МАГНИТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Российский патент 2000 года по МПК H02K21/04 H02K21/14 H02K21/24 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может найти применение в качестве источника электроэнергии в промышленности, транспорте и в быту.

Известен магнитный генератор электрического тока, содержащий корпус, статор, включающий магнитную систему, магнитопроводы, катушки и ротор (см. заявку на патент РФ N 95 103 846).

При вращении ротора с магнитной системой и магнитопроводом возникает значительный момент сопротивления от противодействия индуцированного магнитного поля катушек с полем магнитной системы, что заметно ограничивает кпд генератора, что отмечается как недостаток данного технического решения.

Известен также магнитный генератор, принятый за прототип, который содержит те же элементы (см. заявку на патент РФ N 95 107 117), но в нем магнитная система, выполненная в виде аксиально намагниченного кольца, размещена, как и катушки, на статоре, а ферромагнитный ротор, выполненный в виде диска, имеет отверстия и зубцы, с помощью которых при вращении ротора магнитное поле периодически то пропускается через катушки, то отключается. При этом ввиду отсутствия относительного движения магнита и катушек кпд несколько повысится по сравнению с первым аналогом, однако потери во вращающемся ферромагнитном роторе от вихревых токов также приведут к заметным потерям энергии генератора.

В предлагаемом изобретении ставится цель дальнейшего повышения кпд магнитного генератора.

В соответствии с предлагаемым изобретением магнитные системы статора и ротора выполнены в виде магнитных блоков, состоящих из ряда магнитов, размещенных с интервалами, размер которых не меньше, чем размер магнита в направлении движения ротора, причем ориентация намагниченности каждого магнита осуществлена на поверхности взаимного скольжения статора и ротора под углом, выбранным в диапазоне ±90^o относительно направления движения ротора с чередованием последовательности расположения полюсов от магнита к магниту, а катушки размещены на магнитопроводах, замыкающих полюса магнитов статора.

По одному из вариантов исполнения генератора ротор закреплен на валу, установленном с помощью шарикоподшипников в корпусе с возможностью реализации вращательного движения.

В другом варианте исполнения генератора магнитную систему статора образуют от одного до четырех магнитных блоков с магнитопроводами и катушками, расположенных концентрически с ротором и по его бокам так, что ротор размещен между ними, а полюса магнитов в магнитных блоках статора расположены с возможностью взаимной компенсации силовых воздействий на магнитную систему ротора.

В третьем варианте статор и ротор имеют линейные геометрические формы, при этом ротор соединен с приводом линейного перемещения.

Отличительная особенность четвертого варианта заключается в том, что площадь поперечного сечения магнитов ротора равна суммарной площади поперечного сечения магнитов магнитных блоков статора.

В соответствии с пятым вариантом исполнения генератора при числе магнитных блоков статора меньше четырех он агрегатирован из кратных двум генераторов, причем в каждой из этих пар расположение магнитных полюсов, например, на роторах имеет противоположную полярность при одинаковой полярности на статорах.

Выполнение поставленной цели обеспечивается тем, что в предлагаемом изобретении магнитный блок ротора выполняет функцию периодического отключения и включения магнитных потоков статора. Магнитная система статора и катушки неподвижны. Возникающие при этом активные и реактивные силы проявляют себя внутри единой замкнутой системы, вследствие чего генерация электрического тока происходит без затраты внешней энергии, а только за счет энергии магнитного поля статора. Иначе обстоит дело с той частью тока, которая генерируется за счет изменения аналогичного и синфазного магнитного потока ротора. В этом случае помимо трения и сопротивления воздуха имеет место и традиционное противодействие движению ротора со стороны индуцированных токов в электропроводных частях статора и их магнитных полей.

Таким образом, одна половина суммарной энергии магнитного поля, заключенная в магнитном поле статора, вырабатывает электроэнергию практически без потерь и это объясняет соответствующее повышение кпд генератора по сравнению с прототипом.

Варианты выполнения предлагаемого магнитного генератора электрического тока поясняются с помощью прилагаемых чертежей.

На фиг. 1а приведен вариант конструктивной схемы магнитного генератора с концентрическим расположением статора и ротора, тангенциальным направлением ориентации намагниченности магнитов и радиальным расположением катушек на статоре.

