Солнечный электромагнитный генератор Российский патент 2020 года по МПК H02S10/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к электрическим машинам с постоянными магнитами и солнечными модулями.

Известен электромагнитный генератор Фарадея, содержащий медный диск, который приводится во вращение между полюсами подковообразного магнита и двух скользящих контактов, которые расположены у края диска и около оси вращения (Суханов Л.А., Сафиуллина Р.К., Бобков Ю.А. Электрические униполярные машины. М., ВНИИЭМ, 1964, С. 8-12). Магнитный генератор Фарадея является обратимой электрической машиной, при подаче напряжения на скользящие контакты магнитный генератор превращается в магнитный двигатель Фарадея. Известный магнитный генератор имеет равномерное не изменяющееся во время работы магнитное поле в роторе, что снижает потери на вихревые токи и ЭДС самоиндукции.

Недостатком известного электромагнитного генератора являются низкая мощность и невозможность его использования в качестве солнечного генератора электрической энергии.

Другим недостатком являются большой ток и низкое напряжение генератора, что приводит к потерям электрической энергии в скользящих контактах и проводах.

Известен солнечный электромагнитный двигатель Мендосино, содержащий ротор с осью вращения, подшипниками и электрической обмоткой, соединенной с токовыводами солнечного модуля из скоммутированных солнечных элементов с p-n-переходами, размещенных на боковой поверхности ротора, а также неподвижный постоянный магнит статора, плоскость которого параллельна оси ротора (Larry Spring’s Magnetic Levitation Mendocino Brushless Solar Motor www.larryspring.com/sub06_motors.html). Известный солнечный электромагнитный двигатель состоит из ротора многоугольного (обычно квадратного) сечения, насаженного на вал. Ротор имеет два набора обмоток с питанием от солнечных модулей. Вал расположен горизонтально, на каждом его конце находится постоянный кольцевой магнит. Магниты на валу обеспечивают левитацию, так как они находятся над отталкивающими магнитами, расположенными в основании. Постоянный магнит статора, находящийся под ротором, создаёт магнитное поле для обмоток ротора. Когда свет падает на один из солнечных модулей, солнечный модуль генерирует электрический ток, который течёт по обмотке ротора. Этот ток создаёт магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнита статора. Это взаимодействие приводит ротор во вращение. При вращении ротора следующий солнечный модуль перемещается к свету и возбуждает ток во второй обмотке. Процесс повторяется до тех пор, пока на солнечные модули падает солнечный свет. Можно провести аналогию с работой коллекторного двигателя постоянного тока: вместо щёточного электрического коллектора в данном двигателе используется «световой коллектор».

В известном солнечном электромагнитном двигателе для вращения ротора используется закон электромагнитной индукции Фарадея, электрическая энергия для питания обмоток ротора поступает от солнечного модуля.

Недостатком известного солнечного электромагнитного двигателя является невозможность его использования в качестве генератора электрической энергии.

Другим недостатком известного солнечного электромагнитного двигателя является низкая мощность из-за затенения ротором 75% площади солнечных модулей, установленных на неосвещаемой поверхности ротора.

Еще одним недостатком является низкий электрический КПД солнечного электромагнитного двигателя из-за явления самоиндукции в обмотке ротора, которая приводит к торможению ротора при взаимодействии с магнитным полем статора.

Известен электромагнитный генератор, включающий постоянный магнит с магнитными полюсами на противоположных концах, магнитный сердечник, первую и вторую входные управляющие катушки, первую и вторую выходные генераторные катушки и переключающую электрическую схему. Магнитный сердечник постоянного магнита включает первый магнитопровод между противоположными концами, вокруг которого расположены первая входная управляющая и выходная генераторная обмотки и второй магнитопровод между противоположными концами постоянного магнита, вокруг которого вторая входная управляющая и выходная генераторная обмотки (патент США № 6362718В1). Переключающая схема переключает переменный ток между первой и второй входной катушкой. Электрический ток, проходящий через первую входную управляющую катушку, создаёт магнитное поле, противоположное магнитному потоку, проходящему от постоянного магнита по магнитной цепи первого магнитопровода, что увеличивает магнитный поток от постоянного магнита через второй магнитопровод. Электрический ток через вторую управляющую выходную катушку создаёт магнитный поток, противоположный направлению магнитного потока постоянного магнита через второй магнитопровод, и увеличивает магнитный поток от постоянного магнита через первый магнитопровод. Изменение магнитного потока, согласно закону Фарадея, приводит к появлению электрического тока попеременно в первой и второй выходной генераторной катушке.

