магнитотепловое устройство

Формула изобретения

1. Магнитотепловое устройство, содержащее размещенные на валу ротор с рабочими элементами, расположенными по периферии, статор, систему нагрева-охлаждения и, по меньшей мере, одну магнитную систему из постоянных магнитов и магнитных экранов, объединенных магнитопроводом, отличающееся тем, что ротор выполнен в виде турбины, образованной двумя дисками, взаимосвязанными рабочими элементами в виде лопаток, выполненных целиком или частично из магнитомягкого материала, при этом постоянные магниты установлены разноименными полюсами рабочих плоскостей, обращенными друг к другу, с образованием межполюсного зазора, в котором размещены лопатки турбины, а система нагрева-охлаждения установлена на валу неподвижно и выполнена в виде коллекторного узла с направляющими каналами, на концах которых установлены сопла для формирования и подачи потока тепла и холодоносителя на рабочие лопатки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что снабжено механическим аккумулятором, выполненным в виде маховика, расположенного на валу.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что снабжено опорными плитами и размещенными на валу дополнительными ротором и статором генератора электрической энергии, при этом данный ротор содержит расположенные радиально постоянные магниты, намагниченные по радиусу и примыкающие внутренними торцами к втулке из магнитомягкого материала, а внешними торцами - к полюсным наконечникам, причем дополнительный статор с якорной обмоткой закреплен между опорными плитами.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что рабочие лопатки выполнены с включением в материал лопатки магнитомягкой примеси, при этом градиент магнитной массы от лопатки к лопатке достигается количественным увеличением содержания примеси в последующей рабочей лопатке по сравнению с предыдущей до области, выполненной в виде термомагнитной вставки.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что снабжено дополнительной турбиной и дополнительной магнитной системой, взаимосвязанных посредством маховика, при этом турбины развернуты термомагнитными вставками относительно друг друга на 180^o и обращены к системе нагрева-охлаждения своими внутренними поверхностями, причем магнитные системы развернуты диаметрально.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что состоит из модулей, каждый из которых образован турбиной и магнитной системой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики и машиностроения и может быть использовано для создания двигателей и генераторов электрической энергии, различных исполнительных механизмов и систем автономного обеспечения.

Известно магнитотепловое устройство, содержащее размещенный на валу ротор с рабочими элементами, установленными по периферии, статор, систему нагрева-охлаждения и, по меньшей мере, одну магнитную систему из постоянных магнитов и магнитопровода. Устройство снабжено узлом разгона, а активные элементы объединены в рабочие сборки с образованием теплоизолированных каналов и кольцевых поясов, расположенных в полюсном зазоре магнитной системы (RU 2167338, F 03 G 7/00, 20.05.2001).

Недостатками известного устройства являются относительно сложная конструкция ротора устройства, оснащенного узлом разгона, магнитной системы с взаимно перпендикулярными полями, а также низкая эффективность системы нагрева-охлаждения активных элементов. Помимо этого размещение рабочих элементов по кольцевым поясам, от периферии подвижных дисков к центру вращения, с целью наращивания суммарной магнитной массы активных элементов, участвующих в создании результирующего момента силы в направлении движения, не приводит к существенному выигрышу из-за квадратичной зависимости момента инерции тела от радиуса.

Задачей изобретения является техническое упрощение конструкции магнитотеплового устройства, расширение его функциональных возможностей и создание на его основе различных силовых устройств нетрадиционного типа.

Техническим результатом от использования предложенного устройства помимо существенного упрощения практически всех основных узлов конструкции, а именно ротора, магнитной системы, системы нагрева-охлаждения и др., является возможность значительного увеличения плотности заполнения ротора рабочими элементами по всей его периферии и как следствие увеличение удельной и суммарной мощности магнитотеплового устройства. Помимо этого конструкционное исполнение ротора в виде радиальной турбины предоставляет совершенно новые возможности эффективной организации системы нагрева-охлаждения рабочих лопаток турбины, что в плане практической реализации магнитотеплового устройства имеет решающее значение. Немаловажным также является то обстоятельство, что в варианте исполнения ротора устройства в виде радиальной турбины помимо основной действующей на него магнитодвижущей силы, высвобождаемой в процессе динамического взаимодействия рабочих лопаток с полем постоянных магнитов, в цикле нагрева-охлаждения, дополнительный вклад в суммарную выходную мощность устройства вносит кинетическая энергия потока теплоносителя, оказывающая на рабочие лопатки турбины, установленные под оптимальным углом атаки, соответствующее напору потока давление.

