ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 1997 года по МПК H02K21/28 

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 (Гусев С.А. Очерки по истории развития электрических машин, М-Л. ГЭИ, 1955, с. 80 81, фиг. 2 8).

Недостатком такого генератора электрической энергии является низкий коэффициент мощности, cosΦ которого меньше единицы, и недостаточный КПД.

Задача, достигаемая изобретением, состоит в том, чтобы обеспечить в генераторе электрической энергии cosΦ, равным единицы, и увеличить КПД генератора электрической энергии.

Указанная задача достигается тем, что статор выполнен разъемным с кольцевой полостью и имеет разрез для размещения ступицы ротора, в каждой половине статора размещены секторы кольцевых постоянных магнитов, установленных по окружности статора одноименными полюсами друг к другу, а ротор выполнен в виде тороидального кольца, на магнитопроводах которого размещены кольцевые катушки индуктивности обмотки якоря и конденсаторы, имеющие последовательное соединение с катушками индуктивности, индуктивно связанные с неподвижной тороидальной катушкой индуктивности, проводником.

Изобретение имеет признаки новизны, так как в отличие от прототипа статор выполнен разъемным с кольцевой полостью и имеет разрез для размещения ступицы ротора, в каждой половине статора размещены секторы кольцевых постоянных магнитов, установленных по окружности статора одноименными полюсами друг к другу, а ротор выполнен в виде тороидального кольца, на магнитопроводах которого размещены кольцевые катушки обмотки якоря и конденсаторы, имеющие последовательное соединение с катушками индуктивности, индуктивно связанные с неподвижной тороидальной катушкой индуктивности, проводником, в результате этого в генераторе электрической энергии cosΦ становится равным единицы и увеличивается КПД генератора электрической энергии.

Предлагаемый генератор электрической энергии поясняется на фиг. 1 7.

Генератор состоит (фиг.1) из алюминиевого корпуса 1, состоящего из двух разъемных частей, постоянных кольцевых секторных магнитов 2, армированных в разъемных частях корпуса, катушек индуктивности 3, намотанных на ферросплавном каркасе, ферросплавного диска 4, являющегося ротором, опорных подшипников 5, вала 6, несущего ротор, конденсаторов 7, неподвижной катушки индуктивности 8, подшипниковых щитов 9, изготовленных из диэлектрического материала.

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

При вращении вала 6, ротор 4 с установленными на нем катушками индуктивности колебательных контуров 3 и конденсаторами 7 начнет совершать вращательное движение во внутренней полости секторных кольцевых постоянных магнитов 2, образующих систему возбуждения на статоре.

При достижении ротором частоты вращения, равной резонансной частоте последовательных колебательных контуров, установленных на роторе 4, в катушках индуктивности 3 начнет индуктироваться электродвижущая сила, которая посредством индуктивной связи будет индуктироваться в тороидальной катушке индуктивности 8, установленной на корпусе генератора электрической энергии неподвижно, к выводам которой может быть подключен потребитель тока.

Рассмотрим, как в генераторе электрической энергии при помощи кольцевых секторных постоянных магнитов образуется система возбуждения, при помощи которой наводится электродвижущая сила в катушках индуктивности последовательных колебательных контуров, а также, каким образом происходит трансформирование ЭДС в неподвижную тороидальную катушку индуктивности.

Так как отдельный кольцевой постоянный магнит (фиг. 2) содержит две зоны, в которых магнитное поле меняет свое направление, то установив постоянные кольцевые магниты на статоре по окружности с минимальным зазором, с одинаковым шаговым расстоянием, одноименными полюсами друг к другу, во внутренней кольцевой полости статора получают сфокусированный магнитный поток, одинаковый по величине и переменный по направлению, в котором магнитно-силовые линии от кольцевого постоянного магнита к рядом стоящему кольцевому магниту меняют свое направление, как показано на (фиг. 3 и фиг. 4), имея дугообразную форму, в результате проводники катушек индуктивности ротора при движении по внутренней кольцевой полости статора пересекают магнитно-силовые линии поперек магнитного потока возбуждения, а ферросплавный сердечник, на котором намотана катушка индуктивности, пересекает 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 последовательных колебательных контуров будет индуктироваться ток, стремящийся по закону Ленца задерживать перемену магнитного поля в катушках индуктивности.

Применение такого механизма индуктирования 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. Но с другой стороны, чем больший ток протекает через индуктивное сопротивление катушек индуктивности по сравнению с током, протекающим через активное сопротивление, тем больше ток в проводе отстает по фазе от напряжения.

Для исключения этого недостатка катушки индуктивности, установленные на роторе генератора электрической энергии, соединены последовательно с конденсаторами, образующими кольцевую замкнутую цепь.

В такой последовательно замкнутой цепи емкостное и индуктивное сопротивление при резонансе сравняются друг с другом.

В цепи возникает резонанс напряжений, при котором результирующее реактивное сопротивление последовательной цепи

равно нулю. Полное сопротивление цепи равно активной составляющей.

Следовательно, при частоте резонанса сопротивление цепи становится наименьшим, а сила тока в цепи становится наибольшей.

Коэффициент мощности при резонансе напряжений равен единице.

(Федосеев П.Г. Электротехника, М. Госкиноиздат, 1951, с. 266).

