УНИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ТОКА Российский патент 2014 года по МПК H02K31/00 

Суть изобретения: Суть изобретения, заключается в том, что в качестве вращающегося в перпендикулярном магнитном поле ротора используется наборный диск из тонких металлических секторов диска(пластин), разделенных тонкими диэлектрическими прокладками, со скользящими контактами на оси вращения диска, а в качестве статора используются полюса вращающегося постоянного или переменного магнитного поля.

Описание изобретения: Изобретение относится к области генераторов и преобразователей электрической энергии и может быть использовано в качестве генератора электрической энергии постоянного или переменного тока в промышленности и в других применениях. Прототипом являются униполярные генераторы/моторы. [1]

На фиг.1 и фиг.2 схема униполярного генератора тока с двумя полюсами, на фиг.3 и фиг.4 схема униполярного генератора тока с шестью полюсами: 1 - металлические пластины(сектора диска) ротора генератора; 2 - вращающийся с угловой скоростью w ротор; 3 - привод вращения ротора (2); 4 - полюса вращающегося с угловой скоростью W магнитного поля; 5 - приводы вращения полюсов (4); 6 - скользящие контакты; 7 - изолирующие прокладки между пластинами (1) из диэлектрика; 8 - радиальное соединение пластин (1); 9 - прямой и обратный провод съема тока с периметра ротора (2); B - направление вектора магнитной индукции полюсов (4); W - направление вращения магнитного поля полюсов (4); w - направление вращения ротора (2); D - диаметр вращающихся пластин (1); d - диаметр вращающихся полюсов (4); E - направление ЭДС (разности потенциалов/напряжения) на пластинах (1); I - направление тока по периметру ротора (2); в проводах (9) и в нагрузке; +Q и -Q - заряды на пластинах (1) ротора (2); R_нагр - внешняя подключаемая нагрузка; N и S - магнитные полюса постоянного магнитного поля.

Принцип работы униполярного генератора тока, основан на общеизвестном принципе работы униполярных генераторов, а именно, что в проводнике пересекающем линии перпендикулярного постоянного магнитного поля возникает ЭДС, направленная согласно «правилу левой руки». Пластины (1) пересекают линии перпендикулярного постоянного магнитного поля полюсов (4), и в них под действием силы Лоренца F_л=e(B×V) формируется ЭДС (разность потенциалов) E, направленная диаметрально между противоположными полюсами (4). Под воздействием ЭДС в пластинах (1) происходит разделение зарядов на +Q и -Q, так что у диаметрально расположенных полюсов (4) скапливаются заряды противоположной полярности. Величина зарядов +Q и -Q определяется электрической емкостью пластин (1), т.е. емкостью конденсатора, образованного диаметрально противоположными частями пластин (1) и емкостью с остальными пластинами (1) полюсов (4). При вращении ротора (2) с угловой скоростью w, заряды +Q и -Q будут оставаться на месте у своих полюсов (4), а значит по периметру ротора (2) возникнет суммарный ток I от вращающихся с ротором (2) зарядов +Q (области с недостатком электронов) и движущихся навстречу вращения ротора (2) зарядов -Q (электроны). Через скользящие контакты (6) на оси вращения ротора (2) ток I снимается с периметра ротора (2), поступает в нагрузку и возвращается обратно на периметр ротора (2). Т.к. прямой и обратный провод съема тока I с периметра ротора (2) абсолютно симметричны относительно ЭДС, как в части проводников в роторе (2), так и во внешней цепи нагрузки, то суммарная ЭДС в прямом и обратном проводе равна нулю и не влияет на ток I.

Металлические пластины (1) ротора (2) могут быть из любого металла или сплава металлов. Форма пластин (1) может быть любой в виде: пластин, прутков, секторов круга и т.д. Для увеличения емкости пластин (1) и, соответственно, зарядов +Q, -Q и тока I, необходимо увеличить их площадь (увеличение диаметра D ротора (2)), увеличить количество пластин (1) создавая наборный ротор (2) из большого количества одинаковых тонких (мкм) пластин (1), соединенных параллельно только по радиальным краям секторов диска, а так же использовать изолирующие прокладки между пластинами (1) в виде тонкого материала с большим коэффициентом относительной диэлектрической проницаемости ε=100÷10000. Количество пластин (1) (секторов диска) на которые разбит ротор (2) равно количеству полюсов (4) или больше. Вращение ротора (2) с угловой скоростью вращения w осуществляется приводом вращения (3).

Направление магнитной индукции В вращающихся полюсов (4) сонаправлена для всех полюсов (4), а вращение W встречно, как для диаметрально расположенных полюсов (4), так и для соседних полюсов (4) по периметру ротора (2). За счет такой конфигурации достигается чередование зарядов +Q и -Q по периметру ротора (2). Диаметральная ЭДС, создаваемая парой диаметрально противоположных полюсов (4), равна Е=BW(D+d/2)²/2, где B - значение магнитной индукции каждого полюса (4), W - частота вращения полюсов (4), D - диаметр ротора (2), d - диаметр полюса (4), т.к. D>>d, то для упрощения дальнейших расчетов примем значение ЭДС равным Е=BWD²/2. Суммарный заряд, создаваемый ЭДС равен Q=nEC=nCBWD²/4, где n - количество полюсов (4), C - взаимная емкость между полюсами (4). Ток по периметру ротора (2) будет равен I=Q/t=wQ=wnCBWD²/4, где w - частота вращения ротора (2). Обязательным условием работоспособности униполярного генератора тока является Wd>wD, т.е. линейная скорость вращения полюсов (4) больше линейной скорости вращения ротора (2). Полюса (4) вращающегося магнитного поля могут быть в виде вращающихся с угловой скоростью вращения W постоянных магнитов, которые приводит во вращение привод (5), либо в виде вращающихся с угловой скоростью вращения W электромагнитов, которые приводит во вращение привод (5), либо неподвижными обмотками с магнитопроводом внутри, в которых создается вращающиеся постоянное или переменное магнитное поле от внешнего источника питания. Количество полюсов (4) может быть 2, 6, 10 или больше при соблюдении условий, что ЭДС создаваемые в роторе (2) диаметрально расположенными полюсами (4) сонаправлены, а соседние полюса (2) (по периметру) создают чередования диаметральной полярности ЭДС в роторе (2).

