Трехфазный магнито-механический генератор переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Трёхфазный магнито-механический генератор переменного тока

О.Ф. Меньших

Изобретение относится к физике магнетизма и может быть использовано для получения электроэнергии использованием силовых полей - ускоряющего и магнитного в незамкнутой (не изолированной) электро-механической системе. Известным аналогом заявляемого технического решения является устройство по патенту автора № 2699021, опубликованному в бюлл. изобретений № 25 от 03.09.2019 [1], а также предложение автора по завке № 2019135786/06 (070629) от 06.11.2019 на «Магиито--механический генератор переменного тока» [2].

Известный аналог - самоподдерживающаяся магнито-гравитационная система «мотор-генератор» с автостабилизацией режима резонанса колебательного движения магнитов, содержащая n пар диэлектрических трубок, в каждой из которых размещены свободно колеблющиеся с одинаковой собственной частотой одинаковые постоянные магниты цилиндрической формы, магнитные полюсы которых через две одинаковые пружины связаны с концами диэлектрических трубок с регулировочными винтами для подстройки натяжения пружин; все n пар диэлектрических трубок закреплены центрально-симметрично на горизонтально ориентированной оси вращения двигателя постоянного тока и вращаются в вертикальных плоскостях с их рассредоточением между собой в каждой паре диэлектрических трубок на угол 90^О и со сдвигом их вдоль оси вращения; снаружи диэлектрических трубок закреплены центрально-симметрично к оси вращения катушки индуктивности из двух полукатушек, расположенных с двух сторон от магнитов и соединённых между собой по правилу «конец одной соединён с концом другой» с длиной каркасов каждой из полукатушек, соизмеримой со средней величиной амплитуды колебаний магнитов при среднем значении тока в их обмотках при присоединённой внешней нагрузке; собственные частоты колебаний 2n магнитов выбраны равными частоте вращения оси двигателя постоянного тока, частота вращения которой автоматически поддерживается системой авторегулирования, включающей последовательно соединённые с выходом одной из катушек индуктивности схему сравнения частот, ко второму входу которой подключён подстраиваемый по частоте генератор опорного напряжения на часто-те резонанса колебательного движения магнитов (то есть на частоте вращения оси двигателя постоянного тока)

Интегратор и усилитель постоянного тока, выход которого соеди-нён с двигателем постоянного тока, источником которого является аккумуляторная батарея, заряжаемая от переменного напряжения каждой из n пар катушек индуктивностей через двухполупериодные мостовые схемы Греца; при этом концевые выводы катушек индуктивностей соединены с изолированными от оси вращения кольцевыми электродами со скользящими по ним контактами (щётками), образующими выходы электрогенератора переменного тока. С целью снижения потерь энергии, питающей двигатель постоянного тока из-за трения вращающихся диэлектрических трубок о воздух автором предложено заклюючить эти трубки в тонкостенный полый цилиндр с боковыми крышками, скреплёнными с осью вращения, так что воздух внутри цилиндра вращается в установившемся режиме вместе с трубками [3].

Недостатком известного устройства является относительно небольшая мощность генерируемых электрических колебаний переменного тока при использовании в качестве внешней силы, приводящей магниты в колебательное движение при вращении n пар диэ-лектрических трубок, гравитационного поля Земли, что связано с относительно малой скоростью вращения оси двигателя постоянного тока из-за влияния центробежной силы, действующей на магниты при их колебании и вращении, которая может оказаться при повышении этой скорости большей силы гравитации, что вынуждает снижать угловую скорость вращения оси двигателя постоянного тока и, следовательно, снижать мощность генерируемых электрических колебаний. Другим недостатком известного устройства является наличие в нём составной оси вращения по числу 2n диэлектрических трубок с устройствами их крепления к составной оси вращения, что усложняет всю конструкцию.

Указанные недостатки устройства-прототипа устранены в заявляемом техническом решении задачи генерирования трёхфазного переменного тока. Целями изобретения являются существенное увеличение мощности генерируемого трёхфазного переменного электрического тока повышенной частоты, например, частоты стандартной сети 50 Гц, и упрощение конструкции.

