ЛИНЕЙНЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 1995 года по МПК H02K35/00 H02N6/00 

Изобретение касается производства и преобразования электрической энергии и может использоваться для генерирования последней при наличии искусственных или естественных источников светового излучения.

Известен линейный генератор электрической энергии, содержащий корпус, внутри которого закреплена кольцевая электромагнитная система статора, внутри которой установлена на основании электромагнитная система якоря, соединенная с корпусом с возможностью осевого перемещения от источника первичной энергии.

Данный генератор выбран в качестве прототипа и имеет следующие недостатки:
область применения генератора сужена необходимостью наличия источника механической энергии, обеспечивающего приведение в движение якоря;
генератор не предполагает использование источников энергии, которыми насыщена окружающая среда и космическое пространство.

Цель изобретения расширение области применения.

Указанная цель достигается тем, что в линейном генераторе электрической энергии, содержащем корпус, внутри которого закреплена кольцевая электромагнитная система статора, электромагнитную систему якоря, установленную на основании и соединенную с корпусом с возможностью осевого перемещения от источника первичной энергии, кольцевая электромагнитная система статора выполнена в виде намагниченного в осевом направлении постоянного магнита, а электромагнитная система якоря в виде концентричных постоянному магниту обмоток, размещенных на каркасах вдоль внутренней и внешней его боковых поверхностей, основание выполнено в виде экрана для взаимодействия с источником первичной энергии, выполненным в виде импульсного источника света, расположенного в части корпуса, отделенной от экрана постоянным магнитом.

На фиг. 1 и 2 представлен предлагаемый линейный генератор электрической энергии; на фиг. 2 представлена структура магнитного поля кольцевого постоянного магнита; на фиг. 3, 4 представлено взаимодействие элементов генератора при функционировании; на фиг. 5, 6 представлен вариант выполнения одного из элементов устройства импульсного источника света.

Для пояснения работы устройства рассмотрим структуру магнитного поля кольцевого постоянного магнита прямоугольного сечения, намагниченного в осевом направлении (см. фиг. 2). Эксперименты, проведенные с таким магнитом и мелкодисперсными частицами из восстановленного железа, насыщенного водородом, показали, что структура магнитного поля имеет вид, представленный на фиг. 2. Внутри кольца имеется выпуклость из силовых линий, напоминающая выпуклость соленоида, при этом у магнитного кольца имеется не два, а четыре полюса. Картина силовых линий позволяет сделать вывод о том, что для каждого сечения кольца плоскостью, перпендикулярной плоскости кольца, существует линия А-А, "разбивающая" магнит на две части: внутреннюю, силовые линии которой замыкаются внутри кольца, и внешнюю, силовые линии которой замыкаются с внешней стороны кольца.

Линейный генератор (см. фиг. 1) содержит корпус 1, выполненный из диамагнитного материала, в котором неподвижно закреплен кольцевой постоянный магнит 2, намагниченный в осевом направлении, первую обмотку 3, расположенную в каркасе 4 вдоль внутренней поверхности кольцевого магнита 2, вторую обмотку 5, расположенную в каркасе 6 вдоль внешней поверхности кольцевого магнита 2 снаружи корпуса 1, при этом каркасы 4 и 6 с обмотками 3 и 5, располагаясь концентрично кольцевому магниту 2, неподвижно закреплены на диамагнитном основании экране 7, соединенном с корпусом 1 с возможностью осевого перемещения благодаря упругому элементу 8 (например, пружине); в верхней части корпуса, отделенной от экрана постоянным магнитом 2, закреплен взаимодействующий с экраном 7 источник первичной энергии, выполненный в виде импульсного источника света. Последний в зависимости от природы света может быть выполнен в двух вариантах. Искусственный источник света содержит излучатель 9, соединенный с накопителем 10, на корпусе которого расположен отражатель 11, при этом накопитель 10 соединен с инициирующим источником энергии 12. Отражатель 11 обеспечивает концентрацию светового излучения в телесном угле, ограниченном площадью экрана 7 внутри первой обмотки 3. При использовании естественного света импульсный источник света содержит (см. фиг. 5, 6) установленный на приливе 2 корпуса 1 двигатель 3, соединенный тягой 4 со шторкой 5.

Линейный генератор работает следующим образом. В исходном состоянии обмотки 3 и 5 (см. фиг. 1), расположенные в каркасах 4 и 6 экрана 7, занимают определенное неподвижное положение относительно кольцевого магнита 2, а плоскости их витков пронизываются не изменяющимся во времени магнитным потоком, силовые линии которого представлены на фиг. 2, т.е. 0. Для удобства рассмотрения на фиг. 3 изображено только относительное положение кольцевого магнита 2 и обмоток 3 и 5 в исходном состоянии. При этом большая часть силовых линий замыкается, пронизывая плоскости катушек. Так как 0, то индуцируемые в обмотках ЭДС E₁ и E₂ (соответственно в катушках 3 и 5) равны 0.

При включении инициирующего источника 12 (в случае применения искусственного источника света) последний заряжает накопитель 10, который вызывает срабатывание излучателя 9. Световой импульс F излучателя, сконцентрированный отража- телем 11 в определенном телесном угле, пронизывая витки катушек 3 и 5, оказывает световое давление на экран 7. Количественно это давление определяется следующей формулой (Яворский Б.М. Детлаф А.А. Справочник по физике. М. Наука, 1981, с. 371):
P_F < ω > (1 + R) cos²i, (1) где <ω > среднее значение объемной плотности энергии света в импульсе;
R коэффициент отражения света;
i угол падения светового импульса.

