МАГНИТОТЕПЛОВОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2001 года по МПК F03G7/00 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для создания двигателей и генераторов электрической энергии, различного типа реле и исполнительных механизмов, в том числе дистанционного управления, систем ориентации и слежения за направлением тепловым и световым излучением, систем автономного энергообеспечения.

Известно магнитотепловое устройство, содержащее размещенный на валу ротор с активными элементами, установленными по периферии, статор, источник тепловой энергии и, по меньшей мере, одну магнитную систему (SU 1793525, F 03 G 7/00, 07.02.93).

Недостатками известного устройства является высокая стоимость используемого рабочего вещества железо-родиевого сплава; малая суммарная масса рабочего вещества, участвующая в создании результирующего момента силы в направлении движения; использование жестко закрепленных на корпусе оптических линз для фокусировки солнечного излучения на рабочие элементы, что делает неэффективным работу генератора в течение всего солнечного дня при отсутствии системы ориентации на солнце.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства и создание на его основе различных бесконтактных электрических машин нетрадиционного типа.

Техническим результатом от использования предложенного устройства является увеличение суммарной механической и электрической мощности путем оптимизации формы и геометрических размеров рабочих элементов, их группировки в компактные сборки, согласования линейных размеров рабочих сборок с размерами области градиента магнитного поля и зоны нагрева; возможность регулирования угловой скорости вращения дисков; обеспечение высокой скорости нагрева - охлаждения рабочего вещества; достижение практически полной компенсации эффекта торможения в магнитном поле за счет непрерывного расположения рабочих элементов и их сборок по всей периферии дисков с минимальными толщинами теплоизоляционных перегородок; высокая эффективность работы генератора за счет размещения оптимального числа магнитных систем в геометрии, позволяющей обеспечить заданный градиент магнитного поля по всей периферии вращающегося диска, а также обеспечение необходимого температурного перепада на рабочем элементе по мере его выхода из одной магнитной системы и вхождения в соседнюю; создание эффективной магнитной системы с заданной конфигурацией магнитного поля с обеспечением явно выраженного градиента поля в направлении движения.

Технический результат достигается тем, что магнитотепловое устройство содержит размещенный на валу ротор с активными элементами, установленными по периферии, статор, источник тепловой энергии и, по меньшей мере, одну магнитную систему. Оно снабжено узлом разгона, при этом ротор выполнен, по меньшей мере, из двух дисков, взаимосвязанных между собой по периферии посредством узла разгона, статор установлен на валу между дисками, причем магнитная система содержит постоянные магниты, установленные с образованием межполюсных зазоров, а активные элементы объединены в рабочие сборки с образованием кольцевых поясов, размещенных в межполюсных зазорах магнитной системы. Узел разгона выполнен в виде двух боковых поверхностей, внутренней и внешней, с размещением на обращенных друг к другу поверхностях активных элементов, объединенных с заданной периодичностью в рабочие сборки, разделенные тонкостенными перегородками с образованием теплоизолированных каналов, для осуществления раздельного поочередного нагрева активных элементов и их охлаждения.

Магнитная система состоит по меньшей мере из одного узла, выполненного в виде двух модулей. Внутреннего, установленного на статоре, и внешнего, размещенного радиально к нему с возможностью выставления и фиксации межполюсных зазоров одноименной полярности, с образованием области неоднородного распределения магнитного поля одинаковой направленности. Статор выполнен из немагнитного материала в виде плоского цилиндра с установленными по его периферии внутренними модулями.

Активные элементы выполнены в виде цилиндрических или пластинчатых элементов из магнитомягкого материала 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 элементы плотно упакованы в рабочие сборки, линейные размеры которых соизмеримы с размерами областей неоднородного распределения магнитного поля в межполюсных зазорах магнитной системы. Устройство снабжено системой охлаждения рабочих сборок с направляющими элементами, размещенными на роторе и на статоре.

Источник тепловой энергии может быть выполнен в виде концентратора солнечного излучения, либо геотермальных вод или нагретой жидкости, или любых других источников тепловой энергии. Тепловой импульс от источника тепловой энергии локализован в области максимального градиента магнитного поля в межполюсных зазорах магнитной системы.