Указанные цели достигаются в заявляемом трёхфазном магнито-механическом генераторе переменного тока, содержащем вращающиеся диэлектрические трубки, в каждой из которых размещены свободно колеблющиеся с одинаковой собственной частотой одинаковые постоянные магниты цилиндрической формы, магнитные полюсы которых через две одинаковые пружины связаны с концами диэлектрических трубок с регулировочными винтами для подстройки натяжения пружин; все эти диэлектрические трубки закреплены центрально-симметрично на горизонтально ориентированной оси вра-щения двигателя постоянного тока с их рассредоточением между собой со сдвигом их вдоль оси вращения; снаружи диэлектрических трубок закреплены центрально-симмет-рично к оси вращения катушки индуктивности из двух полукатушек, расположенных с двух сторон от магнитов и соединённых между собой по правилу «конец одной соединён с концом другой» с длиной каркасов каждой из полукатушек, соизмеримой со средней величиной амплитуды колебаний магнитов при среднем значении тока в их обмотках при присоединённой внешней нагрузке; собственные частоты колебаний всех магнитов выбраны равными частоте вращения оси двигателя постоянного тока, частота вращения которой автоматически поддерживается системой авторегулирования, включающей последовательно соединённые с выходом одной из катушек индуктивности схему сравне-ния частот, ко второму входу которой подключён подстраиваемый по частоте генератор опорного напряжения на частоте резонанса колебательного движения магнитов (то есть на частоте вращения оси двигателя постоянного тока), интегратор и усилитель постоянного тока, выход которого соединён с двигателем постоянного тока, источником которого является аккумуляторная батарея, заряжаемая от переменного напряжения в катушках индуктивности через двухполупериодные выпрямители; при этом концевые выводы катушек индуктивностей соединены с изолированными от оси вращения кольцевыми электродами со скользящими по ним контактами (щётками), образующими выходы электрогенератора переменного тока, о т л и ч а ю щ е м с я тем, что в нём используется центрифуга с двигателем её вращения от аккумуляторной батареи и крышкой, внутри которой располагаются симметрично размещённые на стенках центрифуги в форме полого диска система «мотор-генератор» генерирования трёхфазного переменного тока и противовес; при этом система «мотор-генератор» состоит из рабочего двигателя постоян-ного тока с осью вращения и цилиндрическим полым корпусом с боковыми крышками, закреплёнными на оси вращения, внутри этого корпуса размещены диаметрально закреп-лённые на его стенках три диэлектрических трубки с их элементами, размещённых друг относительно друга под углами 120О, обмотки катушек индуктивности которых соедине-ны по схеме трёхфазной звезды с выводами, связанными со скользящими контактами на оси вращения, с которых трёхфазное напряжение передаётся на скользящие контакты оси вращения центрифуги; при этом аккумуляторная батарея подзаряжается от трёхфазного напряжения через выпрямитель по схеме Ларионова.

Достижение целей изобретения объясняется заменой относительно слабых потен- циальных сил гравитации на весьма существенно большие (на два-три порядка) потенциальные силы, определяемые центробежными силами вращающейся центрифуги, что позволяет существенно повысить частоту вращения оси рабочего двигателя постоянного тока в системе «мотор-генератор». Установка диэлектрических трубок внутри полого цилиндра, связанного с осью вращения, существенно упрощает конструкцию устройства исключением составной оси между диэлектрическими трубками, как в прототипе. Соединение выходных обмоток катушек индуктивности по схеме трёхфазной звезды приводит к использованию всего трёх скользящих контактов, что снижает момент трения, преодолеваемый рабочим двигателем системы «мотор-генератор» и приводным двигате-лем центрифуги. При необходимости согласования вырабатываемого трёхфазного напря-жения с подзаряжаемой аккумуляторной батареей через выпрямитель по схеме Ларио-нова и выходной сетью на стандартное напряжение, например, 3 х 220 В 50 Гц возможно использование соответствующего трёхфазного трансформатора (на рисунках не показан). Работа заявляемого устройства поясняется следующими рисунками.