Так как катушки индуктивности колебательных контуров возбуждаются в одной фазе, то образующиеся магнитно-силовые линии магнитного потока колебательных контуров будут стремиться к сращиванию, образуя кольцевые линии магнитного поля внутри тороидальной неподвижной катушки индуктивности.

Каждый раз при смене полярности, при перемагничивании сердечников катушек индуктивности последовательных колебательных контуров, ток в катушках индуктивности последовательных колебательных контуров будет менять свое направление, а магнитно-силовые линии магнитного поля внутри тороидальной катушки индуктивности (фиг. 5 и фиг. 6) будут периодически смыкаться и размыкаться, в результате в тороидальной неподвижной катушке индуктивности будет индуктироваться ток, стремящийся по закону Ленца задержать спадание магнитного поля, вызываемое перемагничиванием сердечников катушек индуктивности последовательных колебательных контуров во время движения в переменном магнитном потоке внутри кольцевой полости статора.

Подобный случай электромагнитной индукции описан в литературе (Говорков А.В. Электрические и магнитные поля, М: Энергия, 1969, с. 243).

Если сравнивать обмотки индуктивности прототипа с обмотками индуктивности заявленного генератора электрической энергии, то хорошо видно, что при одном и том же количестве числа витков активное сопротивление катушек индуктивности, установленных на роторе, будет намного меньше, чем в прототипе, что является важным необходимым условием для создания резонанса напряжений при последовательном соединении индуктивности и емкости.

В заявленном генераторе электрической энергии конструкция катушек индуктивности колебательных контуров в технологическом плане намного проще, чем у прототипа и содержит (фиг. 7) ферросплавный каркас 1, внутренняя поверхность которого имеет изоляцию из диэлектрического материала 2, которым может служить стеклотекстолит или фторопласт. Катушка содержит обмотку из медного провода 3.

Установку катушек индуктивности на ферросплавном диске 4 можно осуществлять как показано на (фиг. 7) при помощи кронштейнов с резьбовым соединением.

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

где W число витков в катушке индуктивности;
Φ величина магнитного потока,
и так как время, в течение которого изменяется магнитный поток, равно
t S/V
где S путь, равный толщине кольцевого постоянного магнита;
U скорость перемены магнитного потока,
то установив секторные постоянные магниты в статоре одноименными полюсами друг к другу с одинаковым шаговым расстоянием, с минимальным зазором между торцами магнитов, тогда время, в течение которого будет изменяться магнитный поток, окажется равным

где h путь, равный шаговому расстоянию между постоянными секторными кольцевыми магнитами;
U скорость перемены магнитного потока.

В результате формула величины ЭДС примет вид:

Но так как секторные постоянные магниты установленные по окружности друг к другу одноименными полюсами с одинаковым шаговым расстоянием, то в результате этого в катушках индуктивности 3 будет наводиться периодическая ЭДС, тогда формула величины ЭДС примет вид:

где F количество кольцевых постоянных магнитов.

Сравнивая новую конструкцию генератора электрической энергии с прототипом, ясно видно, что затраченная механическая работа
A P•S
где P сила;
S путь,
при преобразовании механической энергии в электрическую будет минимальной, так как путь S, за который образуется положительной и отрицательной величины ЭДС, равны величине h ширине шагового расстояния между магнитами, а в прототипе этот путь S равен расстоянию πD длине окружности, по которой вращается катушка индуктивности со скоростью V, где

В результате того, что электрическая машина преобразует механическую энергию в электрическую, то КПД генератора электрической энергии можно выразить соотношением электрической мощности к механической мощности

где P электрическая полезная мощность генератора электрической энергии равна P U•J,
заменяя ,
тогда формула электрической мощности примет вид:

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 пД длине окружности, за которое образуется положительная и отрицательная величина ЭДС, а в новом генераторе электрической энергии время, в течение которого происходит преобразование механической энергии в электрическую, равно

где S путь равный величине h, равной шаговому расстоянию между кольцевыми постоянными магнитами, в течение которого образуется положительная и отрицательная величина ЭДС, то полученная разница в пути дает основание утверждать, что КПД генератора электрической энергии

увеличится в несколько раз, так как пД больше h.

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

Использование: в народном хозяйстве и в быту для получения электроэнергии. Сущность изобретения: статор 1 выполнен разъемным с кольцевой полостью и имеет разрез для размещения ступицы ротора, в каждой половине статора размещены секторы кольцевых постоянных магнитов 2, установленных по окружности статора одноименными полюсами друг к другу. Ротор выполнен в виде тороидального кольца на магнитопроводах которого размещены кольцевые катушки индуктивности 3, последовательно соединенные с конденсаторами 7. Катушки индуктивности 3 индуктивно связаны с неподвижной тороидальной катушкой индуктивности 8 проводником. 7 ил.

Генератор электрической энергии, содержащий статор, ротор, подшипниковые узлы, отличающийся тем, что статор выполнен разъемным с кольцевой полостью для размещения тороидального кольца ротора и с разрезом, обеспечивающим зазор для размещения ферросплавного диска ротора со ступицей, в каждой половине статора размещены секторы кольцевых постоянных магнитов, установленных по окружности статора одноименными полюсами друг к другу, в тороидальном кольце ротора на ферросплавных каркасах кольцевые катушки индуктивности, последовательно соединенные с конденсаторами, образуя колебательные контуры, причем катушки индуктивности индуктивно связаны с неподвижной тороидальной катушкой статора.