Часть электрической энергии (до 30%) , вырабатываемой выходными генераторными катушками, затрачивается на питание входных управляющих катушек и заряд стартового аккумулятора.

Недостатком известного электромагнитного генератора являются низкая эффективность использования генерируемой электрической энергии, значительная часть которой используется для зарядки аккумулятора и питания входных управляющих катушек электромагнитного генератора.

Другим недостатком является ограниченная мощность генератора 50-100 Вт из-за ограничений тока через входные управляющие катушки, связанных с насыщением магнитного потока в магнитопроводе и больших затрат электрической энергии на создание магнитного поля во входных управляющих катушках.

Задачей предлагаемого изобретения является создание солнечного электромагнитного генератора без движущихся частей с высокой эффективностью использования солнечной и магнитной энергии и увеличение его мощности.

Технический результат заключается в снижении затрат энергии на собственные нужды электромагнитного генератора и полном использовании энергии постоянного магнита.

Технический результат достигается тем, что в солнечном электромагнитном генераторе, содержащем солнечный модуль из скоммутированных солнечных элементов, постоянные магниты, соединённые с замкнутыми магнитопроводами из ферромагнитных материалов, управляющие и генераторные электрические обмотки, установленные на каждом магнитопроводе, согласно изобретению, управляющие электрические обмотки соединены через генератор импульсов, аккумулятор и контроллер заряда с солнечным модулем, а генераторная электрическая обмотка соединена через блок питания c аккумулятором, инвертором и нагрузкой.

В варианте солнечного электромагнитного генератора управляющие электрические обмотки выполнены в виде катушки Гельмгольца и установлены вокруг магнитопровода.

В другом варианте солнечного электромагнитного генератора управляющие электрические обмотки выполнены в виде экранирующей плоской спиральной катушки и установлены в зазоре по всей площади поперечного сечения магнитопровода.

Еще в одном варианте солнечного электромагнитного генератора генераторные электрические обмотки установлены вокруг магнитопровода и выполнены каждая из двух катушек, соединённых последовательно между собой и установленных рядом вокруг магнитопровода вдоль его оси, одна из катушек намотана по часовой стрелке, а вторая катушка намотана против часовой стрелки, выводы каждой катушки соединены через блок питания c аккумулятором, инвертором и нагрузкой.

В варианте солнечного электромагнитного генератора генераторные электрические обмотки выполнены в виде спиральной плоской катушки и установлены в зазоре по всей площади поперечного сечения магнитопровода.

В варианте солнечного электромагнитного генератора генераторные электрические обмотки выполнены каждая в виде двух плоских спиральных катушек, соединённых последовательно между собой и установленных рядом вдоль оси в зазоре по всей площади поперечного сечения магнитопровода, одна из спиральных плоских катушек намотана по часовой стрелке, вторая плоская спиральная катушка намотана против часовой стрелки, выводы каждой катушки соединены через блок питания c аккумулятором, инвертором и нагрузкой.

В варианте солнечного электромагнитного генератора управляющие и генераторные обмотки выполнены из неферромагнитного материала, например, из меди.

В другом варианте солнечного электромагнитного генератора управляющие и генераторные обмотки выполнены из ферромагнитного материала, например, из магнитомягкого железа.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена электрическая схема солнечного электромагнитного генератора, на фиг. 2 - солнечный электромагнитный генератор с генераторными электрическими обмотками в виде двух встречно намотанных катушек, на фиг. 3 - солнечный электромагнитный генератор с управляющими генераторными электрическими обмотками, выполненными в виде плоской спиральной катушки в зазоре магнитопровода, на фиг. 4 - солнечный электромагнитный генератор с генераторными электрическими обмотками, выполненными каждая в виде плоских спиральных катушек, включённых последовательно с обмотками, намотанными в противоположные стороны.

Солнечный электромагнитный генератор на фиг. 1 содержит солнечный модуль 1 из скоммутированных солнечных элементов 2, постоянный магнит 3, соединённый с замкнутыми магнитопроводами 4 из ферромагнитных материалов, управляющие 5, 6 и генераторные 7, 8 электрические обмотки, установленные на каждом магнитопроводе 4. Управляющие электрические обмотки 5 и 6 соединены через генератор импульсов 9, аккумулятор 10 и контроллер заряда 11 с солнечным модулем 1. Генераторные электрические обмотки 7, 8 соединены через блок питания 12 c аккумулятором 10, инвертором 13 и нагрузкой 14.