На рис.1 дана общая компоновка элементов устройства (вид сверху), включающая: 1 - центрифугу (со снятой её верхней крышкой) в форме полого цилиндрического диска, 2 - систему «мотор-генератор», 3 - противовес, балансирующий вращение центрифуги без вибраций, 4 - полый цилиндрический корпус с боковыми крышками системы «мотор-генератор», 5 - рабочий двигатель постоянного тока, 6 - ось вращения двигателя 5, связанная с двумя боковыми крышками корпуса 4, 7 - тройка скользящих контактов, связанная с катушками индуктивности трёх диэлектри-ческих трубок, включённых по схеме трёхфазной звезды, 8 - концевой подшипник части оси, закреплённой с концевой крышкой корпуса 4. О На рис. 2 представлена общая компоновка центрифуги 1 с её приводным двигате-лем постоянного тока 9 и осью вращения центрифуги 10 с размещённой на ней тройкой скользящих контактов11, подключённых к тройке скользящих контактов 7 и образующих выход трёхфазной сети переменного тока к внешней нагрузке и через схему Ларионова 12 к аккумуляторной батареи 13 (рис.6). Последний питает рабочий двигатель 5 системы «мотор-генератор» через усилитель постоянного тока 29 системы автоматического регулирования 14 скорости вращения оси 6 двигателя 5 (рис.5) и приводной двигатель 9. На рис.3 показан в разрезе полого цилиндрического корпуса 4 (вид сбоку) на расположенные относительно воображаемой оси вращения 6 трёх закреплённых диаметрально к стенкам цилиндра диэлектрических трубок 15, 16 и 17 (для простоты без их катушек индуктивности), расположенных друг к другу под углами 120^О. На рис.4 показано устройство одной из трёх диэлектрических трубок 15 с её элементами, включающей: 18 - тело трубки из диэлектрического износостойкого материала, 19 - центрально расположенный в трубке прямой цилиндрический постоянный магнит, 20 и 21 - две одинаковые пружины, концы которых закреплены на торцах магнита 19 и с регулировочными винтами, 22 и 23 - регулировочные винты пружин 20 и 21 соответственно для подстройки резонан-сной частоты колебаний магнита 19, равной частоте вращения оси 6 от двигателя 5, 24 и 25 - две одинаковых полукатушки индуктивности, размещённые снаружи диэлектри-ческой трубки 15, электрически соединённые между собой по правилу «конец первой полукатушки соединён с концом второй»; вторые концы трёх катушек индуктивности трубок 15 - 17 соединены по схеме трёхфазной звезды.

На рис.5 представлена блок-схема системы автоматического регулирования скорости вращения оси 6 рабочего двигателя 5 системы «мотор-генератор» 2, включающая: 26 - подстраиваемый по частоте опорный генератор на резонансную частоту колебаний магнитов, равную также частоте вращения оси 6 рабочего двигателя 5, 27 - схему сравнения частот опорного генератора 26 и сигнала, снимаемого с одного из скользящих контактов 11 на оси вращения центрифуги, на выходе которого образуется сигнал ошибки регулирования в форме двуполярного напряжения, величина и знак которого определяются соотношением сравниваемых частот колебаний, 28 - интегратор на схеме операционного усилителя, определяющий систему авторегули-рования как астатическую систему - с нулевой остаточной ошибкой, 29 - усилитель постоянного тока, питаемый от аккумуляторной батареи 13 и питающий рабочий двигатель 5 системы «мотор-генератор» 2 (рис.1). На рис. 6 дана схема соединения выпрямителя 12 по схеме Ларионова с аккумуля-торной батареей 13. Входы схемы Ларионова подключают к скользящим контактам 11 (рис.2), а выводы батареи аккумуляторов используют для питания двигателей 5 и 9. Рассмотрим действие заявляемого устройства. При вращении цилиндрического корпуса 4 с укреплёнными в нём диэлектрическими трубками 15 - 17 происходит колебательное движение магнитов 19 относительно полукатушек индуктивности 24 и 25, в которых индуцируемые э.д.с. последовательно складываются и в форме трёхфазного напряжения передаются через тройку скользящих контактов 7 на выходные скользящие контакты 11.