Выходная мощность униполярного генератора тока будет определяться током I через нагрузку R_нагр и будет условно равна Р=I²R_нагр=(wQ)²R_нагр=(wnEC)²R_нагр=(wnCBWD²/4)²R_нагр, т.к. емкость С=εε₀S/x зависит от диаметра D (площадь прямо пропорционально квадрату диаметра D S=πD²/4, а расстояние х между секторами ротора (2) прямо пропорционально диаметру D), то можно записать емкость как C=kD, где коэффициент емкости между секторами ротора (2) k=εε₀π/4m, D - диаметр ротора (2), m - коэффициент расстояния х между секторами ротора (2), тогда выходная мощность униполярного генератора тока будет равна Р=(wnkBWD³/4)²R_нагр=(wnkBW/4)²D⁶R_нагр, т.е. выходная мощность прямо пропорциональна шестой степени диаметра D ротора (2), квадрату частот вращения w ротора (2) и W полюсов (4), квадрату количества n полюсов (4) и магнитной индукции B каждого полюса (4) и квадрату коэффициента емкости к между секторами ротора (2).

Преимуществом униполярного генератора тока по сравнению со стандартными униполярными генераторами [1] является то, что скользящие контакты (6) расположены на оси вращения ротора (2), имеют малую линейную скорость вращения и легки в изготовлении, даже для больших выходных мощностей униполярного генератора тока. Другим преимуществом униполярного генератора тока по сравнению со стандартными униполярными генераторами [1] является возможность получения более высокой ЭДС при одинаковых диаметрах D ротора (2). Так для стандартного униполярного генератора дискового типа ЭДС будет равна E=BWR²/2=BWD²/8, а для униполярного генератора тока диаметральная ЭДС составляет Е=BW(D+d/2)²/2, т.е. как минимум в 4 раза больше. Другим недостатком стандартных униполярных генераторов [1] является ограничение связанное с прочностью материала диска, увеличение диаметра D диска и его частоты вращения возможно только до пределов прочности материалов диска, т.к. линейная скорость вращения V=WR на периметре диска может превысить прочность материала диска и вызвать его разрушение. В униполярном генераторе тока данная проблема решена за счет того, что вращение с большой угловой скоростью W осуществляется полюсами (4) небольшого диаметра d<<D и предел прочности материала полюсов достигается при гораздо больших частотах вращения W, т.к. линейная скорость вращения полюсов V=Wd/2<<WD/2, а диск ротора (2), в котором наводится ЭДС, вращается с небольшой угловой скоростью w<<W, то возможно применение диска гораздо большего диаметра D ротора (2) до достижения предела прочности материала ротора (2), т.к. V=wD/2. Соответственно ЭДС в униполярном генераторе тока может на порядки превышать ЭДС в сравнении со стандартными униполярными генераторами [1].

Ссылки:

[1] - Л.А. Суханов, Электрические униполярные машины, ВНИЭМ, Москва, 1964 г.

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к электрическим машинам. Предлагаемый униполярный генератор тока может быть использован в качестве генератора электрической энергии постоянного или переменного тока в промышленности и может найти другие применения. Суть изобретения заключается в том, что в качестве вращающегося в перпендикулярном магнитном поле ротора используется наборный диск из металлических пластин (секторов диска), разделенных диэлектрическими прокладками, со скользящими контактами на оси вращения диска, а в качестве статора используются полюса вращающегося постоянного или переменного магнитного поля. Технический результат - получение более высокой ЭДС при тех же диаметрах ротора униполярного генератора при одновременном повышении его надежности. 4 ил.

Униполярный генератор тока, состоящий из вращающегося ротора и неподвижного статора, отличающийся тем, что в качестве вращающегося в перпендикулярном магнитном поле ротора используется наборный диск из металлических пластин (секторов диска), разделенных диэлектрическими прокладками, со скользящими контактами на оси вращения диска, а в качестве неподвижного статора используются полюса вращающегося постоянного или переменного магнитного поля; количество секторов диска ротора равно количеству полюсов статора или больше; полюса статора вращающегося магнитного поля могут быть созданы вращающимися постоянными магнитами, либо вращающимися электромагнитами, либо неподвижными обмотками с магнитопроводом внутри, в которых создается вращающееся постоянное или переменное магнитное поле; количество вращающихся полюсов может быть 2 или больше при соблюдении условий, что направления ЭДС, создаваемые в роторе (диске) диаметрально расположенными полюсами, сонаправлены, а соседние полюса (по периметру) создают чередования направления диаметральной полярности ЭДС в роторе.