На фиг. 1 каждая управляющая электрическая обмотка 5 и 6 и каждая генераторная обмотка 7 и 8 выполнена в виде катушки Гельмгольца и установлена вокруг магнитопровода 4.

На фиг. 2 каждая генераторная электрическая обмотка установлена вокруг магнитопровода 4 и выполнена из двух катушек 15 и 16, соединённых последовательно между собой и установленных рядом вокруг магнитопровода 4 вдоль его оси 17, первая из катушек 15 намотана по часовой стрелке, а вторая катушка 16 намотана против часовой стрелки, выводы 18 и 19 первой катушки 15 и выводы 20 и 21 второй катушки 16 соединены через блок питания 12 c аккумулятором 10, инвертором 13 и нагрузкой 14.

На фиг. 3 каждая генераторная электрическая обмотка выполнена в виде спиральной плоской катушки 22 и установлена в зазоре 23 по всей площади поперечного сечения магнитопровода 4.

Каждая управляющая электрическая обмотка выполнена в виде экранирующей плоской спиральной катушки 24 и установлена в зазоре 25 по всей площади поперечного сечения магнитопровода 4.

На фиг. 4 каждая генераторная электрическая обмотка выполнена в виде двух плоских спиральных катушек 26 и 27, соединённых последовательно между собой и установленных рядом вдоль оси 17 в зазоре 28 по всей площади поперечного сечения магнитопровода 4, первая из спиральных плоских катушек 26 намотана по часовой стрелке, вторая плоская спиральная катушка 27 намотана против часовой стрелки, выводы каждой катушки соединены через блок питания 12 c аккумулятором 10, инвертором 13 и нагрузкой 14.

На фиг. 1-4 в каждой ветви магнитопровода 4 для повышения эффективности солнечного электромагнитного генератора использованы две управляющие электрические обмотки.

Управляющие и генераторные обмотки выполнены из неферромагнитного материала, например, из меди.

В варианте солнечного электромагнитного генератора управляющие и генераторные обмотки, установленные в зазоре 27 магнитопровода 4, выполнены в виде плоских спиральных катушек из ферромагнитного материала, например, из магнитомягкого железа.

Солнечный электромагнитный генератор работает следующим образом. Солнечный модуль 1 заряжает аккумулятор 10. Управление зарядом аккумулятора 10 осуществляют с помощью контроллера заряда 11. Аккумулятор 10 через генератор импульсов 9 подаёт импульсное напряжение с частотой 10-100 кГц на управляющие электрические обмотки 5 и 6. При подаче импульсного напряжения управляющая обмотка 6 создаёт в правой части магнитопровода 4 магнитный поток, направленный встречно магнитному потоку от постоянного магнита 3. Магнитный поток от постоянного магнита 3 в правой части магнитопровода 4 уменьшается, а в левой части магнитопровода 4, в которой установлена генераторная катушка 7, увеличивается. Одновременно при подаче импульсного напряжения на управляющую электрическую обмотку 5 возникает магнитный поток в левой части магнитопровода 4, в которой установлена управляющая электрическая обмотка 5, который совпадает по направлению с магнитным потоком от постоянного магнита 3 и усиливает его. Генераторная катушка 7 под действием изменяющенгося магнитного потока вырабатывает импульсное напряжение U₁ и ток i₁, которые через блок питания 12 выпрямляют и подают в аккумулятор 10, инвертор 13 и нагрузку 14.

U₁ = - w₁ ,

Ф = ,

где w₁ ‒ число витков генераторной катушки 7;

Ф – переменный магнитный поток через генераторную обмотку 7;

– вектор индукции магнитного поля через контур площади S₁ генераторной обмотки 7.

В следующий момент времени полярность импульсного напряжения на управляющих электрических обмотках 5 и 6 меняются. Магнитный поток от постоянного магнита 3 ослабляется в любой части магнитопровода 4 в месте расположения управляющей электрической обмотки 5 и генераторной электрической обмотки 7 и усиливается в правой части магнитопровода 4. Генераторная электрическая обмотка 6 под действием возрастающего магнитного потока вырабатывает импульсное напряжение U₂ и импульсный ток i₂, которые через блок питания выпрямляют и подают в аккумулятор 10, инвертор 13 и нагрузку 14.

U₂ = - w₂ ,

Ф = ,

где w₂ - число витков генераторной катушки 8;

Ф – переменный магнитный поток через генераторную обмотку 8;

– вектор индукции магнитного поля через контур площади S₂ генераторной обмотки 8.

