РОТОР ФЕРРОМАГНИТОВЯЗКОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2011 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к области альтернативной энергетики и может быть использовано при построении мобильных и стационарных источников механической энергии, использующих тепловую энергию окружающей среды, например потока воды.

Известно использование тепловой энергии окружающей среды для ее преобразования в механическую энергию ферромагнитовязких роторов, частично помещаемых в локализованное насыщающее магнитное поле с использованием свойств магнитной вязкости ферромагнетиков, эффектов снижения относительной магнитной проницаемости ферромагнетиков в насыщающих магнитных полях (по кривой Столетова) и магнитокалорического охлаждения в процессе адиабатического размагничивания ферроматериалов, из которых изготовлен ротор в виде кольца (диска), связанного с осью вращения (О.Ф.Меньших. Магнитовязкий маятник. Патент РФ №2291546, бюлл. №01 от 10.01.2007 [1], О.Ф.Меньших. Ферромагнитовязкий ротатор. Патент РФ №2309527, бюлл. №30 от 27.10.2007 [2], О.Ф.Меньших. Магнитовязкий ротатор. Патент РФ №2325754, бюлл. №15 от 27.05.2008 [3], О.Ф.Меньших. Ферромагнитовязкий двигатель. Патент РФ №2359398, бюлл. №17 от 20.06.2009 [4]).

Ближайшим аналогом заявляемого технического решения (прототипом) является устройство, известное из заявки того же автора (О.Ф.Меньших. Устройство стабилизации частоты генератора. Патент РФ №2368073, бюлл. №26 от 20.09.2009 [5]), содержащее два соосно установленных ферромагнитных кольца, помещенных в магнитный зазор с насыщающим магнитным полем и вращающихся во взаимно противоположных направлениях под действием касательных сил, направленных в сторону вращения каждого из ферромагнитных колец, а используемый в таких кольцах ферромагнетик обладает заданной величиной магнитной вязкости, определяющей оптимальную скорость вращения колец при заданной механической нагрузке. Энергия вращательного движения ферромагнитных колец черпается из внутренней тепловой энергии этих колец, которые за счет магнитокалорического эффекта охлаждаются при адиабатическом размагничивании ферроматериала по его выходе из магнитного зазора с насыщающим магнитным полем. Поэтому энергетика устройства напрямую связана со скоростью передачи тепловой энергии из внешнего пространства к охлаждающимся ферромагнитным кольцам, то есть с теплопроводностью среды, передающей тепловую энергию внешней среды. Известно, что теплопроводность ферромагнетиков существенно хуже теплопроводности металлов, таких как серебро, медь и алюминий. Поэтому в известном устройстве-прототипе ферромагнитные кольца, являющиеся роторами ферромагнитовязкого двигателя, недостаточно эффективно воспринимают тепловую энергию из внешней среды из-за недостаточной теплопроводности ферромагнетиков. Это снижает мощность таких двигателей, что является недостатком таких устройств.

Заявляемое техническое решение устраняет присущий прототипу недостаток.

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности при преобразовании тепловой энергии окружающей среды в механическую энергию вращающегося ротора.

Указанная цель достигается в заявляемом техническом решении - роторе ферромагнитовязкого двигателя, состоящего из ферромагнитного кольца с осью его вращения, частично помещенного в магнитный зазор с насыщающим магнитным полем, а ферромагнитное кольцо выполнено из магнитовязкого материала, отличающемся тем, что ферромагнитное кольцо выполнено из группы тонких соосно установленных ферромагнитных колец, соединенных между собой через тонкие металлические диски, которые соединены с осью вращения, выполненной в виде тонкостенной металлической трубки, внутри которой протекает жидкость, например проточная вода из окружающей среды для передачи ее тепловой энергии указанной группе тонких ферромагнитных колец через металлические диски, а материал тонких металлических дисков выбран немагнитным и имеющим большую теплопроводность, например медь.

Поставленная цель достигается в заявляемом многослойном роторе благодаря хорошей теплопроводности металлических (например, медных) дисков, склеенных с тонкими ферромагнитными кольцами по всей их поверхности и припаянных к металлической тонкостенной трубке большого диаметра, внутри которой организован поток нагревающей ферромагнитные кольца жидкости, например воды (из водопровода, связанного, например, с водоемом или рекой с организованным перепадом уровней втекающей и вытекающей воды). Проток воды в осевой трубке может быть организован также установкой лопастей в форме винтовой поверхности внутри трубки, при вращении которой вода перегоняется с одного конца трубки к другому, что допускает помещение устройства в водный бассейн - пруд, озеро, море).

Изобретение понятно из представленных чертежей.

