ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2014 года по МПК H02N11/00 H03K3/53 

Изобретение относится к энергетике и может найти применение в изделиях различных отраслей техники.

Известно электромагнитное устройство без подвижных частей в виде трансформатора, содержащее замкнутый магнитопровод, включающий в себя два сердечника с обмотками и два ярма, связывающие их. Обмотки трансформатора могут находиться на одном (общем) сердечнике. Трансформатор используется для преобразования переменного во времени напряжения по величине. Передача энергии из одной цепи (обмотки) в другую в трансформаторе происходит путем использования явления взаимоиндукции (см. Л.А. Бессонов. Теоретические основы электротехники в трех частях, изд. четвертое, «Высшая школа», М. 1964, стр.158).

Известно также электромеханическое устройство в виде поляризованного электромагнита с дифференциальной магнитной цепью. Оно содержит П-образный магнитопровод, включающий в себя два сердечника и связывающее их ярмо, обмотки на сердечниках, источник намагничивающей силы (н.с.) в виде постоянного магнита или электромагнита, установленный одним полюсом на ярмо магнитопровода между сердечниками, и переключатель магнитного потока, развиваемого источником н.с., на один или другой сердечник с упомянутыми обмотками (см. Ройзен В.З. Малогабаритные поляризованные реле и дистанционные переключатели. «Энергия», Л., 1969, стр.7, рис.1-2, в). В указанном электромагните роль переключателя выполняет якорь в виде поворотной пластины.

Недостатком рассмотренного устройства является наличие в нем подвижной детали-якоря в виде поворотной пластины, которая ограничивает ресурс работы всего устройства.

Целью настоящего изобретения является исключение из указанного устройства подвижной детали-якоря с последующим использованием устройства по новому назначению.

Поставленная цель достигается тем, что рассмотренное устройство снабжено дополнительным ярмом, установленным на второй полюс источника н.с. и замыкающим полюса сердечников магнитопровода, и выполненным, как и первый, цельным или составным, а переключатель магнитного потока, развиваемого источником н.с., выполнен или в виде двух разомкнутых магнитопроводов, например С-образной формы, с обмоткой на каждом из них, размещенных по разные стороны от источника н.с. и охватывающих одно или оба упомянутых ярма с двух противоположных сторон, или в виде двух замкнутых магнитопроводов с обмоткой на каждом из них, размещенных по разные стороны от источника н.с., в зазорах между дополнительным ярмом и полюсами сердечников П-образного магнитопровода или в зазорах между составными частями одного или обоих ярм.

Анализ известных технических решений (аналогов) среди электромагнитных устройств с использованием электрических и магнитных средств позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявленном электрическом генераторе, и признать заявляемое решение соответствующим критерию «существенные отличия».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 схематически показан общий вид одного из конструктивных вариантов генератора, в котором переключатель магнитного потока, развиваемого источником н.с, выполнен в виде двух разомкнутых магнитопроводов С-образной формы с обмоткой на каждом из них, размещенных по разные стороны от источника н.с.и охватывающих дополнительное ярмо с двух противоположных сторон;

на фиг.2 схематически изображен общий вид одного из конструктивных вариантов генератора, в котором переключатель магнитного потока, развиваемого источником н.с, выполнен в виде двух замкнутых магнитопроводов с обмоткой на каждом из них, размещенных по разные стороны от источника н.с. в зазорах между дополнительным ярмом и полюсами сердечников П-образного магнитопровода;

на фиг.3 показана схема подключения обмоток, размещенных на магнитопроводах переключателя магнитного потока, развиваемого источником н.с., к источнику переменного тока;

на фиг.4 приведена электрическая схема замещения магнитной цепи генератора;

на фиг.5 показан график изменения напряжения питания от источника переменного тока;

на фиг.6 показан в увеличенном виде один из незамкнутых магнитопроводов переключателя магнитного потока и охватываемый им участок ярма с магнитными потоками, проходящими по ним.

на фиг.7 показано воздействие на участок ярма, охваченном незамкнутым магнитопроводом переключателя магнитного потока, продольного магнитного потока от источника н.с. и поперечного управляющего магнитного потока;

на фиг.8 показаны векторы магнитного потока и индукции ортогональных магнитных полей на участке ярма, охваченном незамкнутым магнитопроводом переключателя магнитного потока;

на фиг.9 показан в увеличенном виде второй незамкнутый магнитопровод переключателя магнитного потока и охватываемый им участок ярма с магнитными потоками, проходящими по ним;

- на фиг.10 показан в увеличенном виде один из замкнутых магнитопроводов переключателя магнитного потока, размещенный в зазоре между дополнительным ярмом и полюсом одного из сердечников П-образного магнитопровода, с магнитными потоками, проходящими по дополнительному ярму с сердечником и замкнутому магнитопроводу.