Технический результат достигается тем, что устройство содержит размещенные на валу ротор с рабочими элементами, расположенными по периферии, статор, систему нагрева-охлаждения и, по меньшей мере, одну магнитную систему из постоянных магнитов, магнитных экранов, объединенных магнитопроводом; ротор выполнен в виде турбины, образованной двумя дисками, взаимосвязанными рабочими элементами в виде лопаток, выполненных целиком или частично из магнитомягкого материала с термозависимыми свойствами, при этом постоянные магниты установлены разноименными полюсами рабочих плоскостей, обращенных друг к другу с образованием межполюсного зазора, в котором расположены лопатки турбины. Устройство снабжено механическим аккумулятором, выполненным в виде маховика, расположенного на валу. Система нагрева-охлаждения установлена неподвижно и выполнена в виде коллекторного узла с направляющими каналами, на концах которых установлены сопла для формирования и подачи потока теплоносителя на лопатки. Устройство может быть снабжено размещенными на валу дополнительным ротором генератора электрической энергии и статором, при этом ротор содержит расположенные радиально постоянные магниты, намагниченные по радиусу и примыкающие внутренними торцами к втулке из магнитомягкого материала, а внешними торцами - к полюсным наконечникам, причем статор с якорной обмоткой закреплен между опорными плитами.

Рабочие лопатки могут быть выполненными с включением в их материал магнитомягкой примеси, при этом градиент магнитной массы от лопатки к лопатке достигается количественным увеличением содержания примеси в последующей рабочей лопатке по сравнению с предыдущей до области, выполненной в виде термомагнитной вставки.

Устройство может быть снабжено дополнительной турбиной и дополнительной магнитной системой, взаимосвязанных посредством маховика, при этом турбины развернуты термомагнитными вставками относительно друг друга на 180^o и обращены к системе нагрева-охлаждения своими внутренними поверхностями, причем магнитные системы развернуты диаметрально.

Устройство может состоять из модулей, каждый из которых образован турбиной и магнитной системой.

Рабочие лопатки изготовлены в виде тонких пластинчатых элементов из магнитомягкого материала (редкоземельные металлы, их сплавы и интерметаллические соединения с элементами группы железа) с малым содержанием посторонней примеси и низкой магнитной вязкостью, высокой начальной намагниченностью насыщения и резкой зависимостью намагниченности от температуры в окрестностях точки Кюри - Тс, при этом активные элементы плотно расположены по всему внешнему периметру ротора с образованием минимального зазора, достаточного для прокачки теплоносителя. В радиальном направлении рабочие лопатки имеют линейный размер, соизмеримый с рабочей областью магнитного поля, в зоне действия сил магнитной тяги, при этом поперечный размер соотносится с радиальным в соответствии с выбранной геометрией и фактором размагниченности материала рабочего тела.

В качестве источника тепловой энергии могут быть использованы природные источники тепла, такие как солнечное излучение, геотермальные воды, теплые и холодные воздушные потоки, теплые и холодные морские течения, области вечной мерзлоты и другие. Подводящее тепло локализовано в области максимального значения магнитной индукции в межполюсном зазоре, а теплосъем осуществляется в области минимального значения величины напряженности магнитного поля.

На фиг.1 представлен преобразователь магнитотепловой энергии в механическую. На фиг.2 представлен поперечный разрез устройства. На фиг.3 - устройство в виде генератора электрической энергии. На фиг.4 - поперечный разрез радиально-осевой турбины с термомагнитной вставкой. На фиг.5 - выполнение устройства с радиально-осевой турбиной по фиг.4.

Устройство состоит из подвижного ротора 1, выполненного в виде радиальной турбины, образованной из верхнего диска 2 и нижнего кольцевого диска 3, взаимосвязанных по всей периферии турбины, посредством рабочих лопаток 4 и вращающейся на валу 1 посредством подшипниковых узлов 10.

Система нагрева-охлаждения рабочих лопаток 4 расположена между двумя опорными плитами 8 и 9 с образованием кольцевых цилиндрических полостей 6 и 7 и выполнена в виде распределительного коллекторного узла. Последний оснащен направляющими каналами 14 и соплами 15, предназначенными для формирования угла атаки и профиля потока теплоносителя относительно рабочих лопаток на входе турбины. По внешнему периметру ротора установлена, по меньшей мере, одна магнитная система, собранная на базе высококоэрцитивных постоянных магнитов 5, объединенных в систему магнитопроводом 12. С целью сглаживания возможных пульсаций, возникающих при вращении турбины, на ее валу установлен маховик 11, который в случае необходимости может быть использован и как аккумулятор механической энергии, посредством его сопряжения с вращающимся валом 1 магнитной муфтой.