Электрическую энергию от солнечного модуля 1 используют для переключения магнитного потока постоянного магнита 3 между частями магнитопровода 4, в которых установлены генераторные обмотки 7 и 8, что снижает расходы на собственные нужды электромагнитного генератора.

Выполнение управляющих электрических обмоток в виде спиральных плоских катушек 24, установленных в зазоре 25 по всей плоскости магнитопровода 4, увеличивает эффект экранирования и модуляции величины магнитного потока через генераторные обмотки 7 и 8, что приводит к увеличению напряжения и тока и увеличивает электрическую мощность генератора.

Установка управляющих и генераторных обмоток в виде спиральных плоских катушек 22, 24, 26, 27 из ферромагнитного материала в зазоре 23, 25 и 28 магнитопровода 4 снижает потери магнитного поля в магнитопроводе 4 за счёт уменьшения магнитного сопротивления и потерь на рассеивание магнитного поля, что приводит к увеличению мощности электромагнитного генератора.

Выполнение генераторных обмоток в виде двух последовательно соединённых катушек 15, 16 с противоположным направлением намотки витков снижает величину противоЭДС и влияние магнитного поля катушек на магнитный поток в магнитопроводе 4, что приводит к снижению потерь на ЭДС самоиндукции и увеличению электрической мощности электромагнитного генератора.

Примеры выполнения солнечного электромагнитного генератора.

Пример 1. Солнечный электромагнитный генератор содержит солнечный модуль 1 из 72 последовательно скоммутированных солнечных элементов из кремния 2. Напряжение солнечного модуля 24 В. Пиковая электрическая мощность 300 Вт. Солнечный модуль соединён с аккумулятором 10 через контроллер заряда 11. Электрическая ёмкость аккумулятора 3 кВт-ч. Контроллер заряда 11 обеспечивает автоматическое управление зарядом аккумулятора 10 при изменении солнечной радиации и нагрузки. Генератор импульсов 9 получает питание от аккумулятора 10 и формирует импульсы напряжения и тока на управляющих электрических обмотках 5 и 6. Частота импульсов составляет 10-100 кГц, напряжение в импульсе 100-150 В.

Управляющие электрические обмотки 5 и 6 выполнены в виде катушек Гельмгольца и установлены вокруг магнитопровода 4. Число витков в управляющих катушках 5 и 6 составляет 50-150, диаметр медного провода 0,5-0,8 мм.

Две генераторные электрические обмотки 7 и 8 установлены вокруг магнитопровода 4 и соединены через блок питания 12, содержащий понижающий трансформатор и выпрямитель, с аккумулятором 10 и через инвертор 13 с нагрузкой 14.

Каждая генераторная обмотка имеет 500-700 витков, напряжение 5000 В, ток 20 мА, электрическую мощность 100 Вт.

Каждая управляющая обмотка имеет напряжение 100-150 В, ток 0,15-0,2 А, электрическую мощность 15-30 Вт.

Постоянный магнит 3 выполнен из сплава Nd-Fe-B марки 52, имеет диаметр 40 мм, высоту 50 мм.

Магнитопровод 4 выполнен из феррита с поперечным сечением 90х90 мм высотой 100 мм.

Пример 2. В солнечном электромагнитном генераторе на фиг. 2 генераторная электрическая обмотка выполнена из двух катушек 15 и 16 по 500 витков каждая, соединённых последовательно. Катушка 15 намотана по часовой стрелке, катушка 16 намотана против часовой стрелки; выводы первой и второй катушки соединены через блок питания 12 с аккумулятором 10 и через инвертор 13 с нагрузкой 14. При встречном последовательном соединении двух катушек 15 и 16 индуктивные токи катушек создают магнитные поля, направленные встречно и компенсирующие друг друга, что приводит к снижению потерь в магнитной цепи солнечного электромагнитного генератора.

Пример 3. В солнечном электромагнитном генераторе на фиг. 3 каждая управляющая электрическая обмотка выполнена в виде экранирующей спиральной катушки 24 с диаметром медного провода 0,4-0,6 мм с числом витков 50-150. Экранирующая спиральная катушка установлена в зазоре 25 по всей площади поперечного сечения магнитопровода 4.

Каждая генераторная электрическая обмотка выполнена в виде плоской спиральной катушки 22 из медного провода диаметром 0,3 мм с числом витков 500 и установлена в зазоре 23 по всей площади поперечного сечения магнитопровода 4.