Магнитная система с рабочими плоскостями, обращенными друг к другу, оснащена полюсными наконечниками, имеющими радиус кривизны, сопрягающийся с радиусом кривизны внутренней и внешней боковых поверхностей узла разгона для достижения равномерного межполюсного зазора по всей окружности.

Устройство снабжено опорными плитами и связывающими последние стойками, расположенными по их периферии, причем вал неподвижно закреплен на нижней плите и зафиксирован на верхней плите посредством подшипникового узла, осуществляющего передачу вращения от ротора к дополнительно установленному маховику. Устройство может быть снабжено, по меньшей мере, одним дополнительным кольцевым поясом, размещенным на роторе за основным кольцевым поясом по направлению к центру его вращения, и дополнительными постоянными магнитами, установленными на статоре в зазоре между верхним и нижним дисками, соосно дополнительному кольцевому поясу. Дополнительные кольцевые пояса могут быть снабжены дополнительными узлами магнитной системы, расположенными по спиральной траектории, сходящейся от основной магнитной системы к центру вращения ротора. Статор снабжен катушками индуктивности с ферромагнитными сердечниками, установленными по окружности напротив вырезов, выполненных в дисках, при этом вырезы могут быть заполнены электропроводящим материалом, ферромагнитной вставкой или короткозамкнутой многовитковой катушкой. Сердечник выполнен в виде плотно упакованной сборки из тонких ферромагнитных пластин. Устройство дополнительно может быть снабжено внешним индуктивно-емкостным резонансным контуром с возможностью подключения нагрузки.

В вырезах верхнего и нижнего дисков ротора установлены дополнительные постоянные магниты, при этом последние, установленные на верхнем диске, смещены относительно дополнительных магнитов, установленных на нижнем диске так, что при вращении ротора все катушки индуктивности, размещенные на статоре, оказываются полностью перекрытыми постоянными магнитами.

На фиг. 1 представлено магнитотепловое устройство.

На фиг. 2 - магнитная система магнитотеплового устройства.

На фиг. 3 - статор с размещенным на нем кольцевым поясом.

На фиг. 4 - статор и размещение внешнего и внутреннего модулей магнитной системы.

На фиг. 5 - увеличенный фрагмент фиг. 4.

На фиг. 6 - устройство с размещением дополнительных кольцевых поясов на статоре.

На фиг. 7 - размещение дополнительных поясов на диске.

На фиг. 8 - размещение дополнительной магнитной системы.

На фиг. 9 - размещение дополнительных постоянных магнитов.

На фиг. 10 - исполнение устройства в виде параметрического генератора.

На фиг. 11 - исполнение ротора с вырезами.

На фиг. 12 - размещение в вырезах ротора катушек индуктивности.

На фиг. 13 - исполнение устройства в виде бесконтактного генератора электрической энергии.

На фиг. 14 - размещение постоянных магнитов на дисках.

Предлагаемое устройство представляет собой преобразователь магнитотепловой энергии в механическую и/или электрическую и состоит из подвижного ротора 1, образованного по меньшей мере из двух взаимосвязанных, посредством узла разгона 2, дисков 3, вращающихся относительно неподвижного вала 4, на подшипниковых опорах 5, как это показано на фиг. 1.

В зазоре между дисками 3 жестко на валу 4 установлен статор 6, по периферии которого расположены основные постоянные магниты 7, 8 и 9, объединенные с помощью магнитопровода 10 в единый внутренний модуль 11, составляющий совместно с внешним магнитным модулем 12, магнитную систему преобразователя с заданной конфигурацией магнитного поля (см. фиг. 2). Диски 3 ротора 1 изготовлены из несодержащего магнитную примесь легкого композиционного материала с подходящими тепло- и электроизоляционными свойствами. По внешнему периметру дисков 3 размещены кольцевые пояса 13 (см. фиг. 3), выполненные в виде чередующихся с заданным шагом, рабочих сборок 14, каждая из которых состоит из набора активных элементов 15 в виде тонких цилиндрических стержней, либо тонких пластин прямоугольной формы, изготовленных из прецизионного магнитомягкого сплава с низкой концентрацией посторонней примеси и малой магнитной вязкостью, обладающего высокой намагниченностью насыщения во внешнем магнитном поле и резкой зависимостью величины намагниченности от температуры в окрестностях точки Кюри Тс.

