ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2001 года по МПК H02K35/02 H02K1/06 H02K1/34 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам, преобразующим механические возвратно-поступательные движения в переменный электрический ток, и может быть использовано в энергетике, на транспорте или в качестве автономного источника электрического тока.

Аналогами предлагаемого устройства являются генераторы, преобразующие возвратно-поступательные в электрический ток. Известен электрический генератор переменного тока (патент Российской Федерации N 2046966, кл. 6 F 02 B 71/04, 1995 г.). Устройство работает следующим образом: в цилиндре двигателя внутреннего сгорания свободно помещен поршень-магнит, возвратно-поступательные движения которого генерируют переменный ток в статорных обмотках, расположенных с внешней стороны цилиндров двигателя.

Недостатком данного устройства является наличие высокой температуры внутри цилиндра у двигателя внутреннего сгорания (порядка 2500 ^oС и выше). К сожалению, магнитные свойства магнетиков (а именно из них изготавливают постоянные магниты) очень сильно зависят от температуры окружающей среды. При температурах, превышающих определенное значение T_к (так называемая температура Кюри или точка Кюри), магнитные свойства магнетиков исчезают вовсе и в настоящее время не известны магнетики, способные сохранять свои магнитные свойства при указанных температурах. Поэтому переменный электрический ток данный генератор может вырабатывать только теоретически.

В качестве прототипа выбрана конструкция линейного генератора-компрессора для транспортных средств (патент Российской Федерации N 2079956, кл. 6 H 02 K 35/02, 1997 г.). Он состоит из магнитопровода, статора, содержащего две катушки, установленные в ферромагнитные цилиндры. По торцам катушек имеются полюса, упирающиеся, с одной стороны, в постоянные магниты, а с другой - в немагнитную направляющую. Причем в направляющих, прилегающих к верхней намагничивающей катушке, имеются осевые канавки, ферромагнитные цилиндры разделены между собой немагнитной втулкой с радиальным отверстием, а постоянные магниты граничат с фланцем, в котором имеется выпускной клапан. Якорь устройства изготовлен из постоянного магнита и установлен северным полюсом вверх, на нижнем конце якоря имеется шарнир, соединяющий его со штоком, на выходном конце штока закреплен аналогичный шарнир, прикрепленный к оси колеса. Со стороны оси устройство защищено гофрированным кожухом, а с верхней стороны крепится к основанию транспортного средства, причем магнитопровод статора соединен с обращенными друг к другу разноименными полюсами постоянных магнитов. Недостатком прототипа является сложность конструкции, большое количество деталей и низкие удельные характеристики.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД генератора, упрощение и удешевление конструкции, экономия материально-денежных средств, расширение области его применения.

Поставленная задача решается за счет того, что пространство между полюсными наконечниками якоря генератора и его статорными обмотками заполняется магнитной жидкостью или подобным ей веществом, то есть искусственно созданной средой, обладающей одновременно намагниченностью и текучестью, с целью уменьшить магнитное сопротивление этого пространства.

На фиг. 1 схематически представлен общий вид заявляемого устройства. Генератор состоит из полого несущего цилиндрического корпуса 1 и двух торцевых стенок 2 и 3, изготовленных из немагнитного материала (например, из алюминия или его сплавов, стекло- или углепластика и т.д.). Внутри полого цилиндра 1 жестко закреплены два полых цилиндра 4, изготовленные из магнитного материала, внутри которых устанавливаются обмотки статора 5 генератора, намотанные на каркасы 6. К обоим торцам каждой из обмоток статора 5 плотно прилегают полюсные наконечники 7 обмоток статора 5, имеющие форму плоского кольца (шайбы) и изготовленные из магнитного материала, которые непосредственно имеют контакт с полыми цилиндрами 4. Таким образом, полюсные наконечники 7 и полые цилиндры 4, имеющие между собой электрический контакт, образуют магнитопроводы для обмоток статора 5. Магнитопроводы каждой отдельной обмотки статора разомкнуты между собой благодаря внутреннему выступу в конструкции полого цилиндра 1. В центре торцевой стенки 3 корпуса генератора просверлено отверстие, в которое вставлена подвижная ось 8 якоря генератора. Якорь генератора состоит из постоянного кольцевого магнита 9 и двух его полюсных наконечников 10, жестко закрепленных на подвижной оси 8. Во избежание проникновения грязи и влаги внутрь корпуса генератора предусмотрено уплотнение 11 между осью якоря генератора 8 и его торцевой стенкой 3. Уплотнение 11 для надежности крепления прижимается к торцевой стенке 3 шайбой 12. В случае необходимости для устранения намагничиваемости оси 8 генератора от постоянного магнита 9 якоря ее изготавливают из немагнитного материала. Внешние окончания полюсных наконечников 10 магнитопровода якоря генератора делаются заостренными, что приводит к концентрации на них магнитных силовых линий.