Верхний 2 и нижний 3 диски турбины изготовлены из легкого и достаточно прочного материала, не содержащего магнитную примесь, обладающего хорошими электроизоляционными свойствами. Высокая жесткость и прочность самой турбины обеспечивается большим количеством рабочих лопаток 4, поперечно расположенных с заданным шагом по всей периферии и связывающих между собой вращающиеся диски. Рабочие лопатки 4 изготовлены из магнитомягкого материала, обладающего высокой спонтанной намагниченностью насыщения во внешнем магнитном поле и резкой зависимостью величины намагниченности от температуры, особенно сильно проявляющейся в окрестностях магнитного фазового перехода, например, из парамагнитного в ферромагнитное состояние и обратно. Для обеспечения высокой скорости магнитного фазового перехода под температурным воздействием рабочие лопатки конструкционно выполнены в виде тонких элементов различной формы, например пластинчатой или цилиндрической, с развитой поверхностью, с целью интенсификации тепломассообмена.

На фиг. 2 представлен поперечный разрез магнитотеплового устройства с двумя магнитными системами 5, расположенными диаметрально друг к другу, и четырьмя направляющими каналами 14 системы нагрева-охлаждения, два из которых направлены по радиусу к силовым центрам указанных магнитных систем, а два других расположены по центру между ними. Рабочие лопатки 4 по отношению к направляющим каналам 14 расположены под некоторым оптимальным углом, величина которого задается в зависимости от линейных размеров лопатки, их соотношения с радиусом турбины, номинальной скорости вращения ротора и скорости потока. Плотность заполнения турбины рабочими элементами должна быть, по мере возможности, максимальной и лимитируется только практическими возможностями организации нагрева и охлаждения лопаток, за достаточно малые времена, определяемые рабочим интервалом частоты вращения турбины.

В магнитотепловом устройстве, представленном на фиг.3, на валу 1 турбины расположен ротор генератора электрической энергии, выполненный на постоянных магнитах. Ротор содержит расположенные радиально постоянные магниты 28, намагниченные по радиусу и примыкающие внутренними торцами к магнитомягкой втулке 16, а внешними торцами - к полюсным наконечникам 17. Полости между полюсами могут быть залиты каким-либо легким немагнитным сплавом. Статор 18 с якорной обмоткой 19 закреплен и смонтирован между нижней 9 и верхней 8 опорными плитами, одновременно выполняющими роль станин для размещения подшипниковых узлов 10, на которые насажен вал 1. По внешней периферии плиты соединены между собой цилиндрическим кольцом 20, что способствует хорошей центровке и точному выставлению турбины, с минимальным межполюсным зазором относительно системы из постоянных магнитов 5. Подача теплоносителя в виде потока газа или жидкости осуществляется за счет организации двух цилиндрических полостей, расположенных по внешней периферии опорных плит, одной 6 и другой 7, осуществляющих роль накопительной емкости и распределительного узла для пораздельного ввода и снятия тепла с рабочих лопаток вращающейся турбины. Подача теплоносителя точно так же, как и в предыдущем варианте, осуществляется изнутри, причем система нагрева-охлаждения оснащена направляющими каналами 14 и формирующими соплами 15, направленными под соответствующим углом на лопатки турбины. Теплоноситель естественным путем или с использованием внешнего привода подается на раздельные входы 21 и 22 и также пораздельно стекает затем в коллекторные емкости 23 и 24, расположенные за турбиной, в нижней части внешнего кожуха 13 магнитотеплового устройства. В верхней части устройства, на валу 1 турбины, в случае необходимости так же, как и в варианте 1, может быть установлен маховик 11, предназначенный как для сглаживания возникающих в процессе вращения ротора пульсаций, так и для аккумулирования механической энергии. В последнем случае маховик 11 входит в зацепление с валом 1 и выходит из него посредством магнитной муфты.

На фиг.4 представлен поперечный разрез радиально-осевой турбины, отличительной чертой которой является ее исполнение с использованием минимизированного количества относительно дорогого термомагнитного материала для изготовления рабочих лопаток. Суть идеи заключается в том, что в принципе для осуществления движения любого ферромагнетика в магнитном поле достаточно обеспечить непрерывный градиент магнитной массы. Однако в этом случае для поддержания непрерывного движения необходимо все время наращивать магнитную массу, что естественно практически неосуществимо. Выход из этой ситуации достигается в представленной ниже конструкции турбины, в которой рабочие лопатки могут быть изготовлены практически из любого подходящего для данной технологии материала-матрицы, с включением в нее магнитной примеси, причем градиент магнитной массы от элемента к элементу достигается количественным увеличением содержания ферромагнетика в последующей рабочей лопатке по сравнению с предыдущей до некоторой особой области 1, выполненной в виде термомагнитной вставки, в которой в качестве рабочего материала использован магнитомягкий материал с температурозависимыми магнитными свойствами. При этом на границе раздела двух магнитных сред необходимо обеспечить такую переходную зону, в которой величина намагниченности рабочих лопаток 4 с термозависимым материалом, будучи в ферромагнитном состоянии, была бы существенно больше величины намагниченности последней, замыкающей круговой цикл, рабочей лопатки 27 с обычной магнитной примесью.