Узел разгона 2, предназначенный для предварительной раскрутки ротора 1, конструкционно представляет собой цилиндрическое кольцо, образованное внутренней 16 и внешней 17 боковыми поверхностями ротора 1, соединенные посредством перегородок 18, как это показано на фиг. 5.

Перегородки 18 изготовлены из прочного теплоизоляционного материала и разделяют образованную кольцевую полость 19 на множество каналов 20, внутри которых размещены активные элементы 21, изготовленные из магнитомягкого материала, обладающего высокой намагниченностью насыщения во внешнем магнитном поле и резкой зависимостью величины намагниченности от температуры в окрестностях точки Кюри Тс, в процессе магнитного фазового перехода из ферромагнитного в парамагнитное состояние. Активные элементы 21 также выполнены в виде тонких цилиндрических стержней либо тонких пластин прямоугольной формы с хорошо развитой поверхностью теплообмена и с заданным шагом плотно упакованы в каналах 20 с образованием проходного сечения, достаточного для осуществления эффективного теплосъема.

Линейные размеры рабочих сборок в каналах 20 согласованы с размерами области градиента магнитного поля, создаваемого магнитной системой в межполюсном зазоре, образованном постоянными магнитами 7 внутреннего модуля 11 и постоянными магнитами 22 внешнего модуля 12, вдоль направления вращения ротора 1. Для обеспечения максимальных значений градиента магнитного поля в рабочем зазоре постоянные магниты 7 и 22 имеют радиус кривизны, соответствующий радиусу кривизны боковых поверхностей 16 и 17 узла разгона 2. Постоянные магниты 22, 23 и 24 внешнего модуля 12 магнитной системы (см. фиг. 2) объединены посредством магнитопровода 25 и неподвижно установлены с помощью немагнитного держателя 26 на стойке 27, жестко соединяющей опорные плиты 28 и 29, с возможностью выставления и фиксации внешнего модуля 12 магнитной системы как в вертикальном, так и радиальном направлениях. Число устанавливаемых по периферии ротора 1 магнитных систем теоретически равно половине количества рабочих каналов 20 узла разгона 2, однако практически это число ограничено сверху. Последнее обусловлено необходимостью организации несимметричной конфигурации магнитного поля преимущественной направленности как непосредственно в области рабочих зазоров магнитной системы, так и вблизи от нее, а также чисто практическими возможностями обеспечения необходимой скорости нагрева - охлаждения активных элементов 21, отвечающее за величину линейной скорости вращения ротора.

Во всех рассматриваемых вариантах предлагаемого устройства (см. фиг. 4) установлено шесть магнитных систем, расположенных вдоль боковой поверхности ротора, с угловым шагом 60 град. Нагрев рабочих элементов 21 в каналах 20 узла разгона 2 осуществляется путем подачи в трубопровод 30 жидкого или газообразного теплоносителя либо концентрированной энергии солнечного излучения, причем в последнем случае в качестве подводящего трубопровода используется оптоволокно.

Охлаждение активных элементов 21 и 15 может осуществляться обычной проточной водой, парами криогенной жидкости или любым подходящим инертным газом, предварительно охлажденным до необходимого уровня температур путем прогонки через трубопровод 31 холодоносителя.

Для случая принудительного охлаждения рабочих сборок 14, расположенных на кольцевых поясах 13, в устройстве предусмотрено использование формирователя потока, состоящего из направляющих элементов в виде профилирующих кольцевых насадок 32, расположенных на вращающихся дисках 3, и патрубков 33, неподвижно установленных на опорных плитах 28 и 29, в области между двумя соседними магнитными системами, в зоне охлаждения активных элементов (см. фиг. 1 и 5).

С целью стабилизации угловой скорости вращения ротора в устройстве использован механический аккумулятор энергии в виде маховика 34, насаженного на ось вращения, посредством узла передачи, состоящего из подвижной втулки 35, закрепленной на верхнем диске 3 и узла подшипника 36, расположенного на верхней опорной плите 29 строго соосно оси вращения.

