5.Изобретательство напрямик. Изобретения со стороны.

Выявление принципов, приемов, методов, позволяющих ускорить создание новых и усовершенствование существующих технических средств, - задача, издавна привлекавшая разработчиков новой техники.

«Изобретательство напрямик» - принцип, когда технические идеи возникают прямо из теоретического или экспериментального (опытного) исследования. К этому типу относятся изобретения М. Фарадея в области электрических машин (например, диск Фарадея).

«Изобретения со стороны»,когда решение технической проблемы возможно за счет перенесения известных решений из других областей науки и техники или из имеющихся подобных решений в живой или неживой природе. Например, выполнение пластин коллектора, для возможности их скрепления, в виде «ласточкина хвоста» или выполнение короткозамкнутой обмотки ротора асинхронной электрической машины в виде «беличьей клетки». Здесь не требуются дополнительные пояснения, откуда исходит источник идеи - название конструкции говорит само за себя.

6. Изобретения из прошлого.

Изобретения из прошлого», когда идеи возникают на основе забытых технических решений и дают хороший эффект на новом уровне развития техники. Например, использование современных высокопрочных стеклолент

и пропиточных эпоксидных компаундов позволило возвратиться к выполнению беспазовых якорей коллекторных электрических машин с уменьшенной инерционностью и улучшенной коммутацией

7. Разделение ТС на части

8. Принцип дробления. Принцип вынесения.

9. Принцип местного качества. Принцип асимметрии.

10. Принцип объединения. Принцип универсальности.

Набор типовых эвристических приемов, составленных изобретателями, дает в руки создателя новой техники довольно эффективный методологический инструмент, позволяющий находить нужное техническое решение. Эти приемы применимы как в изобретательстве, так и при проектировании и конструировании ТС.

Наибольшую популярность в технической и изобретательской среде получил набор из 40 типовых принципов (приемов), составленный инженером, автором выдающихся работ [2, 16, 23, 24] по теории творчества - Генрихом Сауло- вичем Альтшуллером (1926-1998). Эти приемы были получены им в результате анализа более 40 тысяч изобретений из патентного фонда, причем было выявлено 1200 технических противоречий, разрешаемых или устраняемых этими изобретениями.

Для лучшего запоминания указанных приемов их названия выбраны наиболее образными и простыми. В данной книге эти приемы проиллюстрированы примерами из области электромашиностроения, что позволит специалистам в этой области более правильно понять и быстрее освоить указанные приемы, а также расширить свою эрудицию и вооружиться важнейшим методологическим средством. Рассмотрим эти принципы.

1. Принцип дробления - разделение ТС на независимые части, выполнение ТС разборной, увеличение степени дробления (измельчения) ТС. На железнодорожном транспорте можно найти наиболее яркие примеры применения принципа дробления. Так, поезд состоит из отдельных (раздробленных) вагонов; рельсы укладываются на отдельные (раздробленные) шпалы; на электропоезде тяговые электродвигатели (ТЭД) устанавливаются на 15-20 колесных парах, что возможно благодаря основному качеству электрической энергии - ее легкой делимости. В электрических машинах (ЭМ) магнитный поток делится на части, создавая многопо- люсность.

2. Принцип вынесения, согласно которому требуется отделить “мешающую” часть (свойство) или, наоборот, выделить единственную часть (свойство). Электровоз - это ТС, источник энергии которой вынесен за ее пределы.

3. Принцип местного качества - переход от однородной структуры к неоднородной. Разные части объекта должны по характеристикам соответствовать разным требуемым функциям. Чаще всего возникает проблема обеспечения различных свойств детали и ее поверхностного слоя. Например, цементация стальных деталей обеспечивает, благодаря науглероженности поверхностного слоя, его высокую твердость, а вся деталь остается малоуглеродистой, обладающей хорошей ударной вязкостью. К принципу местного качества относятся: окраска поверхностей деталей электротехнических устройств, повышающая их короностойкость; насечки на стальных рукоятках, уменьшающие их скольжение в руках оператора.

Исторически каждая ТС имеет тенденцию к увеличению дробления на части с увеличением соответствия между функциями и характеристиками деталей. В коллекторных электрических машинах (ЭМ) магнитопровод, проводящий основной магнитный поток, выполняется различным образом на различных участках: сердечник якоря, в котором происходит перемагничивание стали при его вращении, выполняется, для уменьшения потерь от вихревых токов, шихтованным, из отдельных изолированных друг от друга листов стали толщиной 0,5 мм, а остов, в котором такого пе- ремагничивания нет, выполняется массивным, например, из литой стали.