Трёхфазное напряжение возникает благодаря размещению диэлектрических трубок с их элементами в цилиндрическом корпусе 4, вращаемом от рабочего двигателя 5, за счёт их взаимного расположения под углами 120^О. При этом колебания магнитов в трубках по синусоидальному закону точно соответствует частоте вращения оси 6 рабочего двигателя 5. Для увеличения амплитуды колебаний магнитов, то есть для увеличения мощности генерируемого электрического тока, следует обеспечивать резонанс этих колебаний, при котором собственная частота колебаний f_О магнитов, равная f_О = (1 / 2р)_{* *}(k /m)^1/2, где k - общая жёсткость одинаковых пружин 20 и 21 в ньютонах на метр, m = р h с _{* *}D² / 4 - масса магнита 19, где h и D - длина и диаметр магнита соответственно, а с - плотность магнитного вещества, должна быть равна частоте вращения цилиндрического корпуса 4. Так, если требуется вырабатывать электрический ток на стандартной частоте 50 Гц, необходимо сначала настроить собственную частоту колебаний магнитов 19 во всех трёх трубках 15 - 17 на эту частоту с помощью регулировочных винтов 22 и 23 на концах каждой из трубок, регулируя жёсткость k пружин согласно выражению k = m щ_O² (здесь щ_O = 2 р f_О) и непременно сохраняя неизменным исходное положение магнита симметрично воображаемой оси вращения при горизонтальном положении трубок, например, подачей на обмотку катушек индуктивности 24 и 25 переменного напряжения сети 50 Гц и измерением тока в них амперметром по его МИНИМАЛЬНЫМ показаниям, соответствующим резонансу колебаний магнита в трубке. Если гармонические колебания магнита вдали от резонанса происходят по формуле ?h(t) = ?h_О(f) sin 2 р f t, где ?h_O(f) - амплитуда колебаний магнита вне резонанса, то при резонансе, когда f = f_O, амплитуда колебаний ?h_O(f_O) = Q?h_O(f), где Q >> 1- добротность колебательной системы, и тогда имеем ?h(t) = Q ?h_О(f) sin 2 р f t, что существенно увеличивает э.д.с. индукции на выходах катушек индуктивности 24 и 25 для трубокок15 - 17, величина которой определяется известной формулой Е = - n (dФ / dt), где n - число витков катушки индуктивности, охватываемых магнитным полем магнита 19, а (dФ / dt) - скорость изменения во времени магнитного потока колеблющимся магнитом, где магнитный поток Ф = = В S - есть произведение магнитной индукции В (Гн.А / м²) на полюсах магнита 19 на поперечное сечение магнита, равное S =р D² / 4 (м²). Э.д.с. Е выражается в Вольтах. Добротность Q колебательной системы, как известно, снижается вносимыми в контур потерями. Таковыми выступает трение магнита о смазанные стенки полой диэлектрической трубки, а также величина присоединённой нагрузки, определяемая величиной тока в обмотках катушек индуктивности, вызывающего по закону об электромагнитой индукции М.Фарадея противо- э.д.с. противоположного знака полярности, что тормозит движение магнита относительно этих катушек, снижая добротность Q и соответственно амплитуду колебаний рмагнита ?h_O(f_O), что, в свою очередь, снижает величину dФ / dt и э.д.с. E.