В магнитотепловом устройстве (см. фиг. 6, 7, 8) с целью наращивания выходной механической мощности установки, подвижные диски 3 могут содержать по меньшей мере два кольцевых пояса, причем дополнительный кольцевой пояс 37 смещен относительно основного 13 в направлении к центру вращения на расстояние, определяемое суммарной конфигурацией магнитного поля, создаваемого основной магнитной системой и постоянными магнитами 38, дополнительно установленными на статоре 6 (см. фиг. 6 и 8). Помимо радиального смещения дополнительные постоянные магниты 38 смещены относительно основных 7 по окружности на угол α, определяемый соотношением α = 2π/mn, где α - угол смещения в радианах; m - число постоянных магнитов на один кольцевой пояс; n - порядковый номер кольцевого пояса, для которого определяется угловое смещение.

В другом варианте устройство по фиг. 9 с целью увеличения магнитодвижущей силы, развиваемой активными элементами, расположенными на дополнительном кольцевом поясе 37, а также формирования преимущественно направленного градиента магнитного поля в рабочем зазоре, на опорных плитах 28 и 29 посредством немагнитных держателей 39 установлены магнитные сборки 40 с возможностью их выставления и фиксации относительно кольцевых поясов 37. Увеличение числа кольцевых поясов, оснащенных упомянутыми магнитными системами, спирально сходящимися от периферии к оси вращения, приводит к наращиванию выходной мощности преобразователя как за счет прямого увеличения массы активных элементов и суммарной запасенной энергии постоянных магнитов, так и путем оптимального распределения рабочего вещества по рабочей активной поверхности ротора. Помимо этого последнее позволяет интенсифицировать процесс тепломассообмена и как следствие увеличить скорость нагрева - охлаждения рабочих элементов.

С целью расширения функциональных возможностей предлагаемое магнитотепловое устройство может быть использовано в режиме параметрического генератора электрической энергии (см. фиг. 10, 11 и 12). Статор оснащен установленными по окружности катушками индуктивности 41 с обмотками 42 и ферромагнитными сердечниками 43. Последние выполнены в виде плотно упакованной сборки, набранной из чередующихся тонких пластин 45 и 46, изготовленных из магнитомягкого материала с высокой намагниченностью насыщения, с той разницей, что в одних из них использован прецизионный сплав с низким содержанием посторонней примеси и малой магнитной вязкостью, обладающий резкой зависимостью величины намагниченности от температуры, а другие изготовлены из обычной электротехнической стали. К торцам катушек индуктивности 41 сверху и снизу, с минимальным зазором, примыкают вращающиеся диски 3, в которых соосно сердечникам 43 сделаны прямоугольной формы вырезы 44. Катушки индуктивности 41 последовательно соединены между собой своими обмотками 42 и подключены к накопительной емкости 47 и нагрузке 48, как это показано на фиг. 10. Работа магнитотеплового устройства в режиме параметрического генератора электрической энергии достигается путем вращения ротора 1 относительно статора 6. Эффективность работы генератора зависит от скорости и глубины изменения величины индуктивности катушек 41, включенных в электрическую цепь резонансного контура. С этой целью в расположенные на дисках 3 вырезы 44 устанавливаются специальные вставки в виде хорошо проводящей электрический ток короткозамкнутой многовитковой обмотки либо просто ферромагнитной пластины.

На фиг. 13 и 14 представлен вариант использования магнитотеплового устройства в режиме генератора электрической энергии на постоянных магнитах. С этой целью в расположенные на дисках 3 вырезы 44, через каждый один, вместо упомянутых вставок устанавливаются постоянные магниты 49, создающие при работе магнитотеплового устройства вращающееся магнитное поле, наводящее в катушках индуктивности 41, установленных на статоре 6, переменный электрический ток.

Принцип действия магнитотеплового устройства заключается в следующем: тепловой импульс от концентратора солнечного излучения, или в виде нагретых посредством этого излучения жидкости либо газа, или от любого другого природного источника тепла, например геотермальных вод, вводится посредством трубопровода 30 в каналы 20, узла разгона 2, с целью нагрева активных элементов 21, расположенных во внутренней полости каналов 20 до температуры, близкой к Тс (Тс - точка перехода активных элементов 21 в парамагнитное состояние).

Динамические характеристики представленного на фиг. 1 - 5 магнитотеплового устройства, в частности угловая скорость вращения ротора 1, а также скорость изменения развиваемой им магнитодвижущей силы зависят от интенсивности ввода в каналы 20 тепловой энергии в межполюсном зазоре магнитной системы в области, обозначенной на фиг. 5 как зона нагрева, в которой достигается максимальное значение величины напряженности магнитного поля, с последующим осуществлением теплосъема с активных элементов 21, расположенных в этих каналах, по мере их выхода из магнитной системы, вне области действия сил магнитного притяжения, обозначенной на фиг. 5 как зона охлаждения.