Известно, что одним из способов повышения ЭДС электрогенераторов является увеличение значения магнитного потока, пересекающего витки обмоток статора, а для этого сопротивление магнитной цепи электрической машины необходимо сделать возможно меньшим. С этой целью зазор между сердечниками статора и ротора доводят до минимальных размеров. В заявляемом генераторе в тех же целях я предлагаю пространство между заостренными окончаниями полюсных наконечников 10 якоря и обмотками статора 5 генератора заполнять магнитной жидкостью 13 или подобным ей веществом (т.е. веществом, одновременно обладающим намагниченностью и текучестью), способным уменьшать магнитное сопротивление пространства. Это вещество 13 будет концентрироваться в областях максимальной напряженности магнитного поля, т.е. на остриях внешних окончаний полюсных наконечников 10 якоря генератора, и тем самым будет уменьшать магнитное сопротивление пространства между подвижным якорем генератора и его обмотками, увеличивая магнитный поток через обмотки статора 5 генератора и, следовательно, ЭДС индукции на их окончаниях.

Генератор переменного тока работает следующим образом.

При совершении осью 8 якоря генератора и жестко закрепленным на ней постоянным магнитом 9 с полюсными наконечниками 10 возвратно-поступательных движений относительно и внутри статорных обмоток 5 силовые линии магнитного поля якоря (линии магнитной индукции) пересекают витки этих статорных обмоток, в результате чего на их концах возникает ЭДС индукции. В случае организации внешней электрической цепи по ней будет протекать переменный электрический ток.

Таким образом, заявляемое устройство работает как генератор электрического тока. Для получения суммарной величины ЭДС индукции обмотки статорных катушек должны быть включены последовательно.

Как известно, линии магнитной индукции всегда замкнуты и стремятся расположиться вдоль цепи с наименьшим магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы статорных обмоток генератора и якоря, состоящие из полых цилиндров 4 и полюсных наконечников 7 и 10, необходимо изготовить из материала с высокой магнитной проницаемостью, например электротехнической стали. Поскольку торцевые стенки 2 и 3 корпуса генератора изготовлены из немагнитного материала, в генераторе отсутствует осевое давление, т.к. отсутствует притяжение полюсных наконечников 10 якоря генератора к его стенкам 2 и 3. В связи с тем, что несущий цилиндрический корпус 1 генератора также изготовлен из немагнитного материала, а магнитопроводы статорных обмоток разомкнуты, обеспечивается магнитная развязка между магнитными потоками обмоток статора генератора.

Для улучшения удельных характеристик заявляемого генератора, увеличения его КПД кольцевой постоянный магнит ротора может быть заменен на электромагнит (см. фиг. 2). Обмотка 14 электромагнита якоря генератора укладывается в этом случае на электрически изолированный от нее магнитопровод якоря генератора, состоящий из сердечника электромагнита 15 и двух полюсных наконечников 10.

Сердечник электромагнита 15 якоря генератора в этом случае изготавливается из электротехнической стали, имеющей низкое магнитное сопротивление. Однако лучше, если для изготовления магнитопровода якоря генератора в целом будет применена электротехническая сталь, обладающая, кроме того, и большими остаточной индукцией и коэрцитивной силой. Тогда, после некоторого времени работы электромагнита 14 якоря генератора, его магнитопровод будет обладать свойствами постоянного магнита за счет остаточного магнетизма, и появится возможность уменьшить или вообще отключить (в зависимости от обстоятельств) ток в обмотке электромагнита якоря.

Для питания обмотки электромагнита электротоком можно воспользоваться вспомогательным источником (генератор с внешним возбуждением) или можно использовать напряжение, вырабатываемое самим генератором (генератор с самовозбуждением).

В последнем случае свойства генератора в значительной мере будут зависеть от способа соединения (параллельно, последовательно или смешанно) обмотки возбуждения ротора с обмотками статора генератора.

Генератор предназначен для использования в электротехнике. Он содержит цилиндрический корпус, установленный в нем обмотки статора, торцевые стенки и якорь, выполненный в виде кольцевого магнита, полюсные наконечники которого имеют заостренные участки для концентрации магнитных силовых линий на них. Якорь закреплен на оси с возможностью возвратно-поступательных движений внутри статорных обмоток; корпус и стенки выполнены из немагнитного материала; пространство между заостренными участками и обмотками статора заполнено магнитной жидкостью или подобным ей веществом. Якорь может быть выполнен в виде постоянного магнита или электромагнита. Изобретение обеспечивает повышение КПД. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Генератор переменного тока, содержащий полый несущий цилиндрический корпус, установленные внутри него обмотки статора с магнитопроводами, две торцевые стенки, в одной из которых выполнено центральное отверстие, и якорь, выполненный в виде кольцевого магнита с полюсными наконечниками, жестко закрепленный на оси, вставленной в отверстие одной из стенок, и установленный с возможностью совершения совместно с осью возвратно-поступательных движений относительно и внутри статорных обмоток, отличающийся тем, что корпус и его торцевые стенки выполнены из немагнитного материала, а обращенные к обмоткам статора участки полюсных наконечников якоря выполнены заостренными с возможностью концентрации магнитных силовых линий на них. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что пространство между заостренными участками полюсных наконечников якоря и обмотками статора заполнено магнитной жидкостью или подобным ей веществом с высокой магнитной проницаемостью. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что якорь выполнен в виде постоянного магнита. 4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что якорь выполнен в виде электромагнита, магнитопровод которого изготовлен из высококоэрцитивной электротехнической стали, а обмотка якоря установлена с возможностью питания от вспомогательного источника электрического тока или от самого генератора.