В варианте солнечного электромагнитного генератора управляющие и генераторные электрические обмотки выполнена в виде спиральных катушек из изолированных полос магнитомягкого железа толщиной 1 мм, шириной 3-5 мм, установленных в зазоре 25 и 23 по всей площади поперечного сечения магнитопровода 4.

Пример 4. В солнечном электромагнитном генераторе на фиг. 4 каждая генераторная электрическая обмотка выполнена в виде двух плоских спиральных катушек 26 и 27 из изолированных полос магнитомягкого железа толщиной 1 мм, шириной 2-10 мм, соединённых последовательно между собой и установленных рядом вдоль оси 17 в зазоре 28 по всей площади поперечного сечения магнитопровода 4. Первая из спиральных катушек 26 намотана по часовой стрелке, вторая спиральная катушка 27 намотана против часовой стрелки. Выводы каждой спиральной катушки соединены через блок питания с аккумулятором 10, а также с инвертором 13 и нагрузкой 14.

Солнечный электромагнитный генератор использует энергию модулированного с помощью управляющих электрических обмоток магнитного потока постоянного магнита для генерации электрической энергии в генераторных обмотках.

Солнечный электромагнитный генератор может быть использован в качестве автономного источника питания постоянного и переменного тока электрической мощностью 10-1000 Вт.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в снижении затрат энергии на собственные нужды электромагнитного генератора и полном использовании энергии постоянного магнита. Солнечный электромагнитный генератор содержит солнечный модуль из скоммутированных солнечных элементов, постоянные магниты, соединённые с замкнутыми магнитопроводами из ферромагнитных материалов, управляющие и генераторные электрические обмотки, установленные на каждом магнитопроводе. При этом управляющие электрические обмотки соединены через генератор импульсов, аккумулятор и контроллер заряда с солнечным модулем, а генераторная электрическая обмотка соединена через блок питания c аккумулятором, инвертором и нагрузкой. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Солнечный электромагнитный генератор, содержащий солнечный модуль из скоммутированных солнечных элементов, постоянные магниты, соединённые с замкнутыми магнитопроводами из ферромагнитных материалов, управляющие и генераторные электрические обмотки, установленные на каждом магнитопроводе, отличающийся тем, что управляющие электрические обмотки соединены через генератор импульсов, аккумулятор и контроллер заряда с солнечным модулем, а генераторные электрические обмотки соединены через блок питания c аккумулятором, инвертором и нагрузкой.

2. Солнечный электромагнитный генератор по п. 1, отличающийся тем, что управляющие электрические обмотки выполнены в виде катушки Гельмгольца и установлены вокруг магнитопровода.

3. Солнечный электромагнитный генератор по п. 1, отличающийся тем, что управляющие электрические обмотки выполнены в виде экранирующей плоской спиральной катушки и установлены в зазоре по всей площади поперечного сечения магнитопровода.

4. Солнечный электромагнитный генератор по п. 1, отличающийся тем, что генераторные электрические обмотки установлены вокруг магнитопровода и выполнены из двух катушек, соединённых последовательно между собой и установленных рядом вокруг магнитопровода вдоль его оси, одна из катушек намотана по часовой стрелке, а вторая катушка намотана против часовой стрелки, выводы каждой катушки соединены через блок питания c аккумулятором, инвертором и нагрузкой.

5. Солнечный электромагнитный генератор по п. 1, отличающийся тем, что генераторные электрические обмотки выполнены в виде спиральной плоской катушки и установлены в зазоре по всей площади поперечного сечения магнитопровода.

6. Солнечный электромагнитный генератор по п. 1, отличающийся тем, что генераторные электрические обмотки выполнены в виде двух плоских спиральных катушек, соединённых последовательно между собой и установленных рядом вдоль оси в зазоре по всей площади поперечного сечения магнитопровода, одна из спиральных плоских катушек намотана по часовой стрелке, вторая плоская спиральная катушка намотана против часовой стрелки, выводы каждой катушки соединены через блок питания c аккумулятором, инвертором и нагрузкой.

7. Солнечный электромагнитный генератор по п. 1, отличающийся тем, что управляющая и генераторная обмотки выполнены из неферромагнитного материала, например, из меди.

8. Солнечный электромагнитный генератор по пп. 1, 3, 5, 6, отличающийся тем, что управляющая и генераторная обмотки выполнены из ферромагнитного материала, например, из магнитомягкого железа.