С целью обеспечения высокой скорости нагрева - охлаждения активные элементы 21 выполнены в виде тонких пластин или стержней цилиндрической формы, объединены в плотно упакованные рабочие сборки, размещенные в тонкостенные каналы 20, изготовленные из высокопрочного теплоизоляционного композиционного материала.

Узел разгона 2 магнитотеплового устройства, объединяющий каналы 20 с размещенными в них активными элементами 21, системой их нагрева - охлаждения и шестью магнитными системами, расположенными по окружности, служит в качестве узла предварительной раскрутки ротора 1, трансформирующий магнитотепловую энергию в механическую пропорционально запасенной в постоянных магнитах энергии, которая под воздействием теплового импульса периодически высвобождается с заданной частотой, в процессе их магнитодинамического взаимодействия с активными элементами. Последние, как это уже было отмечено выше, нагреваясь, претерпевают скачок намагниченности, величина которого определяет меру высвобождения запасенной магнитной энергии, трансформируемую затем в кинетическую энергию вращения ротора.

При отсутствии внешнего воздействия магнитотепловое устройство находится в положении статического равновесия, так как силы магнитного притяжения, действующие со стороны всех магнитных систем на активные элементы 21 и 15, расположенные вблизи межполюсных зазоров, полностью уравновешены.

В результате воздействия тепловым импульсом в строго локализованных зонах нагрева (см. фиг. 5) активные элементы, нагреваясь, частично или полностью теряют свою намагниченность (в зависимости от величины аккумулированной в них тепловой энергии) и как следствие выталкиваются из области взаимодействия с силой, прямо пропорциональной скачку намагниченности активных элементов и величине градиента намагниченности магнитного поля в межполюсных зазорах магнитных систем.

Так как источник нагрева активных элементов 21 неподвижно размещен в области максимального значения градиента магнитного поля в межполюсном зазоре, каждый из этих элементов, поочередно оказываясь в этой области, по мере достижения ими температуры, близкой к Тс, беспрепятственно выталкивается соседними в область охлаждения, вновь переходят в исходное ферромагнитное состояние, захватываются соседней магнитной системой, и цикл непрерывно повторяется.

В отличие от зоны нагрева, зона охлаждения охватывает существенно большую область, находящуюся посередине между двумя соседними магнитными системами, вне области действия магнитных сил, что значительно облегчает осуществление эффективного теплосъема с нагретых элементов 21 до температуры, при которой они полностью восстанавливают свое первоначальное магнитное состояние.

Таким образом, все активные элементы 21 расположенные в каналах 20 в каждом из циклов их раздельного, поочередного нагрева - охлаждения приобретают механический импульс, сообщаемый ими ротору устройства в направлении его вращения.

Достигаемая за счет узла предварительной раскрутки 2 угловая скорость вращения ротора 1 определяется действующей на него результирующей силой, величина которой прямо пропорциональна градиенту магнитного поля на единицу длины магнитной системы в рабочем зазоре, суммарной массе активных элементов, одновременно подпадающих под область действия этого градиента, величине скачка намагниченности активных элементов, практически реализуемой в цикле нагрев - охлаждение, скорости фазового перехода из ферромагнитного в парамагнитное состояние и обратно.

Оптимизация магнитотеплового устройства по вышеперечисленным параметрам, включая выбор системы нагрева - охлаждения активных элементов 21, позволяет получить максимально возможную величину развиваемой движущей силы на единицу активной поверхности взаимодействия рабочего вещества с потенциальным полем постоянных магнитов.

Как уже было упомянуто, увеличение выходной мощности устройства достигается также за счет наращивания числа магнитных систем, устанавливаемых по всей периферии активной поверхности ротора, а также организации такой конфигурации магнитного поля, которая обеспечивает резко выраженный градиент в направлении движения.