На фиг.1 показан тороидальный магнит, в магнитном зазоре которого образовано насыщающее магнитное поле, с которым совмещена кромка ферромагнитного кольца с осью вращения (последние на фиг.1 не показаны). На тороидальном магните размещена обмотка подмагничивания, использованная в устройстве-прототипе, для стабилизации вращательного движения ферромагнитного кольца в замкнутой системе авторегулирования. С помощью этой обмотки тороидальный магнит намагничивается до насыщения и восстанавливает свои магнитные свойства по мере своего «старения» импульсами постоянного тока. Показаны два ракурса такого тороидального магнита.

На фиг.2 представлена схематически конструкция ротора и показана его связь с постоянным магнитом с обмоткой подмагничивания, которые аналогичны представленному на фиг.1 тороидальному магниту с обмоткой подмагничивания. Схема включает:

1 - группу тонких ферромагнитных магнитовязких колец,

2 - группу тонких металлических, например медных, дисков, скрепленных с группой тонких ферромагнитных колец 1,

3 - тонкостенную металлическую трубку с припаянными к ней тонкими металлическими дисками 2, внутри которой организован поток жидкости, нагревающей группу 1 тонких ферромагнитных колец, например поток воды,

4 - подшипники тонкостенной металлической трубки 3, являющейся осью вращения группы тонких металлических дисков 2 и группы тонких ферромагнитных колец 1,

5 - постоянный магнит, в зазоре которого образовано насыщающее магнитное поле для ферромагнетика группы тонких ферромагнитных колец 1,

6 - обмотка подмагничивания постоянного магнита 5.

Рассмотрим работу заявляемого технического решения.

В пределах данной заявки на конструкцию элемента ферромагнитовязкого двигателя - его ротора - не требуется описание принципа действия всего двигателя в целом, что многократно пояснялось в работах [1-5]. Поэтому рассмотрим лишь вопрос теплопередачи тепловой энергии из окружающей среды, в частности из водного бассейна, к ферроматериалу ферромагнитных колец 1, в которых при их вращательном движении внутри магнитного зазора с насыщающим магнитным полем образуется касательная сила в направлении вращения, которая создает вращательный момент, поддерживающий неограниченно долго (пока имеет место приток тепловой энергии извне) вращательное движение ферромагнитных колец с угловой скоростью, согласованной с параметром магнитной вязкости и постоянной магнитокалорического эффекта для используемого ферроматериала (феррита), а также параметром присоединенной к оси вращения нагрузки, включая и момент трения в оси вращения, и величиной насыщающего магнитного поля в магнитном зазоре постоянного магнита (с учетом кривой Столетова для используемого ферроматериала).

Для эффективной передачи тепловой энергии, например, от водного источника, протекающего в тонкостенной металлической трубке 3, к группе ферромагнитных колец 1 использованы тонкие металлические диски из немагнитного материала, имеющего высокую теплопроводность. Такими металлами являются серебро, медь и алюминий. Серебро металл дорогой. Медь незначительно уступает серебру по теплопроводности. Алюминий более чем в два раза хуже меди по этому параметру, но выгодно отличается от меди по таким характеристикам, как легкость и цена. С точки зрения реализации поставленной цели предпочтительно использовать медь в качестве теплопроводника, которая к тому же легко припаивается к облуженной тонкостенной металлической трубке 3, например стальной. Поскольку медные тонкие диски 2 скреплены со всей поверхностью тонких ферромагнитных колец 1, то есть как бы внедрены внутрь «целого» одиночного ферромагнитного кольца (как в прототипе), то передача тепловой энергии к такому синтетическому ферромагнитному кольцу происходит в его объеме, то есть быстрее нагревает материал кольца, что и приводит к увеличению эффективности энергопреобразования, то есть к увеличению мощности двигателя в целом.

На схеме фиг.2 дано изображение многослойной конструкции из чередующихся тонких ферромагнитных колец и тонких металлических дисков, подводящих тепло к ферромагнитным кольцам в их объеме. Эта схема представлена в измененном масштабе по сравнению с реально выполняемой конструкцией, в которой полная толщина пакета из групп 1 и 2 во много раз меньше их диаметра. Так, полная толщина такого многослойного пакета может быть в 50-100 раз меньше диаметра дисков (колец) при толщине самих ферромагнитных колец и медных дисков порядка 0,5-1,0 мм. Например, если использовать 10 ферромагнитных колец толщиной по 0,5 мм и соответственно 9 медных дисков той же толщины, пакет имеет толщину около 9 мм, и при этом магнитный зазор может быть величиной 10 мм при диаметре дисков (колец) около 0,5 м и более.