Генератор, общий вид которого приведен на фиг.1, включает в себя П-образный магнитопровод, состоящий из двух сердечников 1, 2 и связывающего их ярма 3, две обмотки ω₁ и ω₂ на сердечниках 1, 2, источник н.с. в виде постоянного магнита 4, установленный одним полюсом на ярмо 3 между сердечниками 1 и 2, дополнительное ярмо 5, установленное на второй полюс постоянного магнита 4 так, что оно замыкает полюса сердечников 1 и 2, переключатель магнитного потока, развиваемого постоянным магнитом 4, в виде двух разомкнутых магнитопроводов 6, 7, например С-образной формы, с обмотками ω₃ и ω₄ на них, размещенных по разные стороны от постоянного магнита 4 и охватывающих дополнительное ярмо 5 с двух противоположных сторон.

Возможна конструкция генератора, в которой один из разомкнутых магнитопроводов, например 6, охватывает дополнительное ярмо 5, а другой разомкнутый магнитопровод 7 охватывает ярмо 3.

Возможна конструкция генератора, в которой в качестве источника н.с. может быть использован электромагнит.

Возможна конструкция генератора, в которой переключатель магнитного потока, развиваемого постоянным магнитом 4, может быть выполнен в виде двух замкнутых магнитопроводов 8, 9 с обмотками ω₃ и ω₄ на них, размещенных по разные стороны от постоянного магнита в зазорах между дополнительным ярмом 5 и полюсами сердечников 1, 2 П-образного магнитопровода (фиг.2).

Возможна также конструкция генератора с одним или двумя составными ярмами 3 и 5, в зазорах между которыми размещаются замкнутые магнитопроводы 8, 9 с обмотками ω₃ и ω₄, например, в близи от полюсов постоянного магнита 4. 0бмотки ω₃ и ω₄, размещенные на незамкнутых магнитопроводах 6, 7 в конструкции, приведенной на фиг.1, и на замкнутых магнитопроводах 8, 9 в конструкции, приведенной на фиг.2, подключаются к источнику переменного тока по схеме, приведенной на фиг.3. В этой схеме активные и индуктивные сопротивления обмоток ω₃ и ω₄ обозначены соответственно R₃, L₃ и R₄, L₄. Диоды Д₁ и Д₂ обеспечивают последовательное поочередное включение обмоток ω₃ и ω₄ при работе генератора.

На фиг.4 приведена электрическая схема замещения магнитной цепи генератора без учета рассеивания магнитного потока, развиваемого постоянным магнитом.

В выключенном положении генератора, когда обмотки ω₃ и ω₄ не подключены к источнику переменного тока, магнитный поток Ф₀, развиваемый постоянным магнитом, разветвляется на два потока (фиг.4). Один из них Ф₁ проходит через один (левый) контур, а другой Ф₂ - через другой (правый) контур. Так как магнитные сопротивления участков основного магнитопровода R₁ и R₂ и магнитные сопротивления R_5-6 и R_5-7 участков дополнительного ярма 5 длиной l, охваченных незамкнутыми магнитопроводами 6 и 7 (фиг.1), при этом практически равны

то потоки Ф₁ и Ф₂, замыкающиеся через сердечники 1 и 2,

При включении генератора - подключении его обмоток ω₃ и ω₄ к источнику переменного тока, напряжение которого изменяется в соответствии с графиком, приведенным на фиг.5 - в виде периодически следующих друг за другом импульсов прямоугольной формы положительной и отрицательной полярности, в незамкнутых магнитопроводах 6 и 7 протекают магнитные потоки в направлениях, перпендикулярном направлению потоков Ф₁ и Ф₂.

Так, на первом полупериоде изменения напряжения (фиг.3, фиг.5) импульс положительной полярности поступает на обмотку ω₃. Образуемый ею поток управления Ф_уп проходит в незамкнутом магнитопроводе 6 и охватываемом им участке ярма 5 длиной l (фиг.6, фиг.7) в направлении поперек ярма 5, Одновременно по ярму 5 проходит поток Ф₁ от постоянного магнита 4, направленный вдоль ярма 5. Под воздействием суммарного магнитного потока участок ярма длиной l, охватываемый незамкнутым магнитопроводом 6, характеризуется новым значением магнитной индукции В_Σ и новым значением относительной магнитной проницаемости µ_r (фиг.8), причем вектор магнитной индукции суммарного магнитного поля существенно больше продольного вектора магнитной индукции и как следствие, материал ярма длиной l насыщается, при этом относительная магнитная проницаемость его резко падает. Так, для листовой электротехнической стали марки Э-330 относительная магнитная проницаемость µ_r при изменении магнитной индукции в пределах от 0,2 до 0,9 Тл находится в пределах 20000-25000, а при насыщении при индукции 2 Тл не превышает 40 (см. М.А. Любчик. Силовые электромагниты аппаратов и устройств автоматики постоянного тока (Расчет и элементы проектирования), М., «Энергия», 1968, стр.144).