Во всех предлагаемых ниже вариантах магнитотеплового устройства с целью предварительной раскрутки ротора, до наперед заданной угловой скорости вращения, использовано шесть идентичных, симметрично расположенных по окружности и равноудаленных от центра вращения магнитных систем определенной формы и геометрии, обеспечивающих эффективное магнитосцепление с большей частью активных элементов 21, находящихся в каналах 20 узла разгона 2, с преимущественно направленным градиентом магнитного поля. По мере раскручивания узлом разгона 2 ротора 1 и выхода на заданную угловую скорость вращения, управляемую интенсивностью подвода и отвода тепла к рабочим элементам 21, у ротора развивается дополнительный движущий момент за счет подключения к работе преобразователя процесса адиабатического намагничивания и размагничивания активных элементов 15, размещенных на кольцевых поясах 13 вращающихся дисков 3. Степень адиабатичности процесса намагниченности активных элементов 15, сопровождающегося обратимым выделением тепла, зависит от магнитных свойств используемого в качестве рабочего вещества магнитомягкого сплава, его чистоты, способности к спонтанной намагниченности и размагниченности, в окрестностях точки магнитного фазового перехода в присутствии внешнего магнитного поля. Так как процесс спонтанной намагниченности состоит в быстрой переориентации векторов намагниченности магнитных доменов в направлении приложенного внешнего поля, то даже незначительное содержание посторонней примеси, особенно таких как углерод, кислород и азот, приводят к закреплению доменных границ на этих примесях, что препятствует быстрому (за время τ ≅ 10^-4 сек) их объединению в единый домен, в процессе спонтанной намагниченности.

В связи с этим в качестве рабочего вещества активных элементов 15 в магнитотепловом устройстве использован прецизионный магнитомягкий сплав редкоземельного элемента с железом, отожженный в инертной среде при температуре, близкой к температуре плавления.

Таким образом, в рассмотренном варианте устройства (см. фиг. 1 - 5) узел разгона осуществляет предварительную раскрутку ротора за счет преобразования магнитотепловой энергии в механическую, причем по мере увеличения угловой скорости вращения происходит наращивание механической мощности за счет поэтапного и последовательного подключения к работе устройства активных элементов 15, которые в процессе их адиабатического намагничивания и размагничивания, соответственно, на входе и выходе из магнитной системы, нагреваются, а затем охлаждаются, адиабатически перекачивая энергию в виде тепла из магнитной подсистемы в решеточную и обратно.

В дальнейшем при поддержании узлом разгона 2 угловой скорости вращения ротора на уровне, при котором устанавливается режим равенства нулю всех внешних сил относительно центра инерции ротора (т.е. после преодоления всех сил сопротивления) и при котором скорость ввода и вывода в магнитное поле активных элементов 15 устанавливается такой, при которой процесс намагничивания и размагничивания каждого из них становится адиабатически обратимым, происходит самоорганизованное увеличение угловой скорости ротора и соответственно механической мощности устройства до некоторого номинального значения, определяемого величиной запасенной в постоянных магнитах энергии, суммарной массой рабочего вещества активных элементов, степенью адиабатичности устанавливаемого процесса, масштабами и габаритами устройства, и естественно, его конструкционным исполнением.

С целью наращивания механической мощности устройства, представленного на фиг. 6, 7 и 8, на взаимосвязанных узлом разгона 2 вращающихся дисках 3 установлены по меньшей мере еще по одному дополнительному кольцевому поясу 37, с расположенными на его поверхности активными элементами 15, аналогичными тем, которые были установлены на основном кольцевом поясе 13.

В этом варианте устройства увеличение выходной механической мощности преобразователя достигается за счет увеличения активной поверхности ротора с рабочими элементами 15, адиабатически взаимодействующих с магнитным полем дополнительно установленных, над и под кольцевыми поясами 37, постоянных магнитов 38, смещенных по радиусу и окружности относительно основной магнитной системы, с образованием спиральной траектории, сходящейся, по мере увеличения числа кольцевых поясов, от периферии ротора к центру его вращения.

Устройство по фиг. 9 представляет собой усовершенствованный вариант многопоясового устройства по фиг. 8 со спиральной конфигурацией магнитного поля и преимущественно направленным градиентом.

Принцип работы устройства по фиг. 9 состоит в следующем.