Выполнение медных дисков никаких трудностей не вызывает, а тонкие ферромагнитные кольца большого внешнего диаметра должны изготавливаться по специальной технологии, например спеканием ферропорошка при его одновременном прессовании.

Совокупность тонких ферромагнитных колец, скрепленных соосно между собой через тонкие металлические диски, припаянные к тонкостенной металлической трубке - оси вращения ротора, выступает как единое ферромагнитное кольцо, которое более эффективно нагревается по всему ее объему за счет высокой теплопроводности металлических дисков, внедренных внутрь ферромагнитного кольца как целого. Каждый элемент такого синтетического ферромагнитного кольца по выходе его из магнитного зазора постоянного магнита с насыщающим магнитным полем успевает за время оборота нагреться до большей температуры по сравнению с температурой, до которой нагрелся бы этот элемент ферромагнитного кольца, если бы последнее было цельным, без внедрения в его объем металлических дисков теплопередачи. Это приводит к увеличению мощности такого ферромагнитовязкого двигателя.

В случае разработки технологии напыления на тонкие серебряные пленки ферромагнитных материалов в форме колец возможно синтезировать роторы ферромагнитовязких двигателей склеиванием таких напыленных ферромагнетиком серебряных пленочных дисков в монолитный диск с превосходной теплопередачей ферровеществу тепловой энергии из внешней среды, что позволит оптимизировать энергетические характеристики ферромагнитовязких двигателей, в частности увеличить угловую скорость вращения роторов, что увеличит мощность таких двигателей. Аналогичная технология используется при изготовлении гибких магнитных дисков компьютеров и магнитных лент для видеомагнитофонов на полихлорвиниловой или лавсановой подложке (пленке).

Использование в качестве теплосодержащей жидкости именно воды связано с ее большой удельной теплоемкостью и огромным количеством на Земле. Применение меди для тонких металлических дисков - проводников тепла - не создает экранирующего действия для магнитного поля, а лишь увеличивает общий «воздушный» промежуток в зазоре постоянного магнита, что должно учитываться при образовании насыщающего магнитного поля в нем. В качестве материала постоянного магнита следует использовать, например, феррит Sm CO₃, имеющий самое высокое энергетическое произведение магнитной индукции на напряженность магнитного поля (ВН)_max=320 Тл·кА/м (40 млн. Гс·Э).

Заявляемое техническое решение представляет интерес при построении принципиально новых типов двигателей, использующих тепловую энергию внешней среды, количество которой практически безгранично. Такие двигатели не требуют какого-либо топлива, являются экологически чистыми и отвечают требованиям снижения глобального потепления планеты. Заложенные в его работу известные физические принципы и закономерности в их необычном сочетании характеризуют безусловную новизну заявленного и представляют интерес для физиков-теоретиков, а также для физиков-технологов, которые должны создать подходящие ферромагнитные материалы, отвечающие заданным параметрам по их магнитной вязкости, охлаждению при адиабатическом размагничивании и дисперсии относительной магнитной восприимчивости в насыщающих магнитных полях.

Изобретение относится к области альтернативной энергетики и может быть использовано при построении мобильных и стационарных источников механической энергии, использующих тепловую энергию окружающей среды, например потока воды. Ротор ферромагнитовязкого двигателя состоит из ферромагнитного кольца из магнитовязкого материала с осью вращения. Кольцо частично помещено в магнитный зазор с насыщающим магнитным полем. Ферромагнитное кольцо выполнено из группы тонких соосно установленных ферромагнитных колец, соединенных между собой через тонкие металлические диски. Диски соединены с осью вращения, которая выполнена в виде тонкостенной металлической трубки. Внутри трубки протекает жидкость, например проточная вода из окружающей среды для передачи ее тепловой энергии указанной группе тонких ферромагнитных колец через металлические диски. Материал тонких металлических дисков выбран немагнитным и имеющим большую теплопроводность, например медь. Изобретение позволяет повысить энергетическую эффективность при преобразовании тепловой энергии окружающей среды в механическую энергию вращающегося ротора. 2 ил.

Ротор ферромагнитовязкого двигателя, состоящего из ферромагнитного кольца с осью его вращения, частично помещенного в магнитный зазор с насыщающим магнитным полем, а ферромагнитное кольцо выполнено из магнитовязкого материала, отличающийся тем, что ферромагнитное кольцо выполнено из группы тонких соосно установленных ферромагнитных колец, соединенных между собой через тонкие металлические диски, которые соединены с осью вращения, выполненной в виде тонкостенной металлической трубки, внутри которой протекает жидкость, например проточная вода из окружающей среды для передачи ее тепловой энергии указанной группе тонких ферромагнитных колец через металлические диски, а материал тонких металлических дисков выбран немагнитным и имеющим большую теплопроводность, например медь.