генератор электрической энергии

Формула изобретения

Генератор электрической энергии, содержащий корпус со статором с постоянными магнитами, закрепленный на валу ротор с катушками обмотки, отличающийся тем, что корпус статора выполнен из двух половин, в которых закреплены постоянные магниты, выполненные в виде секторов, образующие кольцевые магниты с прорезью для ротора, собранные в пакет по три штуки в каждом и обращенные друг к другу одноименными полюсами, образуя секторную тороидальную полость для катушек обмотки ротора с конденсаторами, образующих параллельные колебательные контуры, и дополнительных катушек, установленных на одном ферросплавном сердечнике с катушками колебательных контуров и соединенных с трансформатором, первичная обмотка которого закреплена на роторе, а вторичная на статоре.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в народном хозяйстве и в быту.

Известен генератор электрической энергии, содержащий корпус со статором с постоянными магнитами, закрепленный на валу ротор с катушками обмотки. Статор с магнитами служит для возбуждения главного магнитного поля машины, а во вращающемся роторе индуктируется ЭДС и проходят токи.

Недостатком такого генератора электрической энергии является имеющаяся система возбуждения, при которой затрачивается большая механическая работа при преобразовании механической энергии в электрическую.

Задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы изменить систему возбуждения в генераторе электрической энергии, уменьшить затрачиваемую механическую работу при преобразовании механической энергии в электрическую и увеличить КПД генератора электрической энергии.

Указанная задача достигается тем, что корпус статора выполнен из двух половин, в которых закреплены постоянные магниты, выполненные в виде секторов, образующие кольцевые магниты с прорезью для ротора, собранные в пакет по три штуки в каждом и обращенные друг к другу одноименными полюсами, образуя секторную тороидальную полость для катушек обмотки ротора с конденсаторами, образующих параллельные колебательные контуры, и дополнительных катушек, установленных на одном ферросплавном сердечнике с катушками колебательных контуров и соединенных с трансформатором, первичная обмотка которого закреплена на роторе, а вторичная на статоре.

Изобретение является новым, так как в отличие от прототипа корпус статора изготовлен из двух половин, в которых закреплены постоянные магниты, выполненные в виде секторов, образующие кольцевые магниты с прорезью для ротора, собранные в пакеты по три штуки в каждом и обращенные друг к другу одноименными полюсами, образуя секторную тороидальную полость для катушек обмотки ротора с конденсаторами, образующих параллельные колебательные контуры, и дополнительных катушек, установленных на одном ферросплавном сердечнике с катушками колебательных контуров и соединенных с трансформатором, первичная обмотка которого закреплена на роторе, а вторичная на статоре. В результате этого в генераторе электрической энергии изменяется система возбуждения, при которой затрачивается минимальная механическая работа при преобразовании механической энергии в электрическую и увеличивается КПД генератора электрической энергии.

На фиг.1-5 изображен предлагаемый генератор.

Предлагаемый генератор электрической энергии состоит (фиг. 1) из неподвижной части статора 1, состоящего из двух разъемных частей, в которых установлены кольцевые секторные постоянные магниты 2, подвижной части ротора 3, закрепленного на валу 4, параллельных колебательных контуров 5, дополнительных катушек индуктивности 6, установленных на ферросплавном сердечника 7, трансформатора 8.

Генератор электрической энергии работает следующим образом (фиг. 1).

При вращении вала 4 ротор 3 с параллельными колебательными контурами 5 и дополнительными катушками индуктивности 6, установленными на ферросплавном сердечнике 7, начнет совершать вращательное движение во внутренней тороидальной полости секторов, образованных из кольцевых постоянных магнитов 2.

При достижении синхронизации частоты вращения ротора с резонансной частотой колебательных контуров в катушках индуктивности колебательных контуров 5 и в дополнительных катушках индуктивности 6 будет индуктироваться электродвижущая сила, которая посредством индуктивной связи начнет поступать с дополнительных катушек индуктивности 6 через проводники на трансформатор 8, первичная обмотка которого находится на роторе, а вторичная обмотка располагается на статоре, к проводникам которой может быть подключен потребитель электроэнергии.