Посредством узла разгона 2 происходит предварительная раскрутка ротора до некоторой наперед заданной угловой скорости его вращения, при которой устанавливается режим, соответствующий равенству нулю суммы всех действующих моментов внешних сил относительно центра инерции ротора и при которой скорость ввода и вывода каждого из активных элементов 15 в межполюсных зазорах магнитной системы устанавливается такой, что имеет место процесс адиабатического намагничивания и размагничивания всех активных элементов 15, расположенных по всем кольцевым поясам магнитотеплового устройства.

Последовательность работы магнитотеплового устройства и его выхода на номинальную мощность осуществляется по следующей схеме.

На начальном этапе, по мере раскрутки ротора 1 узлом разгона 2 в результирующий суммарный момент сил, развиваемый активными элементами 21, в цикле их нагрева - охлаждения, начинают вносить вклад активные элементы 15, расположенные на основном кольцевом поясе 13, в последовательности, продиктованной величиной линейной скорости движения элементов 15 относительно магнитных систем, установленных вышеописанным способом, в каждом из кольцевых поясов. Таким образом, по мере увеличения результирующей движущей силы увеличивается угловая скорость вращения ротора, в результате которой в наращивание механической мощности магнитотеплового устройства последовательно подключаются активные элементы 15, расположенные в последующих кольцевых поясах со все уменьшающимся радиусом вплоть до окончательного выхода устройства на номинальную мощность. При этом отметим, что для каждой отдельной магнитной системы, установленной на кольцевом поясе, реализуется свое неоднородное распределение магнитного поля, сходящееся к центру вращения ротора от одной магнитной системы к другой и приводящее к возникновению, по мере выхода устройства на номинальную мощность, эффективной результирующей магнитной силы, действующей на все активные элементы 15 практически одновременно, благодаря спиральной направленности закрученного магнитного потока.

С целью расширения функциональных возможностей магнитотеплового устройства на фиг. 10 - 14 рассмотрена его работа в режиме бесконтактной электрической машины нетрадиционного типа.

Принцип работы магнитотеплового устройства, представленного на фиг. 10, в режиме параметрического генератора энергии заключается в следующем.

Механическая энергия, вырабатываемая магнитотепловым устройством, затрачивается на изменение индуктивности катушек 41, установленных на статоре 6 и последовательно соединенных между собой, благодаря чему в резонансной цепи LC-контура возникают незатухающие знакопеременные колебания напряжения и тока, легко преобразующиеся в электроэнергию, потребляемую нагрузкой. На базе магнитотеплового устройства можно конструировать различные модификации параметрических генераторов электрической энергии, причем наиболее глубокое изменение индуктивности катушек 41 обеспечивается теми же ферромагнитными пластинами температурозависимыми вставками, которые используются в работе самого магнитотеплового устройства.

На фиг. 13 и 14 представлено практическое использование предлагаемого магнитотеплового устройства в режиме бесконтактного генератора электрической энергии, принцип действия которого заключается в следующем.

Постоянные магниты 49, дополнительно установленные по окружности на вращающихся дисках 3 (см. фиг. 14) соосно катушкам индуктивности 41, установленных на статоре 6, при вращении ротора 1 создают вращающееся магнитное поле, пронизывающее обмотки 42, в которых индуцируется напряжение прямо пропорционально скорости изменения магнитного потока, пронизывающего катушки индуктивности 41 со вставленными в них магнитомягкими сердечниками 43. Последние выполнены в виде плотно упакованного набора, состоящего из чередующихся тонких магнитомягких ферромагнитных пластин, одни из которых 45 (см. фиг. 12) изготовлены из температурозависимого магнитомягкого сплава, а другие 46 из обычной электротехнической стали.

При таком исполнении магнитомягких сердечников скорость изменения магнитного потока, создаваемого вращающимися постоянными магнитами 49 в катушках индуктивности 41, достигает более высоких значений благодаря дополнительным эффектам, возникающим в магнитомягких пластинах 45 в процессе их динамического намагничения при входе в межполюсной зазор магнитной системы с последующим резким размагничением при выходе.

