stálým polem, elektromagnety s pulzním polem a kombinace některých nebo všech těchto typů magnetů.
5. 5. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že alespoň dva z mechanicky vodicích prvků (9) jsou lineární a navzájem rovnoběžné.
6. 6. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že mechanicky vodicí prvky (9) mají podobu elektricky vodivých kolejnic a jsou totožné s elektricky vodivými prvky (2).
7. 7. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že do hlavního pohyblivého dílu (7) je vložena výstelka (8) z magneticky vodivého materiálu s relativní permeabilitou vyšší než 1.

   4 výkresy

   Seznam vztahových značek zdroj pohybu elektricky vodivé prvky kluzné kontakty zdroj magnetického pole ventil výstupní kontakty hlavní pohyblivý díl výstelka mechanicky vodicí prvky

   10 - přídavný pohyblivý díl

   11 - přenosový díl