Для того, чтобы генератор электрической энергии был работоспособен, необходимо, чтобы катушки параллельных колебательных контуров 5 и дополнительные катушки индуктивности 6 возбуждались в противоположной фазе. Для этого ширина обмоток катушек индуктивности должна соответствовать шаговому расстоянию между кольцевыми магнитами, а толщина сечения постоянного кольцевого магнита должна выбираться с таким расчетом, чтобы при делении среднего диаметра окружности, по которой вращается ферросплавный сердечник с катушками на величину шагового расстояния между магнитами

,

где 2r_ср длина среднего диаметра окружности;

h шаговое расстояние между магнитами,

получалось целое число, что будет соответствовать кратному числу колебаний, совершаемому колебательным контуром за один оборот ротора при резонансной частоте.

Рассмотрим, как в генераторе электрической энергии при помощи кольцевых секторных постоянных магнитов образуется система возбуждения, при помощи которой наводится электродвижущая сила в катушках индуктивности параллельных колебательных контуров.

Известно, что кольцевой постоянный магнит внутри магнитного кольца содержит гомогенный магнитный поток, одинаковый по величине, магнитно-силовые линии которого располагаются в одном направлении. Тот торец магнита, из которого силовые линии выходят, является северным полюсом, а противоположный - южным полюсом.

Но кроме всего этого, кольцевой постоянный магнит (фиг. 2) в поперечном сечении, на торцевых поверхностях отверстий, по осевой линии содержит две магнитные зоны, в которых фокусируются магнитно-силовые линии и магнитное поле меняет свое направление. Это утверждение основано на проведенном исследовании кольцевого магнита при помощи металлических опилок и картона, который укладывался на торцевую поверхность кольцевого магнита, после чего на него насыпались металлические опилки, которые при подъеме и опускании картона относительно торцевой плоскости кольцевого магнита проявляли изменение направления магнитного потока. Причем, если внимательно посмотреть на структуру магнитно-силовых линий, проявленную металлическими опилками, то можно также заметить, что магнитно-силовые линии внутри магнитного кольца кольцевого магнита (фиг. 2) имеют дугообразную форму. Подтверждением этому может послужить публикация в журнале "Техника молодежи" N 6, 1991 г. с. 2. В результате этого при установке кольцевых постоянных магнитов друг к другу одноименными полюсами в пакет по три штуки (фиг. 3 и 4) на границе сопряжения одноименных полюсов увеличивается плотность магнитно-силовых линий и как следствие увеличивается магнитный поток. В итоге катушки индуктивности параллельных колебательных контуров при движении во внутренней тороидальной полости секторов будут пересекать магнитно-силовые линии поперек усиленного магнитного потока, а ферросплавный сердечник, на котором установлена катушка индуктивности будет пересекать магнитно-силовые линии вдоль магнитно-силовых линий потока возбуждения. Поэтому элементарные магнетики внутри ферросплавного сердечника будут стремиться ориентироваться вдоль магнитно-силовых линий потока возбуждения, периодически от магнита к рядом стоящему магниту меняя свою ориентацию, перемагничиваться. Иначе говоря, в проводниках катушек индуктивности параллельных колебательных контуров будет индуктироваться ток, стремящийся по закону Ленца задерживать перемену магнитного поля в катушках индуктивности.

Применение такого механизма индуктивности ЭДС увеличивает силу тока и мощность генератора электрической энергии, потому что действующее значение тока, изменяясь по направлению, не изменяется по величине, так как магнитный поток переменный по направлению, но одинаковый по величине.

Ввиду того, что кольцевой постоянный магнит содержит две магнитные зоны, в которых магнитное поле меняет свое направление, то при поступательном движении катушки индуктивности параллельного колебательного контура внутри магнитного кольца в ее витках будет индуктироваться ЭДС отрицательной и положительной величины при минимальном затрате времени

,

где W число витков в катушке индуктивности;

величина магнитного потока.

Так как время, в течение которого изменяется магнитный поток равно

,

где S путь равный толщине кольцевого постоянного магнита;

V скорость перемены магнитного потока,

то, установив секторные постоянные магниты на статоре одноименными полюсами друг к другу с одинаковым шаговым расстоянием, с минимальным зазором между торцами полюсов, тогда время, в течение которого будет изменяться магнитный поток для проводников катушек индуктивности, окажется равным

,

где h путь равный шаговому расстоянию между постоянными секторными кольцевыми магнитами;

V скорость изменения магнитного потока.