На фиг. 1б показан вид разреза устройства, изображенного на фиг. 1а вдоль вала.

На фиг. 2 демонстрируется характер замыкания магнитных силовых линий магнитов ротора и статора самих на себя при смещении ротора на один шаг (дуга одного магнита плюс такая же дуга магнитопровода) относительно положения, приведенного на фиг. 1а.

На фиг. 3а приведена условная схема, поясняющая возможные варианты ориентации намагниченности магнитов статора и ротора
На фиг. 4 изображена конструктивная схема с концентрическим расположением статора и ротора и параллельным валу ротора расположением магнитопроводов и катушек.

На фиг. 5 изображен разрез вдоль вала варианта схемы, показанного на фиг. 4.

На фиг. 6 показана конструктивная схема варианта генератора с линейно - геометрическими формами ротора и статора.

На фиг. 7 приведена конструктивная схема варианта с радиальным расположением магнитов и ортогональной оси вращения плоскостью - поверхностью взаимного скольжения ротора и статора.

На фиг. 8 приведен разрез вдоль вала конструктивной схемы, изображенной на фиг. 7.

На фиг. 9 (а и б) изображена в двух видах часть конструктивной схемы варианта генератора с концентрическим расположением магнитных блоков статора, ротора и катушек.

В предлагаемом изобретении магнитный генератор электрического тока содержит корпус 1 (фиг. 1), статор, включающий магнитную систему с магнитами (полюса N - S), магнитопроводами 2, а также сердечники 3 с намотанными на них катушками 4. Магнитопроводное кольцо 5 является элементом, замыкающим магнитные поля всех магнитов. Ротор выполнен в виде магнитного блока с магнитами (полюса N - S), аналогичными магнитам статора, и с магнитопроводами 6. На фиг. 1 магнитный блок ротора расположен концентрически по отношению к статорному и закреплен к диску 7, а последний - к валу 8. Вал 8 через подшипники размещен в корпусе 1. На валу 8 установлен привод ротора (на фиг. не показано). Магниты в магнитных блоках статора и ротора размещены через интервалы, размеры которых могут быть равны или превышать размер магнита по направлению движения ротора (см. стрелку на фиг. 1). В варианте генератора по схеме фиг. 1 в интервалах между магнитами размещены ферромагнитные магнитопроводы. В общем случае, согласно данному изобретению, катушки размещены на магнитопроводах, замыкающих полюса магритов статора. В варианте генератора согласно фиг. 1 и 2 ориентация намагниченности магнитов статора и ротора имеет направление по движению ротора, при этом предусматривается чередование последовательности расположения полюсов от магнита к магниту, то есть, если, к примеру, магнит по направлению движения ротора имеет полярность N - S, то следующий магнит имеет полярность S - N и т.д. В общем случае, согласно изобретению, в зависимости от варианта исполнения генератора ориентация намагниченности каждого магнита осуществляется на поверхности взаимного скольжения статора и ротора под углом, выбранным в диапазоне ±90^o относительно направления движения ротора. Ряд возможных вариантов взаимного расположения магнитов статора и ротора изображен на фиг. 3. В вариантах I и III поверхность взаимного скольжения (abc) статора и ротора образована ортогональной оси вращения плоскостью и в ней ориентация намагниченности W по варианту III совпадает с направлением движения V, а варианте 1 она осуществлена под углом -90^o (при вращении ротора в обратную сторону этот угол составит +90^o). В вариантах II и IV поверхность abc взаимного скольжения образована наружной цилиндрической поверхностью магнита ротора и аналогичной внутренней поверхностью магнита статора. Здесь в варианте IV, как и в варианте III, направление намагниченности W совпадает с направлением V движения ротора, а в варианте II она осуществлена под углом -90^o. При этом расположение полюсов в вариантах I и II также чередуются -N -S,S - N и т.д.

