Двигатель-генератор переменного тока на основе использования потенциальных магнитных силовых полей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ СИЛОВЫХ ПОЛЕЙ

О.Ф. Меньших

Изобретение относится к области магнитной энергетики и системам автоматического регулирования генерируемого переменного непряжения при изменяющейся внешней нагрузке в широких пределах.

Известны различные схемы генерирования переменного напряжения типа двигатель-генератор, например, дизель-генератор, гидротурбина-генератор, ветряной двигатель-генератор и другие типы двигателей, вращающих ротор генератора переменного тока. В зависимости от величины внешней нагрузки, подключаемой к генератору, изменяется его выходное переменное напряжение из-за возникающей в его обмотке противоэ.д.с. в функции тока нагрузки. Это вызывает необходимость использования систем авторегулирования выходного напряжения генератора. Одним из возможных вариантов такого управления является автоматическое регулирование скоростью вращения двигателя. Однако при этом одновременно пропорционально изменению скорости вращения ротора генератора при использовании в статоре генератора постоянных магнитов изменяется частота гармонических колебаний в выходном напряжении, что в ряде случаев недопустимо, когда внешние нагрузки включают трансформаторы. В этом случае целесообразно вместо постоянных магнитов, применять электромагниты с регулируемым током их подмагничивания от источника постоянного тока через соответствующий регулятор.

Известных аналогов заявляемого устройства автором не обнаружено.

Целью изобретения является существенное повышение коэффициента полезного действия в замкнутой электро-механической системе.

Исполнение указанной цели достигается в заявляемом двигателе-генераторе переменного тока на основе использования потенциальных магнитных силовых полей, включающем двигатель постоянного тока, вращающий ротор генератора в виде магнито-проводящего (стального) диска с чётным числом 2n эквидистантно размещённых на нём в плоскости диска электромагнитов с чередующимися для смжных пар магнитными полюсами, например, прямоугольного сечения, внешние магнитные полюсы которых имеют ширину, равную ширине промежутков между концами смежных магнитов, а обмотки этих электромагнитов в смежных парах включены последовательно по правилу «конец первой обмотки соединён с концом второй, начало второй соединено с началом третьей и т.д.», начало первой обмотки и начало 2n-ой обмотки соединены с кольцевыми контактами на оси вращения двигателя постоянного тока и через контактные щётки подлючены к силовому трансформатору и к системе автоматического регулирования тока подмагничивания 2n вращающихся с диском электромагнитов; неподвижный статор генератора выполнен в виде кольцевого магнитопровода (из стали) с радиально расположенными и эквидистантно распределёнными по внутренней окружности этого кольца 2n электромагнитами в плоскости вращающегося диска ротора генератора напротив электро-магнитов диска, ширина и промежутки между концами этих электромагнитов аналогичны расположению электромагнитов ротора генератора, обмотки которых включены между собой последовательно по правилу соединения обмоток в роторе генератора, а выходные проводники от 2n обмоток статора генератора соединены с первичной обмоткой силового трансформатора; одна выходная обмотка силового трансформатора через выпрямительный мост Греца заряжает аккумуляторную батарею, питающую двигатель постоянного тока и элементы системы автоматического регулирования, а другая составляет сетевой источник переменного тока для подключения внешних нагрузок, например, с напряжением 220 вольт, величина которого автоматически поддерживается неизменной системой автоматического регулирования тока подмагничивания обмоток электромагнитов ротора генератора.

Система автоматического регулирования током подмагничивания 2n обмоток электромагнитов ротора генератора состоит из последовательно соединённых датчика напряжения, поключённого к сетевой обмотке силового трансформатора, схемы сравнения, к второму входу которой подключён подстраиваемый источник опорного напряжения, интегратор и усилитель постоянного тока, питаемый от аккумуляторной батареи, а выход его соединён через скользящие контакты на оси вращения ротора генератора к 2n обмоткам электромагнитов вращающегося диска -ротора генератора.

Достижение заявленной цели изобретения объясняется свойствами потенциальных полей, в данном случае магнитных полей, не передавать энергию телам, движущимися по замкнутой траектории от источников магнитного поля и не потреблять энергию от источ-ника - двигателя постоянного тока, - создающего движение тел по замкнутой траектории, кроме неконсервативной энергии, расходуемой на преодоление момента трения в подшип-никах и паре скользящих контактов вращающейся динамически сбалансированной массы вращающегося диска с 2n электромагнитами и ротора двигателя постоянного тока с осью его вращения. Заявка зарегистрирована в ФИПС за № 2020134529 (063365) от 20.10.2020.