В результате формула величины индуктируемой ЭДС для катушки колебательного контура примет вид



Рассмотрим, каким образом запускается в работу параллельный колебательный контур.

Так как кольцевой постоянный магнит содержит внутри магнитного кольца две зоны, в которых магнитное поле меняет свое направление, то в катушке индуктивности колебательного контура при пересечении ее витками магнитного потока кольцевого постоянного магнита в витках катушки будет наводиться электродвижущая сила.

Причем при входе в кольцевой постоянный магнит в катушке индуктивности индуктируется положительная амплитуда ЭДС, а при выходе из кольцевого магнита отрицательная амплитуда ЭДС, при этом энергия магнитного поля индуктивности переходит в энергию электрического поля конденсатора, а при выходе индуктивности колебательного контура из тороидальной полости колебательный контур 5 будет продолжать работать в режиме свободных колебаний согласно закону сохранения энергии, при котором происходит перекачка энергии из электрического поля конденсатора в магнитное поле катушки индуктивности и наоборот.

В параллельном колебательном контуре возникает колебательный процесс, который будет сопровождаться изменением направления магнитно-силовых линий в ферросплавном сердечнике 7, то есть в ферросплавном сердечнике образуется переменный магнитный поток, в результате которого в дополнительных катушках индуктивности 6 будет наводиться электродвижущая сила.

При этом период свободных колебаний в контуре будет



определяться значением электроемкости C конденсатора и индуктивности L катушки, где период равен



С возникновением свободного колебательного процесса, сопровождающегося изменения магнитного потока в катушках индуктивности, сила тока в контуре (i= q) и напряжения на конденсаторе будет изменяться с течением времени по гармоническому закону, то есть по закону синуса и косинуса



Используя уравнение напряжения для колебательного контура, в котором примем

,

тогда уравнение напряжения в генераторе электрической энергии для колебательного контура примет вид



При этом работа сил электрического поля по любому замкнутому пути, а также при перемещении заряда q по электрическому контуру равна нулю.

A=qU_C+qU_L=0

то есть в любой момент времени напряжение U_c на обкладках конденсатора равно по абсолютному значению и противоположно по знаку напряжению U_L на концах катушки индуктивности

U_C=-U_L

При частоте резонанса ток индуктивный I_L равен току емкостному I_C и их разность также будет равна нулю, следовательно, ток резонансный в контуре будет равен току активного сопротивления

I_рез=I_r

В связи с этим можно утверждать, что коэффициент мощности генератора электрической энергии будет равен единице, так как ток и напряжение в контуре будут совпадать по фазе.

Рассмотрим подробно колебательный процесс, происходящий в параллельном колебательном контуре.

Пусть в некоторый момент времени при выходе катушки индуктивности колебательного контура из тороидального сектора ток в катушке отсутствует. При этом вся энергия контура сосредоточена в конденсаторе. Заряд конденсатора равен

q₀=CU₀,

а полная электрическая энергия колебательного контура



Под действием напряжения конденсатора U₀ через катушку потечет ток I, который будет возрастать до тех пор, пока конденсатор полностью не разрядиться. В этот момент электрическая энергия колебательного контура равна нулю, а магнитная энергия индуктивности равна

,

далее ток начнет падать, а напряжение на конденсаторе возрастать по абсолютной величине, но с противоположным знаком. Через время от начала процесса ток прекратиться, а конденсатор зарядится до напряжения (-U₀). Энергия контура вновь сосредоточена в конденсаторе. Далее процесс повторяется, но с противоположным направлением тока. Таким образом, дважды за время T₀ в колебательном контуре происходит переход электрической энергии в магнитную и обратно.

Так как энергия колебательной системы равна



,

следовательно,



из этого следует



Эта энергия по закону Джоуля-Ленца превращается во внутреннюю

W=Q=I²_срRt

Преобразуя формулу превращения энергии относительно времени, получим

,

тогда



В итоге получается, чем больше индуктивность катушки и меньше ее активное сопротивление, тем больше свободных колебаний совершит колебательный контур прежде чем затухнет.