При насыщении участка ярма 5 длиной l магнитное сопротивление этого участка составляет

где µ₀=4π·10^-7 - магнитная постоянная;

µ_r'- относительная магнитная проницаемость материала ярма 5, соответствующая суммарной магнитной индукции В_Σ;

S - поперечное сечение ярма 5.

Магнитные сопротивления магнитопроводов (участков П-образного магнитопровода и ярма 5 одного и другого контуров магнитной цепи (фиг.4)) от одного полюса постоянного магнита 4 до другого составят:

где l₁ и l₂ - длина пути потоков Ф₁ и Ф₂ соответственно по магнитопроводу от одного полюса постоянного магнита 4 до другого;

S₁ и S₂ - поперечные сечения магнитопровода на пути потоков Ф₁ и Ф₂ соответственно;

и - относительные магнитные проницаемости материала магнитопровода, соответствующие потокам Ф₁ и Ф₂ соответственно.

В соответствии со схемой замещения магнитной цепи генератора (фиг.4)

Так как

R₁≈R₂,

а сопротивление R_5-6 во много раз больше сопротивлений R₁ и R₂, так как µ_r' практически на три порядка меньше и , то

То есть, в самом начале первого полупериода изменения тока в цепи обмотки ω₃, весь поток Ф₀, развиваемый постоянным магнитом 4, замыкается во втором (правом) контуре (фиг.4) через сердечник 2.

В конце первого полупериода изменения тока в обмотке ω₃ поток управления Ф_уп в незамкнутом магнитопроводе 6 и охватываемом им участке ярма 5 уменьшается до нуля - магнитная система генератора приходит в исходное состояние, при котором магнитные потоки

Ф₁=Ф₂

В начале второго полупериода изменения напряжения импульс отрицательной полярности поступает на обмотку ω₄ (фиг.3, фиг.5). Образуемый ей поток управления Ф_уп проходит в незамкнутом магнитопроводе 7 и охватываемом им участке ярма 5 длиной l в направлении поперек ярма. Одновременно по ярму проходит поток Ф₂ от источника н.с., направленный вдоль ярма (фиг.9). В результате суммарного воздействия потоков Ф_уп и Ф₂ на участке ярма 5 длиной l, охваченном незамкнутым магнитопроводом 7, в самом начале второго полупериода изменения тока в цепи обмотки ω₄ весь поток Ф₀, развиваемый источником н.с. 4, замыкается в первом (левом) контуре (фиг.4) через сердечник 1 так же, как и при прохождении его через второй (правый) контур для случая прохождения импульса положительной полярности через обмотку ω₃.

В конце второго полупериода изменения тока в обмотке ω₄ поток управления Ф_уп в незамкнутом магнитопроводе 7 и охватываемом им участке ярма 5 уменьшается до нуля - магнитная система генератора приходит в исходное состояние, при котором магнитные потоки

Ф₁=Ф₂.

И так происходит работа генератора на третьем и последующих полупериодах изменения напряжения питания от источника переменного тока.

Генератор, изображенный на фиг.2, отличается от генератора, изображенного на фиг.1, только тем, что переключатель магнитного потока, развиваемого постоянным магнитом, выполнен в нем в виде двух замкнутых магнитопроводов 8, 9 с обмоткой на каждом из них, размещенных в зазорах или между полюсами сердечников 1, 2 и ярмом 5 (фиг.2) или между составными частями одного или обоих ярм 3, 5. На фиг.10 показан в увеличенном виде замкнутый магнитопровод 8 длиной l (размер в направлении длины ярма 5), охватываемый с двух сторон или составными частями ярм или с одной стороны полюсом одного из сердечников П-образного магнитопровода, а с другой стороны ярмом 5, с магнитными потоками Ф_уп и Ф₁ протекающими в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Под воздействием суммарного магнитного потока участок магнитопровода 8, охваченный с двух сторон составными частями ярма 5, насыщается так же, как и участок ярма. Охваченный незамкнутым магнитопроводом 6 (фиг.6) в конструкции генератора, изображенного на фиг.1. При этом магнитная проницаемость материала магнитопровода 8 на этом участке резко падает.