На рис.1 представлен разрез устройства при виде сверху, на рис. 2 - то же, но вид сбоку с внешними электрическими схемами. Устройство содержит следующие элементы: 1 - двигатель постоянного тока, 2 - ось вращения двигателя 1, 3 - вращающийся стальной диск ротора генератора переменного тока, 4 - эквидистантно размещённые в плоскости диска 3 электромагниты с чётным их числом 2n с обмотками подмагничивания, включёнными последовательно через скользящие контакты к системе автоматического регулирования током подмагничивания, 5 - магнитопроводящее стальное кольцо статора генератора, соосное оси вращения ротора, генератора, 6 - эквидистантно размещённые в плоскости диска ротора генератора 2n электромагнитов статора генератора с последовательно включёнными обмотками. 7 - скользящие контакты со щётками токосъёма.

Между электромагнитами ротора и статора образован минимально допустимый магнитный зазор, когда магниты ротора и статора совмещаются их внешними полюсами. Расстояния между концами всех 4n электромагнитов ротора и статора выбирается равным ширине этих электромагнитов. Катущки электромагнитов ротора и статора генератора в смежных парах соединяются между собой по правилу: «конец первой обмотки соединён с концом второй, начало второй соединено с началом третьей и т.д.». Это образует чередование магнитных полюсов в смежных парах электромагнитов ротора генератора N-S-N-S-…-N-S и соответственно генерацию переменного тока в 2n обмотках электромагнитов статора генератора. 8- силовой трансформатор, 9 - выпрямительный мост Греца, 10 - аккумуляторная батарея, 11 - датчик сетевого напряжения (ДСН), 12 - схема сравнения (Сх. ср.), вырабатывающая сигнал ошибки регулирования, 13 - подстраиваемый источник опорного напряжения (ИОН), 14 - интегратор (Инт-р) системы регулирования астатического типа (с нулевой остаточной ошибкой регулирования), 15 - усилитель постоянного тока (УПТ), 16 - выключатель двигателя постоянного тока 1, 17 - выключатель тока подмагничивания электромагнитов 4 ротора генератора, 18 - цилиндрический корпус устройства, 19 - шарикоподшипник оси вращения 2. Рассмотрим работу заявляемого двигателя-генератора на одном из примеров. Чётное количество 2n электромагнитов 4 вращающегося стального диска 3 ротора генератора с чередующимися магнитными полюсами смежных электромагнитов движется по кругу, то есть по замкнутой траектории. Вид сверху на вращающийся диск 3 с осью вращения 2 показан на рис.1. В данном случае применено 8 постоянных электромагнитов прямоугольного поперечного сечения и с расстояниями между концами полюсов смежных электромагнитов, равными их ширине h. Если диск 3 вращается с угловой скоростью щ, то система генерирует переменный ток с частотой f = n щ / 2р, где 2n - чётное число применяемых электромагнитов в генераторе. Так, если вращать диск 3 с частотой 1500 об/мин = = 25 об/сек от двигателя постоянного тока 1 (рис.2), то генерируемый переменный ток будет с частотой 100 Гц. При этом длина окружности, проходящей через центры наружних полюсов электромагнитов имеет длину 16 h, а диаметр D_Д самого вращающегося диска 3 при длине электромагнитов l находится согласно выражению D_Д = (16 h / р) - 2 l = 16(h + b) / р, где b - длина зазора между внутренними концами смежных электромагнитов, закреплённых на кромке диска 3 в его плоскости. Например, при h = 4 см и b = 2,08 см диаметр вращающегося диска равен D_Д = 31 см при длине электромагнитов l = 5,3 см = 0,053 м, а общий диаметр ротора генератора состапвляет 41,6 см. При высоте сечения магнитопровода электромагнитов р = 8 см сечение их полюсов составляет s = р h = 32 см² = 0,0032 м². Полюсы этих электромагнитов несколько скруглены по диаметрам 31 (дуга во внутрь магнитопровода) и 41,6 см. соответственно для внутренних и внешних полюсов этих электромагнитов. Обмотки этих электромагнитов соединены последовательно по правилу «конец первой обмотки соединён с концом второй, начало второй с началом третьей и т.д», так что при этом магнитные полюсы смежных по кругу электромагнитов имеют чередующующся магнитную полярность, например, N-S-N-S-…-N-S. Обмотки электромагнитов выполнены изолированным проводником ПЭВ-2 диаметром по меди в 1 мм в два слоя с числом витков w = 100.