Давление (1) светового импульса F на экран 7 приводит к перемещению его от источника света, в результате которого изменяется относительное положение обмоток 3, 5 и кольцевого магнита 2. Условием перемещения является выполнение неравенства
P_F> (2) где F_упр сила, приложенная к экрану 7 со стороны упругого элемента 8 (для пружины F_упр КХ, Х перемещение от положения равновесия, К коэффициент упругости);
S площадь экрана; при перемещении экрана 7 силовые линии магнита 2 пересекают плоскости витков обмоток 3, 5, в результате чего в последних индуцируются ЭДС
E₃= K_N E₅= K_N, (3) где Δ N₃ и Δ N₅ число силовых линий магнитного поля кольцевого магнита 2, которое пересекло витки обмоток 3 и 5 соответственно;
Δ t интервал времени, в течение которого экран 7 перемещался из исходного положения равновесия к новому положению (см. фиг. 4).

Новое положение равновесия, достигаемое при преобразовании (2) в равенство, является неустойчивым, и под воздействием упругого элемента 8 экран 7 с обмотками 3, 5 устремляется к исходному положению, в результате чего в последних вновь будут индуцироваться ЭДС. При этом знаки ЭДС определяются законом Ленца. В результате экран 7 будет совершать затухающие колебания до очередного светового импульса. При инициировании последнего источником 12 описанные процессы будут проходить с той лишь разницей, что экран 7 может находиться в момент воздействия на него импульса в некотором промежуточном положении.

При инициировании источником 12 световых импульсов F с определенным периодом в генераторе устанавливается режим вынужденных колебаний с переменными ЭДС E₃ и E₅.

Поскольку световой импульс F является совокупностью электромагнитных колебаний высокой частоты, то плоскости витков обмоток 3 и 5 будут пересекаться составляющими напряженности электромагнитных полей, создающими магнитные потоки, изменяющиеся во времени. Эти потоки будут наводить в обмотках 3, 5 переменные ЭДС, значения которых E₃' и E₅' соответственно равны
E= -K_фw₃ E= K_фw₅, (4) где ΔΦ_3,5 магнитный поток, пронизывающий витки обмоток;
Δ t интервал времени воздействия потока;
W₃, W₅ число витков в обмотках 3 и 5 соответственно;
K_Φ коэффициент пропорциональности.

Таким образом, в обмотках 3 и 5 индуцируются две составляющие ЭДС, суммарные значения которых равны соответственно E₃ + E₃' и E₅ + E₅', а составляющие взяты из (3) и (4).

Импульсный источник света может иметь конструктивное исполнение, представленное на фиг. 5, 6. Он содержит установленный на приливе 2 корпуса 1 двигатель 3, соединенный тягой 4 со шторкой 5. Тяга 4 со шторкой 5 при включении двигателя 3 совершает возвратно-поступательное движение, периодически перекрывая световой поток, создаваемый естественным (искусственным) источником, например Солнцем, тем самым формируя импульсы F.

Достаточность давления светового импульса на экран, обеспечивающего преодоление давления на последний пружины, связана с реализацией неравенства (2) с учетом (1). При этом роль самого источника состоит в формировании < ω> объемной плотности энергии в импульсе. Осуществимость искусственного источника обусловлена существованием источников когерентного излучения, позволяющих по-лучать на малых поверхностях световое давление 10⁶ кг/см² (Элементарный учебник физики/Под ред. акад. Г.С. Ландсберга, т. III, М. 1968, с. 168). Требуемая в конкретном линейном генераторе величина давления в импульсе зависит от мощности последнего и помимо излучателя формируется отражателем, реализующим требуемую площадь экрана, на которой распределено давление, и тем самым требуемую мощность.

Таким образом, линейный генератор электрической энергии отличается более широкой областью применения благодаря отсутствию необходимости использования механической энергии для приведения в движение якоря, использованию лучистой энергии, запасы которой в околоземном пространстве велики, а искусственные источники требуют материало- и энергоемких конструкций. Этому же способствует оптимальное использование магнитного поля кольцевого магнита, простота конструкции.

Использование: для генерирования энергии при наличии источников светового излучения в лабораторных и промышленных условиях, а также на космических аппаратах в зоне источников лучистой энергии. Сущность изобретения: цель - расширение области применения. Линейный генератор содержит корпус 1 с кольцевым постоянным магнитом 2, обмотки 3 и 5, расположенные в каркасах 4 и 6 на экране 7, установленном с возможностью осевого перемещения относительно корпуса с магнитом благодаря упругому элементу 8, импульсный источник света. 6 ил.

ЛИНЕЙНЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, содержащий корпус, внутри которого закреплена кольцевая электромагнитная система статора, электромагнитную систему якоря, установленную на основании и соединенную с корпусом с возможностью осевого перемещения от источника первичной энергии, отличающийся тем, что кольцевая электромагнитная система статора выполнена в виде намагниченного в осевом направлении постоянного магнита, а электромагнитная система якоря в виде концентричных постоянному магниту обмоток, размещенных на каркасах вдоль внутренней и внешней его боковых поверхностей, основание выполнено в виде экрана для взаимодействия с источником первичной энергии, выполненным в виде импульсного источника света, расположенного в части корпуса, отделенной от экрана постоянным магнитом.