Это требование легко реализуется в изобретении, так как, если сравнить обмотки катушки индуктивности генераторов электрической энергии прототипа и изобретения, то видно, что при одном и том же количестве витков одного и того же диаметра обмоточного провода, длина проводника в обмотках катушек индуктивности в генераторе электрической энергии с кольцевыми магнитами будет намного меньше, чем у прототипа.

Уменьшение активного сопротивления катушек индуктивности обеспечивает увеличение тока в замкнутой цепи генератора и, как следствие, в результате этого увеличивается мощность генератора электрической энергии.

В заявленном генераторе электрической энергии конструкция катушек индуктивности колебательных контуров и дополнительных катушек индуктивности 6 в технологическом плане намного проще, чем у прототипа и имеют конструкцию (фиг. 5), состоящую из феppосплавного каркаса 9, внутренняя поверхность которого содержит изоляцию из диэлектрика 10, которым может быть фторопласт или стеклотекстолит и индуктивную обмотку из медного провода 6. Закрепление на роторе катушек индуктивности, установленных на ферросплавном сердечнике, можно осуществить при помощи хомутов 11 с болтовым соединением, предварительно установив в предусмотренные пазы.

Сравнивая новую конструкцию генератора электрической энергии с прототипом, ясно видно, что затраченная механическая работа

A=PS,

где Р сила приводного устройства;

S путь, равный толщине кольцевого постоянного магнита при преобразовании механической энергии в электрическую, будет минимальной, так как путь S, за который образуется положительная и отрицательная величины ЭДС, получается равным величине h ширина шагового расстояния между постоянными кольцевыми магнитами, а в прототипе этот путь S равен расстоянию "D" длине окружности, по которой вращается катушка индуктивности со скоростью V.

Если посмотреть на эскиз чертежа (фиг. 1), то можно увидеть, что в пределах одного оборота ротора электромагнитный тормозной момент, уравновешенный первичным двигателем, действует короткое время, то есть только в момент прохождения катушками индуктивности пакетов магнитного кольца

,

где 3h пакет из магнитных колец.

Дальнейший путь в пределах одного оборота ротора катушки индуктивности параллельных колебательных контуров совершают по воздуху. В этом время электродвижущая сила в дополнительных катушках индуктивности 6 наводится за счет колебательного процесса, происходящего в параллельных колебательных контурах при помощи запасенной энергии электрическим полем конденсаторов. При этом, как уже было сказано ранее, работа сил электрического поля по любому замкнутому пути равна нулю.

Известно, что электрическая машина генератор преобразует механическую энергию в электрическую. В связи с этим КПД генератора электрической энергии можно выразить соотношением электрической мощности и механической мощности

,

где P электрическая полезная мощность генератора электрической энергии равна P=UI,

заменяя

,

тогда формула электрической мощности примет вид

,

где ,

а затраченная механическая мощность в генераторе электрической энергии равна произведенной механической работе за единицу времени



Исходя из этого, КПД генератора электрической энергии можно выразить соотношением



Преобразуя полученное выражение, получим

,

но так как в прототипе время, в течение которого происходит преобразование механической энергии в электрическую, равно

,

где S путь, равный расстоянию "D" длине окружности, за который образуется положительная и отрицательная величины ЭДС, а в новом генераторе электрической энергии время, в течение которого происходит преобразование механической энергии в электрическую равно ,

где S путь, равный величине h, равный шаговому расстоянию между кольцевыми постоянными магнитами, в течение которого образуется положительная и отрицательная величины ЭДС,

то полученная разница в пути дает основание утверждать, что КПД генератора электрической энергии

,

увеличится в несколько раз, так как "D" больше h.

В результате того, что количество колебательных контуров может быть установлено на роторе генератора электрической энергии множество и возбуждаться они будут при резонансной частоте в одной фазе, то полученный КПД генератора электрической энергии в этом случае нужно умножить на количество установленных колебательных контуров.

,

где n количество колебательных контуров.

Генератор электрической энергии предполагается использовать для выработки электроэнергии постоянного тока, для этого к генератору электрической энергии необходимо установить выпрямитель.