Аналогично тому, как в предложении по патенту № 2699021 пара взаимно орто-гонально расположенных в вертикальной плоскости диэлектрических трубок с магнитами не создаёт при их вращении каких-либо вибраций оси вращения из-за взаимной компенсации работы сил по подъёму магнита в одной трубке работой от падения магнита в другой трубке при любом угле поворота оси вращения, в заявляемом устройстве происходит то же самое для трёх трубок, расположенных в вертикальной плоскости под углами 120^О по отношению друг к другу, как это показано на рис.3. Вращательные моменты М(ц), где ц - угол поворота оси 6 (рис.1), связанные с гармоническим колебанием магнитов в этих трубках 15 - 17 (рис.3) можно записать выражениями: М₁(ц) = ?m a_Ц r sin ц cos ц = 0,5 ?m a_Ц r sin 2ц, M₂(ц) = ?m a_Ц r sin (ц + 2 р/ 3) cos (ц + 2 р / 3) = 0,5 ?m a_Ц r sin (2ц + 4 р / 3), M₃(ц) = ?m a_Ц r sin (ц + 4 р/ 3) cos (ц + 4 р / 3) = 0,5?m a_Ц r sin (2ц - 4 р / 3), (1) где ?m = (2 ?h_O(f_O) / h) m - наибольшая неуравновешенная масса магнита, a_Ц = щ_O² R - - центробежное ускорение от вращающейся центрифуги (гравитационной силой здесь пренебрегаем в силу её малости, то есть a_Ц >> g = 9,81 м/с²), R - расстояние от центра вращения центрифуги до оси вращения 6 системы «мотор-генератор» 2 (рис.1). Легко показать, что сумма этих моментов при любом значении текущего угла ц поворота оси 6 всегда равна нулю. Так, при ц = 0 имеем для суммы моментов выражение sin (4р / 3) + sin (- - 4р / 3) = sin (4р / 3) - sin (4р / 3) = 0. Для ц = 30^О получаем sin 60^О + sin 300^O + sin 180^о = sin 60^О - sin 60^O + 0 = 0. При ц = р / 4 имеем sin 90^O + sin 330^O - sin 150^O = 1 - sin 30^О - sin 30^O = 1 - - 1 = 0. При ц = 60^О имеем sin 120^O + sin 360^O - sin 120^O = 0. Наконец, при ц =90^О получаем sim 180^O + sin 60^O - sin 60^O = 0 + 0,87 - 0,87 = 0, так как известно, что sin (- б) = - sin б. Так что при любом значении угла поворота б оси вращения 6 имеет место полная компенсация для суммы моментов в выражении (1).

Отсюда следует важный вывод о том, что рабочий двигатель 5 вращает строго уравновешенную массу тела и тратит энергию на такое вращение, определяемую только моментом трения о подшипники, скользящие контакты и о воздушную среду. И эти затраты энергии никак не связаны с получаемой энергией электрического тока для заданной постоянной скорости вращения оси 6. Центробежная сила от вращения центрифуги является потенциальной силой, не создающей работы при движении тела по замкнутой траектории, как и сила гравитации, поэтому она рассматривается для генерирующей системы «мотор-генератор» как внешняя сила, и при этом система «мотор-генератор» является не замкнутой механической системой, к которой не применим закон сохранения энергии, запрещающий создание вечного двигателя в замкнутых механических системах.Теперь обратимся к рассмотрению центробежной силы, действующей на магнит при его вращении с осью 6 с угловой скоростью щО при неуравновешенной его массе ?m = (2_{* *}?h_O(f_O) / h) m, центр инерции которой отстоит от оси вращения 6 на расстоянии h / 2. Эта сила Fц* = ?m щ_O² h/ 2 = (2?h_O(f_O) / h) m щ_O² h/ 2 = m ?h_O(f_O) щ_O², то есть не зависит от длины магнита 19 (рис.4), а определяется его полной массой m, амплитудой ?h_O максимального перемещения магнита при резонансном его колебании на частоте f_О и квадратом этой частоты. При работе системы только от использования гравитационного поля (по патенту № 2699021) скорость вращения оси 6 не может выбираться произвольно, а ограничена условием, что m g > Fц, так как иначе магнит будет оставаться в одном из двух возможных зависших положений от действия центробежной силы, меньшей силы гравитационного притяжения.