2. Принцип асимметрии - переход от симметричной формы к асимметричной. К этому принципу можно отнести и эксцентричное расположение валов, осей. ЭМ, движение подвижной части которых направлено поперек магнитных линий, работают, используя принцип асимметрии магнитного поля (рис. 4.1).

И

Рис. 4.1. Возникновение электромагнитной силы, действующей на проводник с током: П - проводник; Ф - внешнее магнитное поле; Фп - магнитное поле проводника с током;

- суммарное магнитное поле; F - электромагнитная сила

меются ЭМ, в которых ротор располагают эксцентрично относительно расточки статора, что позволяет значительно снизить частоту вращения ротора [35]. Такие ЭМ называют электродвигателями с катящимся ротором (ЭДКР). Впервые они были предложены в 1944 г. А.И. Москвитиным. На рис. 4.2. приведен синхронный ЭДКР с наружными катками обкатывания. В пазах сердечника статора 1 расположена двухполюсная m-фазная обмотка 2, питающаяся от сети переменного тока.

9 8 7

Рис. 4.2. Синхронный двигатель с катящимся ротором с наружными катками обкатывания

По торцам расположены обмотки униполярного подмаг- ничивания 3, магнитный поток которых замыкается по втулке ротора 4 и корпусу 7, торцевому сердечнику статора 6 и торцевому сердечнику ротора 5, а также по сердечнику ротора 8 и сердечнику статора 1, по которым замыкается и основной вращающийся магнитный поток, создаваемый обмоткой статора 2. Ротор и статор расположены друг относительно друга с эксцентриситетом минимальный зазор между ними δ’.

При включении обмотки 2 появится результирующая сила одностороннего магнитного притяжения, вектор которой будет вращаться со скоростью вращения поля обмотки 2. Будет происходить обкатывание катков 9 с диаметром D_K по наружной поверхности статора диаметром D_H с частотой вращения n₁, причем частота вращения ротора будет равна

n₂ =п₁ (D_K-D_H)/D_K

Ротор ЭДКР при этом совершает сложное движение: ось его синхронно вращается со скоростью вращения магнитного поля n₁ по окружности диаметром а ротор медленно поворачивается со скоростью n₂ вокруг своей оси.

5. Принцип объединения, требующий соединения однородных или предназначенных для смежных операций объектов и объединение во времени однородных и смежных операций. Для примера рассмотрим объединение электрического двигателя (ЭД) и магнитного усилителя (МУ) в одной ТС [36]. Электромеханические системы с ЭД-МУ переменного тока позволяют обеспечить глубокий диапазон плавного регулирования частоты вращения ЭД (за счет большего или меньшего насыщения магнитопровода), достигающий значения 1:10 при высокой стабильности скорости ±0,5%. Рабочие обмотки МУ наматываются на ярме статора (рис. 4.3) и создают переменный магнитный поток Ф_му , не проникающий в воздушный зазор и ротор, а поток ЭД Ф_д накладывается на поток Ф_му. Изменение насыщения при наложении потоков Ф_д позволяет регулировать значение, момент и частоту вращения ЭД. Отметим, что масса ТС (двигатель-генератор) меньше чем масса системы: отдельный МУ, соединенный с отдельным ЭД.

Рис. 4.3. Распределение магнитных потоков в двигателе-усилителе с неявно выраженными полюсами

Рассмотрим еще один пример технического решения, связанного с усовершенствованием асинхронного электрического двигателя [20]. Двухфазный асинхронный двигатель, изобретенный Н. Тесла, ознаменовавший начало новой эры в электромашиностроении, имел существенный недостаток (кроме других) - неравномерное движение ротора из-за пульсации вращающего момента, вызванный малым числом фаз. Для устранения этого недостатка М.О. Доливо-Добро- вольским было предложено увеличить число фаз с двух до трёх. Однако это приводило к необходимости увеличения подводящих проводов к фазам с четырёх до шести (рис. 4.4), так как каждая фаза питалась отдельно от фаз трёхфазного генератора. Такая система получалась очень дорогой и громоздкой.