Ряд вариантов исполнения генератора основан на реализации вращательного движения закрепленного на валу ротора. Помимо варианта генератора, выполненного по схеме, изображенной на фиг. 1 и 2, сюда относится вариант по схеме, приведенной на фиг. 4 и 5 и в которой ротор (кольцевой блок с магнитами N - S) и статор 15 размещены концентрически, а сердечники 11 и 12 с намотанными на них катушками 9 размещены по обе стороны параллельно валу. Замыкают цепь магнитных потоков магнитопроводные кольца 13 и 14. В третьем варианте исполнения генератора магнитную систему статора образуют от одного до четырех магнитных блоков с магнитопроводами и катушками, расположенных концентрически с роторами по его бокам так, что ротор размещен между ними, а полюса магнитов в магнитных блоках статора расположены с возможностью взаимной компенсации силовых воздействий на магнитную систему ротора.

Проиллюстрируем это положение на примере четвертого варианта, выполненного по схеме, изображенной на фиг. 6, в соответствии с которой статор и ротор генератора имеют линейные геометрические формы, а ротор соединен с приводом линейного перемещения. В целом в этой схеме реализована сдвоенная конструкция генератора. Рассмотрим ее верхнюю часть. Здесь по обе стороны от ротора 18 размещены магнитные блоки 19 и 20 статора, а на сердечниках 21 и 22 размещены катушки 23 и 24. С целью сбалансированного взаимодействия магнитов ротора и статора их площади поперечного сечения выполнены равными (обеспечивается равенство суммарных значений этих площадей). Взаимная компенсация силовых воздействий магнитов ротора и статора обеспечивается тем, что при действии, к примеру, сил притяжения между ротором и одним из блоков статора полярность магнитов на втором блоке статора предусмотрена противоположной полярности магнитов на первом блоке, благодаря чему между вторым блоком статора и ротором будут проявляться силы отталкивания и в результате суммарное взаимодействие будет в значительной мере (с точностью до идентичности магнитных свойств магнитов) скомпенсировано.

Изложенное положение о компенсации силового взаимодействия иллюстрируется также схемами, приведенными на фиг. 7, 8 и 9 (а и б). В этих схемах ротор содержит по два магнитных блока, в них полюса магнитов замыкают отдельные (для каждого магнита статора) П-образные магнитопроводы, на которых размещены катушки, а ориентация намагниченности ортогональна направлению движения ротора.

В шестом варианте исполнения генератора реализуется правило, согласно которому при числе магнитных блоков статора меньше четырех он агрегатирован из кратных двум генераторов, причем в каждой из этих пар расположение магнитных полюсов, например, на роторах имеет противоположную полярность при одинаковой полярности на статорах. Необходимость введения указанного правила объясняется тем, что описанное выше положение о компенсации взаимодействия ротора и статора при наличии двух статорных блоков решает задачу компенсации лишь в тангенциальном направлении, однако аксиальные взаимодействия при этом не только не компенсируются, но и даже увеличиваются вдвое (один статорный блок отталкивает ротор, а другой притягивает). Такое положение может привести к потере прочностных характеристик и отразиться на снижении ресурса работы генератора. При реализации приведенного правила одинаковая полярность на статорных блоках в одном из генераторов будет центрировать ротор силами отталкивания, в другом с одинаковой силой оттягивать его в разные стороны. В результате будет обеспечена полная компенсация силового взаимодействия статора и ротора.

Работу генератора рассмотрим на примере варианта, схема которого приведена на фиг. 1 и 2, имея ввиду при этом, что принцип его действия является универсальным для всех вариантов исполнения генератора. При задании валу 8 вращательного движения диск 7 и магнитный блок ротора также будут вращаться, например, по направлению изображенной на фиг. стрелке. Рассмотрим два характерных взаимных положения вращающегося магнитного блока ротора и аналогичного блока неподвижного статора.

При том положении, как магниты ротора и статора представлены на фиг. 1, их ближайшие полюса одноименны. Ввиду этого они между собой не взаимодействуют и их магнитные силовые линии от северного полюса N через магнитопроводные участки 6 и 2, сердечник 3, наружное магнитопроводное кольцо 5 и обратно через смежные сердечник и магнитопроводные участки замкнутся на южный полюс S того же магнита.