Аналогичную структуру имеет статор генератора с расположением таких же, как в роторе, 2n электромагнитов 6 лежащих в плоскости диска 3 ротора генератора внутри магнитопроводящего (стального) кольца высотой р = 8 см и шириной 2 см. Длина этих электромагнитов также равна l = 5,3 см = 0,053 м. При этом наружный диаметр стального кольца 5 составляет 56,4 см при магнитных зазорах совмещённых магнитных полюсов ротора и статора генератора, равных 1 мм. Магнитные полюсы электромагнитов статора также скруглены по диаметрам 41,8 (дуга во внутрь магнитопровода) и 52,4 см. Цилиндрический корпус 19 имеет наружный диаметр около 57 см.

С последовательно соединённых по вышеуказанному правилу обмоток статора снимается переменное напряжение, передаваемое на силовой трансформатор 8 через скользящие контакты со щётками 7. Сечение магнитопроводов электромагнитов 6 статора генератора также равно s = р h = 32 см². При полном совмещении 2n электромагнитов 4 ротора с 2n электромагнитами 6 статора в последних магнитный поток Ф максимален, при полном рассовмещении, когда электромагнит статора располагается в промежутке между электоромагнитами ротора, магнитный поток в электромагнитах статора отсутствует. Поэтому легко понять, что при вращении ротора к обмотках электромагнитов статора индуцируется переменная э.д.с. на частоте f = n щ / 2р, где щ - круговая скорость вращения ротора генератора (двигателя постоянного тока 1).

По закону об электромагнитной индукции М.Фарадея возбуждаемая в 2n = 8 последовательно соединённых обмотках электромагнитов статора генератора э.д.с. Е определяется по формуле Е = - N (dФ / dt), где N - полное число витков в 2n обмотках электромагнитов статора генератора, то есть имеем в данном примере N = 2n w = 800 витков. При плотности тока в меди в 10 А/мм² максимально допустимый ток Imax в проводнике диаметром d = 1 мм составляет Imax = 7,85 A. При протекании в обиотках электромагнитов 4 ротора генератора постоянного тока Imax в магнитопроводах возникает магнитная индукция В_max, вычисляемая по выражению В_max = (w Imax / l) м м_O, где м - магнитная проницаемость стального сердечника электромагнитов, м_O = 1,257_*10 - ⁶ Гн/м магнитная постоянная вакуума. Поскольку магнитная проницаемость стали Ст-45 при напряжённости создаваемого магнитного поля Н = w Imax / l = 785 / 0,053 = 14811 А/м составляет величину м = = 125, то находим значение наибольшей возможной магнитной индукции В_max = 1,257_{* *}10- ⁶ _*125 _*14811 = 2,327 Тл (в системе единиц СИ). Тогда находим максимальное значение магнитного потока Ф_max = В_max s = 2,327_*0,0032 = 0,007446 Вб. Далее находим максимальное значение э.д.с. в 2n = 8 обмотках электромагнитов статора генератора Е_MAX по вышеуказанной формуле для амплитудного значения Е_MAX = N (dФ_max /dt) ? 4 f N Ф_max= = 400_*800_*0,007446 = 2383 вольта при полном отсутствии нагрузки на эту обмотку, то есть при токе нагрузки I_Н = 0.