После долгих и мучительных размышлений над бесконечным числом различных вариантов М.О. Доливо-Добро- вольскому удалось найти гениальное по своей простоте и эффективности решение, уменьшающее число подводящих проводов к двигателю в 2 раза. Решение состояло в объединении электрическом между собой обмоток трёх фаз — соединении их параллельно или последовательно. При параллельном соединении получалась “звезда” обмоток, при последовательном “треугольник” (рис. 4.5).

Рис. 4.4. Схема питания обмотки асинхронного двигателя: I, II, III - обмотки фаз; 1,2,3,4,5,6 - концы подводящих проводов обмоток фаз; а) двухфазная схема; б) трехфазная схема

Рис. 4.5. Способы соединения обмоток асинхронного двигателя в трехфазной сети

При этом оказалось, что необходимо иметь всего три подводящих провода, т.е. даже меньше, чем для двухфазных двигателей. Чем это объясняется? Дело в том, что трёхфазная система, со сдвигом токов фаз в 120°, в любой момент времени имеет сумму токов в трёх проводах, равную нулю (рис. 4.6), и в любой момент времени проводники являются попеременно то подводящими, то отводящими ток (например, 1 проводник отводит ток, 2 подводят или 2 проводника отводят, а 1 - отводит), и не требуются специальные отводящие провода. П

Рис. 4.6. Кривые токов, сдвинутые по фазе на 120°

редложенная трёхфазная система объединения обмоток в «звезду» и «треугольник» явилась решающим фактором, определившим внедрение трёхфазной системы в практику и повсеместное распространение трёхфазных асинхронных двигателей.

№ 11

Принцип «матрешки» - одна ТС размещена внутри другой, которая в свою очередь находится внутри третьей и т.д. Один объект проходит сквозь полость в другом объекте.

На рис. 4.7. изображен реактивный индукторный электродвигатель (РИЭД) с одним ротором и двумя статорами, причем статор 2 размещен внутри полости ротора, что позволяет оптимально использовать полезный объем РИЭД.

Рис. 4.7. Реактивный индукторный электродвигатель с одним ротором и двумя статорами

Принцип антивеса заключается в компенсации массы ТС соединением с другой ТС, обладающей подъемной силой, или в компенсации массы ТС взаимодействием со средой (аэро-гидродинамические силы). На принципе антивеса устроено рессорное подвешивание тележек и кузовов различных движущихся экипажей. Рессора под действием груза прогибается на некоторую величину, создавая подъемную силу, а затем, при прекращении давления, вновь принимает свою прежнюю форму.

№12

Принцип предварительного напряжения состоит в придании ТС деформаций (напряжения), противоположных нежелательным. Например, пакет сердечника якоря ТЭД насаживается на вал с предварительным напряжением, обеспечивающим минимальный натяг с учетом собственной центробежной силы сердечника при максимальной частоте вращения якоря.

Принцип предварительного исполнения - заранее выполнить требуемое изменение ТС (полностью или частично); расставить объекты так, чтобы они могли вступить в действие с минимальными затратами времени на их доставку. Для демонтажа шестерни 1 (рис. 4.8) с конца вала 2 ТЭД электровоза в валу сверлится при его изготовлении отверстие 3 и точатся канавки 4. Для снятия шестерни на вал 2 устанавливается специальная гайка 5 с уплотняющей прокладкой 6. Затем подсоединяется трубка 7 гидронасоса и создается давление проходящим маслом по каналам 3, 4, передающееся на шестерню 1, под действием которого гайка расширяется и легко снимается с вала.

Рис. 4.8. Схема пути подвода масла, показанного стрелками, при съеме шестерни с вала ТЭД

№ 13

Принцип заранее подложенной подушки - заключается в компенсации невысокой надежности ТС заранее подготовленными аварийными средствами. Для исключения круговых огней и перебросов электрической дуги по коллектору ТЭД электровоза в аварийных режимах (внезапное включение, короткое замыкание и др.) его обмотка возбуждения шунтируется при ослабленном магнитном поле электрической цепью с индуктивным шунтом, работающим при переходных процессах как индуктивность, а в стационарном режиме как активное сопротивление.

Принцип эквипотенциальности - при работе (транспортировке) ТС исключить необходимость в ее поднятии или опускании. Основной принцип эквипотенциальности: перемещающаяся ТС должна сохранять неизменным расстояние от центра тяжести земли. На равнинной местности эквипотенциальность движущейся ТС обеспечивается колесами, центр вращения которых не перемещается относительно опоры при движении.