Рассмотрим более подробно один полный оборот вращения турбины для случая с одной установленной по ее периферии магнитной системой. В положении, изображенном на фиг.4, турбина вращается против часовой стрелки в связи со все увеличивающимся содержанием магнитной примеси в рабочих лопатках, начиная с лопатки 26, содержащей минимальное количество магнитной массы, вплоть до лопатки 27 с максимальным ее содержанием. По мере приближения ферромагнитной вставки 25 с лопатками 4 к магнитной системе 5 вращающаяся турбина приобретает дополнительный импульс в направлении своего движения за счет более высокой плотности магнитной массы в набегающих лопатках 4, находящихся в ферромагнитном состоянии и как следствие обладающих более высокой величиной суммарной намагниченности в зоне действия магнитных сил. Приобретенный турбиной дополнительный импульс может быть использован в качестве стартового для запуска механизма нагрева термомагнитных лопаток по мере их выхода из области действия сил магнитной тяги, направленной на их торможение. Термомагнитная вставка профилирована по плотности расположения рабочих лопаток 4 с целью сглаживания возникающих при вращении турбины пульсаций на границе раздела в переходной области. Далее рабочий материал термомагнитной вставки охлаждается до точки Тс - фазового перехода в ферромагнитное состояние и цикл повторяется.

Существует большое множество различных вариантов практического использования предлагаемого устройства в зависимости от конкретно предъявляемых к нему требований. На фиг.5 представлен один из вариантов его применения, например в качестве магнитотеплового двигателя. Устройство представляет собой две взаимосвязанные посредством маховика 11, верхняя и нижняя турбины, изготовленные в соответствии с фиг.4, каждая из которых оснащена своей магнитной системой, состоящей из постоянных магнитов 5, с образованием межполюсного зазора разноименной полярности. Верхняя и нижняя турбины полностью идентичны, развернуты термомагнитными вставками (см. фиг.4) относительно друг друга на 180^o и обращены к системе нагрева-охлаждения с полостями 6 и 7 своими внутренними поверхностями, как это показано на фиг.5. Также диаметрально развернуты их магнитные системы. Маховик 11 заключен внутри цилиндрической полости, образованной двумя опорными плитами 8 и 9, по центру которых размещены подшипниковые узлы 10 со смонтированным в них валом 1. Система нагрева-охлаждения расположена внутри цилиндрической полости, ближе к ее периферии, а подвод тепла и теплосъем осуществляется извне посредством подводящих каналов 21 и 22, подсоединенных соответствующим образом к естественным или искусственным источникам тепловой энергии. В распределительном узле системы нагрева-охлаждения внешняя кольцевая цилиндрическая полость 7 предназначена для охлаждения термомагнитной вставки, а внутренняя 6 - для ее нагрева. Поток теплоносителя формируется с помощью направляющих каналов 14 и сопел 15 и под заданным углом поддается на рабочие лопатки 4, откуда стекает во внешний кожух 13 и пораздельно выводится наружу посредством естественного или искусственного стока по каналам 29 и 30. Предлагаемое устройство может быть выполнено в виде генератора электрической энергии. В этом случае в центральной части цилиндрической полости место маховика занимает генератор на постоянных магнитах, например наподобие того, который был использован раннее в конструкции на фиг.3.

И, наконец, следует отметить еще один вариант технического исполнения предлагаемого устройства в плане демонстрации возможности наращивания суммарной выходной мощности установки, работающей как в режиме двигателя, так и генератора электрической энергии. С этой целью на общий вал устройства последовательно набирается заданное количество турбин в виде самостоятельных модулей, каждый из которых содержит по одной магнитной системе и по одной термомагнитной вставке, при этом турбины в зависимости от их количества в установке развернуты относительно друг друга своими термомагнитными вставками на соответствующий угол. В частности, в случае трех модулей они развернуты на 120^o, в случае четырех - на 90^o, в случае шести - на 60^o и т.д. Соответствующим образом располагаются и магнитные системы. Необходимо помнить, что для точной фазировки такой многоступенчатой системы требуется корректное согласование линейных размеров турбины с областями термомагнитных вставок, с зонами действия магнитных сил, плотностями и профилем заполнения турбины рабочими лопатками и т.д., в зависимости от геометрических размеров установки и количества устанавливаемых в ней модулей.