При не нулевом токе нагрузки I_Н > 0 в каждой из обмоток электромагнитов 6 статора генератора возникает противо-э.д.с. E, определяемая формулой E = - L (di/dt) ? ? - 4f L I_Н, и это понижает значение Е_MAX на величину E(I_Н). индуктивность L обмотки электромагнита определяется формулой Нагока для круглой катцшки диаметром D_КАТ в виде L = 10 D_КАТ м w² / [(l / D_КАТ) + 0,44] (здесь все размеры в сантиметрах, включая и индуктивность, где 1 Гн = 10⁹ см). Поскольку магнитопровод электромагнитов прямоугольного сечения с s = 32 см², то этому сечению соответствует диаметр D_КАТ = (4s/р)^1/2= = 6,385 см. Тогда при максимально допустимом токе нагрузки I_Нmax =7,85 A и магнитной проницаемости сердечника м = 125 находим индуктивность L = 10_*6,385_*125_*10⁴/ [(5,3 / /6,385) + 0,44] = 7981,25_*10 ⁴ / 1,27 = 62,844_*10⁶ см индуктивности или 0.062844 Гн. При этом полная индуктивность 2n обмоток статора равна L = 8 _* 0,062844= 0,503 Гн. При максимальном токе нагрузки I_Нmax =7,85 A находим величину противо-э.д.с. Е_max = - 400_{* *}0,503_*7,85 = - 1579,4 вольта. Следовательно, результирующее значение рабочей э.д.с. при максимальном токе нагрузки составляет ?Е = Е_MAX - Е_max = 2383 - 1579,4 = 803,6 В (амплитудное значение). Действующее значение возникающего напряжения U = ?Е/1,41= = 570 В Полная генерируемая при этом мощность переменного тока составляет Р_МАX = U I_Нmax = 570_*7,85 = 4475 Вт.

Строго говоря, максимальная возможная мощность генерируемых колебаний выделяется при условии, что U = E / 2 = 2383 / 2 = 1191,5 В. Это означает, что величина противо-э.д.с. должна быть равной также величине 1191,5 В, а, следовательно, это будет при меньшем токе нагрузки, но при большем значении ?Е, соответствующем максимуму генерируемой мощности генератором. Так, если положить при меньшем токе нагрузки значение м = 150, при котором L = 0,503_*150 / 125 = 0,6036 Гн, то можно вычислить значение оптимального тока нагрузки I_Н opt = U / 0,6036_*400 =1191,5 / 241,4 = 4.936 А. Тогда максимальная мощность при оптимальном токе нагрузки составит Р _{MAX opt} = = 1191,5_*4,936 = 5879 Вт. Учитывая мощносмть, расходуемую на работу двигателя посто-янного тока 1 и работу на подмагничивание электромагнитов ротора генератора, можно расходовать мощность переменного тока в сети 220 В более 5 кВт непрерывно.

Определяем полное сопротивление 2n обмоток статора. Длина одного витка равна 25 см, а всех обмоток 25 х 800 = 20000 см = 200 м. При удельном сопротивлении медного проводника, равном 0,017 Ом.мм²/м находим полное сопротивление всех обмоток статора генератора, равное r = 2,67 Ом. При максимальном токе 7,85 А падение напряжения внутри обмоток составляет ?U = 2,67_*7,85 = 21 В. Следовательно, сопротивление нагрузки составляет R_Н = (1191 - 21) / 7,85 = 149 Ом. При этом к.п.д. генератора составляет вели-чину з = (1191 - 21) / 1191 = 0,98, то есть 98 %. При оптимальном токе нагрузки 4,936 А для к.п.д. получаем з_opt = (1191, 5 - 4,936_*2,67) / 1191,5 =1178,3 / 1191,5 = 0, 989 = 98,9 %/ Для реализации такого режима генерации на обмотки электромагнитов ротора, генератора, имеющие сопротивление 2,67 Ом при токе в 7,85 А, необходимо подавать постоянное напряжение с наибольшей его величиной в 7,85 х 2,67 = 20,96 В от аккуму-ляторной батареи, например, кислотной на 24 В через усилитель постоянного тока 15 системы автоматического регулирования с охлаждаемым силовым транзистором на выходе этого усилителя, гасящим избыточно потребляемую мощность, равную (24 - 21)_{* *}7,85 = 23,6 Вт. Полное потребление мощности при этом от аккумуляторной батареи составит 24 х 7,85 = 188,4 Вт. Если использовать оптимальный режим, то напряжение питания электромагнитов ротора генератора снижается до величины 4,936_*2,67 = 13,18 В, и можно обойтись кислотным аккумулятором на напряжение 18 В (три батареи по 6 В). Тогда расход энергии на подмагничивание при максимальной выходной мощности 5879 Вт станет равным 18_*4,936 = 88,85 Вт, а потери на выходном силовом транзисторе усилии-теля постоянного тока 17 незначительно возрастут до (18 - 13,18)_*4,936 = 23,8 Вт.