Устройство предназначено для использования его в энергетике, в частности в системах автономного энергосбережения. Магнитотепловое устройство содержит размещенный на валу ротор с активными элементами, установленными по периферии, статор, источник тепловой энергии и, по меньшей мере, одну магнитную систему с постоянными магнитами. Оно снабжено узлом разгона, при этом ротор выполнен, по меньшей мере, из двух дисков, взаимосвязанных между собой по периферии посредством узла разгона, статор установлен на валу между дисками, причем постоянные магниты магнитной системы установлены с образованием межполюсных зазоров, а активные элементы объединены в рабочие сборки с образованием кольцевых поясов, размещенных в межполюсных зазорах магнитной системы. Конструкция устройства позволяет расширить его функциональные возможности и увеличить снимаемую мощность. 14 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Магнитотепловое устройство, содержащее размещенный на валу ротор с активными элементами, установленными по периферии, статор, источник тепловой энергии и, по меньшей мере, одну магнитную систему с постоянными магнитами, отличающееся тем, что оно снабжено узлом разгона, при этом ротор выполнен, по меньшей мере, из двух дисков, взаимосвязанных между собой по периферии посредством узла разгона, статор установлен на валу между дисками, причем постоянные магниты магнитной системы установлены с образованием межполюсных зазоров, а активные элементы объединены в рабочие сборки с образованием кольцевых поясков, размещенных в межполюсных зазорах магнитной системы. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел разгона выполнен в виде цилиндрического кольца с двумя боковыми поверхностями внутренней и внешней с размещением на обращеных друг к другу поверхностях активных элементов, объединенных с заданной периодичностью в рабочие сборки, разделенные тонкостенными перегородками с образованием теплоизолированных каналов, для осуществления раздельного поочередного нагрева активных элементов и охлаждения. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что магнитная система состоит из, по меньшей мере, одного узла, выполненного в виде двух модулей внутреннего, установленного на статоре, и внешнего, размещенного радиально к нему с возможностью выставления и фиксации межполюсных зазоров одноименной полярности, с образованием области неоднородного распределения магнитного поля одинаковой направленности. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что статор выполнен из немагнитного материала в виде плоского цилиндра с установленными по его периферии внутренними модулями. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что активные элементы выполнены в виде цилиндрических или пластинчатых элементов из магнитомягкого материала 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 элементы плотно упакованы в рабочие сборки, линейные размеры которых соизмеримы с размерами областей неоднородного распределения магнитного поля в межполюсных зазорах магнитной системы. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что снабжено системой охлаждения рабочих сборок с направляющими элементами, размещенными на роторе и на статоре. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что источник тепловой энергии может быть выполнен в виде концентратора солнечного излучения, либо геотермальных вод, или нагретой жидкости, или любых других источников тепловой энергии, при этом тепловой импульс от источника тепловой энергии локализован в области максимального градиента магнитного поля в межполюсных зазорах магнитной системы. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что магнитная система с рабочими плоскостями, обращенными друг к другу, оснащена полюсными наконечниками, имеющими радиус кривизны, сопрягающийся с радиусом кривизны внутренней и внешней боковых поверхностей узла разгона для достижения равномерного межполюсного зазора по всей окружности. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что снабжено опорными плитами и связывающими последние стойками, расположенными по их периферии, причем вал неподвижно закреплен на нижней плите и зафиксирован на верхней плите посредством подшипникового узла, осуществляющего передачу вращения от ротора к дополнительно установленному маховику. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что снабжено, по меньшей мере, одним дополнительным кольцевым поясом, размещенным на роторе за основным кольцевым поясом по направлению к центру его вращения, и дополнительными постоянными магнитами, установленными на статоре в зазоре между верхним и нижним дисками, соосно дополнительному кольцевому поясу. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что дополнительные кольцевые пояса снабжены дополнительными узлами магнитной системы, расположенными по спиральной траектории, сходящейся от основной магнитной системы к центру вращения ротора. 12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что статор снабжен катушками индуктивности с ферромагнитными сердечниками, установленными по окружности напротив вырезов, выполненных в дисках, при этом вырезы могут быть заполнены электропроводящим материалом, ферромагнитной вставкой или короткозамкнутой многовитковой катушкой. 13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что сердечник выполнен в виде плотно упакованной сборки из тонких ферромагнитных пластин. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что снабжено внешним индуктивно-емкостным резонансным контуром с возможностью подключения нагрузки. 15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что в вырезах верхнего и нижнего дисков ротора установлены дополнительные постоянные магниты, при этом последние, установленные на верхнем диске, смещены относительно дополнительных магнитов, установленных на нижнем диске так, что при вращении ротора все катушки индуктивности, размещенные на статоре, оказываются полностью перекрытыми постоянными магнитами.