При подключении обмоток ω₃ и ω₄ к источнику переменного тока генератор, изображенный на фиг.2, работает так же, как и генератор, изображенный на фиг.1, с тем отличием, что в первом происходит насыщение участков замкнутых магнитопроводов 8 и 9, охваченных с двух сторон или составными частями ярм или с одной стороны полюсом одного из сердечников П-образного магнитопровода, а с другой стороны ярмом 5, а во втором происходит насыщение участков одного (фиг.1) или обоих ярм, охваченных незамкнутыми магнитопроводами 6, 7.

Таким образом, при питании обмоток ω₃ и ω₄ от источника переменного тока происходит последовательное поочередное изменение магнитного сопротивления R_5-6 и R_5-7 участков ярма 5, охваченных незамкнутыми магнитопроводами 6 и 7 в конструкции генератора, изображенного на фиг.1, и магнитного сопротивления R₈ и R₉ участков замкнутых магнитопроводов 8, 9, охваченных с одной стороны полюсами сердечников 1, 2 и ярмом 5 с другой стороны, в конструкции генератора, изображенного на фиг.2, от минимального до максимального значения и, как следствие этого, переключение магнитного потока Ф₀, развиваемого постоянным магнитом 4, на одно плечо магнитной цепи генератора с сердечником 1, а затем на другое плечо магнитной цепи с сердечником 2.

При положительной полярности импульсов напряжения весь поток Ф₀, развиваемый постоянным магнитом 4, переключается на плечо магнитной цепи с сердечником 2, а при отрицательной полярности импульсов напряжения - на плечо магнитной цепи с сердечником 1.

В следствии изменения магнитных потоков в сердечниках 1 и 2 в обмотках ω₁ и ω₂, размещенных на них, наводится э.д.с. так же, как и в электрических генераторах коммутаторного типа

где k_ф- - конструктивный коэффициент;

ω_к - число витков в катушках ω₁ и ω₂;

f - частота, равная

Здесь T - период колебаний импульсов положительной и отрицательной полярности напряжения от источника переменного тока (фиг.5). (см. В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев, А.Н. Ларионов. Электрические машины с постоянными магнитами, М. - Л., «Энергия», 1964, стр.265). Это обстоятельство позволяет использовать предлагаемое устройство в качестве электрического генератора.

В генераторе переменный ток, к источнику которого подключены обмотки ω₃ и ω₄, может изменяться по синусоидальному закону.

Технико-экономический эффект предложенного технического решения в сравнении с прототипом заключается в повышении ресурса устройства. Этот эффект достигается за счет того, что предложенный генератор выполнен в виде электромагнитного устройства, не имеющего подвижных частей.

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в изделиях различных отраслей техники. Технический результат состоит в исключении подвижных частей. Электрический генератор содержит П-образный магнитопровод, включающий в себя два сердечника и связывающее их ярмо, обмотки на сердечниках, источник н.с. в виде постоянного магнита или электромагнита, установленный одним полюсом на ярмо между сердечниками, и переключатель магнитного потока, развиваемого источником н.с., на один или другой сердечник с обмотками. Генератор снабжен дополнительным ярмом, установленным на второй полюс источника н.с. и замыкающим полюса сердечников магнитопровода, и выполненным, как и первый, цельным или составным. Переключатель магнитного потока, развиваемого источником н.с., выполнен в виде двух разомкнутых магнитопроводов, например С-образной формы, с обмоткой на каждом из них, размещенных по разные стороны от источника н.с и охватывающих одно или оба упомянутых ярма с двух противоположных сторон, или в виде двух замкнутых магнитопроводов с обмоткой на каждом из них, размещенных по разные стороны от источника н.с. в зазорах между дополнительным ярмом и полюсами сердечников П-образного магнитопровода или в зазорах между составными частями одного или обоих ярм. 10 ил.

Электрический генератор, содержащий П-образный магнитопровод, включающий в себя два сердечника и связывающее их ярмо, обмотки на сердечниках, источник н.с. в виде постоянного магнита или электромагнита, установленный одним полюсом на ярмо между сердечниками, и переключатель магнитного потока, развиваемого источником н.с., на один или другой сердечник с упомянутыми обмотками, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным ярмом, установленным на второй полюс источника н.с. и замыкающим полюса сердечников магнитопровода, и выполненным, как и первый, цельным или составным, а переключатель магнитного потока, развиваемого источником н.с., выполнен в виде двух разомкнутых магнитопроводов, например С-образной формы, с обмоткой на каждом из них, размещенных по разные стороны от источника н.с. и охватывающих одно или оба упомянутых ярма с двух противоположных сторон, или в виде двух замкнутых магнитопроводов с обмоткой на каждом из них, размещенных по разные стороны от источника н.с. в зазорах между дополнительным ярмом и полюсами сердечников П-образного магнитопровода или в зазорах между составными частями одного или обоих ярм.