Вся вращающаяся масса (ротора генератора и двигателя 1 с осью вращения) может иметь массу 10 кг. При коэффициенте трения в трёх подшипниках около 0.05 при радиусе вращающейся части подшипников в 2 см. момент трения оказывается равным 0,098 н.м и при скорости вращения оси вращения щ = 2р f = 157 рад/сек и при к.п.д. двигателя 1 около 90 % потребляемая им мощность составляет всего Р_ДВ =0,098_*157 / 0,9 = 17,1 Вт. Выбираем двигатель постоянного тока на мощность 50 Вт (с запасом для повышения пускового момента). Тогда в оптимальном режиме можно во внешней сети 220 В потреблять мощность более 5 кВт непрерывно во времени, аккумулируя избытки генерируемой энергии в аккумуляторных батареях и других системах аккумуляции электроэнергии. Приблизительные габариты устройства - цилиндр диаметром 0,6 м и высотой 0,2 м, то есть объёмная мощность устройства составляет 5,879 кВт / 0,0565 м³ = 104 кВт/м³.

Обеспечение возможности получения энергии с использованием потенциальных (консервативных) силовых полей, в данном устройстве магнитного силового поля, основано на свойстве таких полей не затрачивать энергию от источника этих полей, имея в виду магнитные поля, создаваемые постоянными магнитами, а также не затрачивать энергию от источника, приводящего в произвольное движение некоторой массы ПО ЗАМКНУТОЙ ТРАЕКТОРИИ. Вращательное движение ротора - есть вращение некото-рой массы по замкнутой траектории, однако замена постоянных магнитов на электро-магниты приводит к потреблению некоторой небольшой порции электроэнергии на подмагничивание 2n электромагнитов ротора генератора. С другой стороны, и это особенно важно, вращение полностью динамически сбалансированной массы, какой является вращающийся диск 3 с 2n электромагнитами 4, связано с затратой электроэнергии двигателем постоянного тока 1 ТОЛЬКО на преодоление момента трения в подшипниках и паре скользящих контактов 8 (рис.2), и эта энергия на вращение также относительно невелика, как это видно из приведённого выше расчёта. Для двигателя постоянного тока совершенно безразлично силовое взаимодействие электромагнитов ротора с электромагнитами статора без присоединённой в сети внешней нагрузки или при полной нагрузке с потреблением мощности, значительно превышающей мощность на вращение оси 2 двигателя с ротором генератора, подмагничивания его электромагнитов той или иной величиной тока, зарядки аккумуляторной батареи 10 и работы системы автоматического регулирования на элементах 11 - 15. Когда электромагнит ротора входит во взаимодействие с соответствующим электромагнитом статора, притягиваясь к нему, запасается энергия на вращение, а когда этот электромагнит ротора выходит из электромагнита статора, преодолевая их взаимное притяжение, то ранее запасённая энергия тратится на такое преодоление притяжения, и эти энергии запаса и растраты являются одинаковыми, что и объясняет независимость работы устройства от величины присоединённой к сети внешней нагрузки.или её отсутствия. Это и есть свойство потенциальных силовых полей не расходовать дополнительную энергию при движении массы по замкну-той траектории, каковой является круговое движение электромагнитов 4 ротора относительно электромагнитов 6 статора. двигатель генератор напряжение статор

Указанное расположение электромагнитов в плоскости вращающегося диска ротора генератора полностью исключает дополнительное давление на подшипники от действия магнитных сил, которые уравновешивают друг друга. Построение такого устройства с использованием постоянных магнитов, например, неодимовых с большой величиной магнитной индукции (порядка В = 1,4 Тл) нежелательно, так как при остановке вращающегося диска постоянные его магниты так разворачивают диск, что постоянные магниты ротора останавливаются строго против электромагнитов статора, и практически весьма сложно осуществить пуск двигателя постоянного тока даже при повышенной его мощности за счёт весьма больших сил притяжения постоянных магнитов к магнитопроводам электромагнитов статора. Поэтому целесообразно применять в роторе именно электромагниты. При этом пуск двигателя постоянного тока осуществляется при отключении электромагнитов ротора выключателем 17 от усилителя постоянного тока 15 при включённом выключателе 16 питания двигателя постоянного тока 1. Только после разгона вращающегося диска 3 ротора генератора включается питание его электромагнитов 4, и тогда диск не тормозится, вращаясь по инерции и используя указанные свойства потенциальных силовых магнитных полей.

Заявляемое устройство может найти самое широкое практическое применение.

Размещено на Allbest.ru