Теперь рассмотрим второй характерный момент, когда при вращении ротора против тех же магнитов статора расположатся смежные элементы ротора. В этом случае, как показано на фиг. 2, ближайшие полюса магнитов статора и ротора окажутся разноименными. Ввиду этого они будут взаимодействовать между собой и их силовые линии 17 замкнут магниты ротора и статора друг на друга.

В промежутке времени между этими двумя характерными моментами магнитные силовые линии, переходя от первого состояния по второе, пересекут провода катушек 4 и наведут в них эдс. Переход магнитов ротора при его вращении от второго характерного положения к первому приведет также к пересечению магнитными силовыми линиями проводов катушек 4, но теперь в обратном направлении. Знак эдс при этом не изменится, но, если в первом случае она от нулевого значения возрастала до некоторого максимума, то теперь она от максимального значения будет уменьшена до нулевого значения. При замыкании катушки в цепи будет протекать пульсирующий электрический ток. Особенностью этого тока является наличие в нем постоянной составляющей, равной половине максимального значения суммарного тока.

Обратим внимание на тот факт, что пересечение магнитными силовыми линиями проводов катушек происходит в монолитном статоре без относительного движения магнитов статора и проводов катушек. Следовательно, как активные, так и реактивные силы, возникающие при этом, будут внутренними для системы статора, а следовательно, дополнительных (кроме энергии магнитного поля магнитов статора) затрат на их проявление не происходит.

Аналогичным образом эдс на концах катушек вырабатывается и от магнитов ротора, но в данном случае система ротора не является замкнутой и на выработку электрической энергии будет затрачиваться внешняя энергия для преодоления сил трения, сопротивления воздуха, на тепловые и другие потери, а также и на выработку электроэнергии.

Таким образом, приведенные конструктивные схемы магнитного генератора электрического тока, подробное их описание и описание их принципа действия свидетельствуют от достижимости поставленной цели - обеспечения повышенного по сравнению с прототипом коэффициента полезного действия.

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение в качестве источника электроэнергии в промышленности, на транспорте и в быту. Магнитный генератор содержит корпус, статор, включающий магнитную систему, магнитопроводы, катушки и ротор. При этом магнитные системы статора и ротора выполнены в виде магнитных блоков, состоящих из ряда магнитов, которые размещены с интервалами и с чередованием последовательности полюсов от магнита к магниту. Ориентация намагниченности каждого магнита осуществлена под углом, выбранным в диапазоне от +90 до -90^o относительно направления движения ротора, а катушки размещены на магнитопроводах, замыкающих полюса магнитов статора. Технический результат от использования данного изобретения состоит в повышении кпд генератора. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Магнитный генератор электрического тока, содержащий корпус, статор, включающий магнитную систему, магнитопроводы, катушки, и ротор, отличающийся тем, что в нем магнитные системы статора и ротора выполнены в виде магнитных блоков, каждый из которых состоит из ряда магнитов, размещенных с интервалами, размер которых не меньше размера магнита в направлении движения ротора, причем ориентация намагниченности каждого магнита осуществлена под углом, выбранным в диапазоне от +90 до -90^o относительно направления движения ротора, с чередованием последовательности расположения полюсов от магнита к магниту, а катушки размещены на магнитопроводах, замыкающих полюса магнита статора. 2. Магнитный генератор по п.1, отличающийся тем, что ротор закреплен на валу, установленном с помощью подшипников в корпусе с возможностью реализации вращательного движения. 3. Магнитный генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что магнитная система статора содержит от одного до четырех магнитных блоков с магнитопроводами и катушками, расположенных концентрически с ротором и по его бокам так, что ротор размещен между ними, а полюса магнитов в магнитных блоках статора расположены с возможностью взаимной компенсации силовых воздействий на магнитную систему ротора. 4. Магнитный генератор по п.1, отличающийся тем, что статор и ротор имеют линейные геометрические формы, при этом ротор соединен с приводом линейного перемещения. 5. Магнитный генератор по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что при числе магнитных блоков статора меньше четырех он агрегатирован из кратных двум генераторов, причем в каждой из этих пар расположение магнитных полюсов, например, на роторах имеет противоположную полярность при одинаковой полярности на статорах. 6. Магнитный генератор по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения магнитов ротора равна суммарной площади поперечного сечения магнитов магнитных блоков статора.