Принцип дробления. Принцип вынесения.

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.

4. 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).

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