Тогда легко находится предел по скорости вращения оси 6 согласно выражению Мах щ_O = =[m g / m ?h_O(f_O)]^1/2 или, что то же для частоты вращения оси, Мах f_O = 0,159 (g / ?h_O)^1/2. Так, если задать амплитуду колебаний магнита на резонан-сной частоте ?h_O = 10 мм = 0,01 м при g = 9,81 м/с², то получим для значения Мах f_O = 0,159_*31,32 = 4,98 об/с. Однако при такой скорости вращения оси 6 получаемая мощность электроэнергии может оказаться незначительной, что и требует применения центрифуги для создания существенно большей центробежной силы (на два порядка). Так, если R в центрифуге (рис.1) положить равным R = 0,5 м, то для получения скорости вращения оси 6 с частотой f_O = 50 об/с следует задать центробежное ускорение от действия центрифуги а_Ц > g (f_O / Мах f_O)² = 100,8 g. Следовательно, скорость вращения оси 10 центрифуги 1 должна быть не менее величины N > (1 / 2р) (а_Ц / R)^1/2 = 0,159 (100,8 _* 9,81 / / 0,5)^1/2 = 7,07 об/сек. Для гарантии нормальной работы можно взять скорость вращения центрифуги равной N = 7,5 об/сек.Рассмотрим пример реализации заявляемого устройства.Пусть используем магниты диаметром D = 6 см с площадью полюсов S = р D²/ 4 = = 28,16 см² = 0,002826 м². Пусть также катушка индуктивности включает 200 витков (по 100 витков в каждой полукатушке с сечением обмотки в 1 х 1 см²) проводника сечением 1 мм², допускающим ток не более 10 А. Если используем ниобиевый магнит с магнитной индукцией В = 1,5 Тл, то при колебательном движении магнита с частотой f_О = 50 Гц с амплитудой ?h_O = = 1 см, можно считать, что изменение магнитной индукции составит ?В = 0,5 Тл за время ?t = =1 / 2 f_O = 0,01 c. Тогда изменение магнитного потока dФ / dt = (?В /?t) S = (0,5/0,01) _* 0,00282 = 0,141 Тл*м²/с. Следовательно, э.д.с. в катушке индуктивности достигает величины Е = n _{* *}(dФ / dt) = 200 _* 0,141 = 28,2 В. Индуктивность катушки по формуле Нагока L = 10 d 2_* (n/2)² _{* *} м / [(l / d) + 0,44] = 16_*106 / 1,69 = 9,467_*10⁶ см индуктивности. Здесь d = 8 cм - средний диаметр витка, n - число витков в катушке, м =10 - средне-временное значение постоянной магнитной проницаемости, l = 10 см. Так как в 1 Гн содержится 10⁹ см индуктивности, следовательно, индуктивность катушки L = 0,009467 Гн. При скорости изменения тока в катушке dI / dt = 103 A/c получаем противо-э.д.с., равное Е = - L (dI / dt) = - 0,009467*103 = = 9,47 В.

Таким образом, максимально допустимая мощность генерирования с одной катушки индуктивности будет равна Pmax = U I = (E - E) I = (28,2 - 9,47)_*10 = 187,3 Вт. Соответственно с трёх диэлектрических трубок можно снять мощность в 567,9 Вт трёхфазного тока. Полагаем, что для питания двигателей 5 и 9 будет достаточно мощности около 65 Вт, что означает, что потребитель сможет неограниченно долго пользоваться мощностью до 500 Вт (при общем токе 10 А, то есть по 167 Вт с каждой фазы при сопротивлении нагрузки по каждой фазе в 1,67 Ом). Может возникнуть вопрос, почему в данных расчётах магнитная постоянная м взята столь малой величины по сравнению с магнитной проницаемостью магнита. Одним из ответов может быть эффект запаздывания в установлении во времени индуктивности L от момента введения в полукатушку 24 или 25 (рис.4) магнита 19. Данный пример расчёта лишь показывает метод самого расчёта и не претендует на абсолютную достоверность.Заявляемое техническое решение представляет значительный практический и научный интерес как принципиально новое устройство для получения «даровой» энергии электрического тока.

трехфазный магнитный механический генератор

Литература

1. О.Ф.Меньших, Самоподдерживающаяся магнито-гравитационная система «мотор- -генератор» с автостабилизацией режима резонанса колебательного движения магнитов, Патент РФ № 2699021, опубл. в бюлл. № 25 от 03.09.2019;

2. О.Ф.Меньших, Магнито-механический генератор, Заявка № 2019135786/07 (070629) от 06.11.2019;

3. О.Ф.Меньших, Самоподдерживающаяся магнито-гравитационная система «мотор- -генератор» с автостабилизацией режима резонанса колебательного движения магнитов, Заявка № 2019135423/07 (069959) от 05.11.2019 (дополнительная к патенту № 2699021). генератор магнитный ток

Размещено на Allbest.ru