Генератор постійного струму

 

Винахід відноситься до електротехніки і фізики магнетизму, зокрема до електромагнітних явищ, що обумовлює збудження ЕРС індукції при взаємодії котушки з провідника з магнітним полем.

Широко відоме явище електромагнітної індукції - силова рух провідника з струмом, поміщеного в скрещенное магнітне поле, або збудження ЕРС індукції у провіднику, що рухається під дією зовнішньої сили в схрещеному магнітному полі по відношенню до вектора руху провідника [1-3]. Відомо, що в провіднику довжиною L, що рухається зі швидкістю v в поперечному магнітному полі з індукцією В, індукується ЕРС, яка обчислюється за формулою Е=ВLvsinψ, де ψ - кут між вектором і напрямком вектора швидкості v провідника.

Відомі аналоги вирішення завдання генерування постійного струму. Так, у 1821 році знаменитий англійський фізик М. Фарадей продемонстрував обертання провідного диска, поміщеного в поперечний до площини диска магнітне поле постійного магніту і підключеного до джерела постійного струму через ковзні контакти, один з яких пов'язаний з віссю обертання диска, а інший - з ободом диска, при цьому радіальні струми в диску, ортогональні вектору магнітної індукції, під�т сумарний обертовий момент, забезпечує обертання диска. Аналогічний пристрій в 1824 році було створено Барлоу. У разі обертання диска Фарадея в поперечному магнітному полі виникає постійна ЕРС між віссю обертання диска і його ободом. Таким чином, одна і та ж конструкція може працювати і як двигун, і як генератор постійного струму.

Найближчим аналогом заявляється технічного рішення (прототипом) є уніполярні машина без ковзних контактів, вперше заявлена в патенті РФ №2391761 того ж автора [4] і в подальшому розвинена їм у патенті РФ №2467464 для вирішення завдання, не пов'язаної з отриманням обертального руху [5].

Відомий пристрій - безколекторний двигун постійного струму, що містить нерухомий статор і ротор з віссю обертання, що відрізняється тим, що статор виконаний у вигляді порожнистого циліндрового магнітопровода, всередині якого розміщено на його кінцях перша і друга секції з кількох кільцевих ребер магнитопроводника кожна, в першій і другій секціях кільцевих ребер магнитопроводника до всієї їх поверхні закріплений відповідно перший і другий ребристо-циліндричний электропроводник, обидва зазначених ребристо-циліндричних электропроводника статора виконані з мо�топроводников і не мають з ними електричного контакту, внутрішні кінці першого і другого ребристо-циліндричних электропроводников з'єднані з внутрішніми мідними кільцевими електродами, а їх зовнішні кінці - з зовнішніми мідними кільцевими електродами через мідні кришки-з'єднувачі, ротор виконаний у вигляді циліндричного електромагніта з розташованими на його кінцях двома однаковими першої та другої секціями з кількох кільцевих ребер магнитопроводника, наприклад із сталі, які входять у пази відповідно першої та другої секцій кільцевих магнітопроводів статора з малими зазорами між ними, в середній частині ротора нерухомо і безконтактно до нього співвісно розміщена котушка підмагнічування, один кінець якої з'єднаний з першим внутрішнім мідним кільцевим електродом першого ребристо-циліндричного электропроводника, а другий - до другого зовнішньому мідному кільцевому електроду другого ребристо-циліндричного электропроводника, при цьому вихідні затискачі двигуна з'єднані відповідно з першим зовнішнім мідним кільцевим електродом першого ребристо-циліндричного электропроводника і з другим внутрішнім мідним кільцевим електродом другого ребристо-циліндричного электропроводника.

По суті таке устройст�ой підмагнічування ротора з дуже низьким внутрішнім опором, що відноситься до недоліків пристрою, оскільки це супроводжується значними втратами електроенергії на підвідних провідниках від джерела постійного струму при роботі машини в режимі двигуна, і останнє знижує ККД такого електродвигуна. Іншим недоліком пристрою-прототипу є складність його виготовлення, зокрема, при забезпеченні необхідного зазору між провідними елементами робочих обмоток від ребристого тіла статора для підвищення обертального моменту, що виникає в обертовому роторі, з-за недостатнього перерозподілу сил Лоренца, що діють на ротор і статор - полюси магнітної системи. Така уніполярні машина може працювати в режимі генерування постійного струму при обертанні її намагніченого ротора.

Зазначені недоліки усунуті в заявляв технічному рішенні.

Метою винаходу є спрощення конструкції і підвищення ЕРС індукції в безконтактному генераторі постійного струму.

Поставлені цілі досягаються в заявляв генераторі постійного струму, що містить ротор і статор з накладеним на нього робочої обмоткою, що відрізняється тим, що ротор виконаний у вигляді прямого магніту, один магнітний полюс якого розпоряд�итний тороід, співвісний осі обертання ротора, на якому намотана робоча обмотка в один або кілька шарів виток до витка по всій поверхні феромагнітного тороїда, а також поєднаний зовні з феромагнітною тороїдальним корпусом, при цьому витки робочої обмотки знаходяться в пазах між двома половинами статора, а частини витків робочої обмотки, що знаходяться у проміжку між ротором і статором, віддалені від статора на деякій відстані застосуванням проміжного тороїда з немагнітного матеріалу.

Досягнення поставлених цілей пояснюється очевидною простотою конструкції ротора і порушенням ЕРС послідовно у всіх частинах витків робочої обмотки, звернених до найближчого полюсу прямого магніту-ротора, що рухається щодо цих частин робочої обмотки при його обертанні, а також многовитковостью робочої обмотки, в силу чого парціальні ЕРС, індуковані у кожній з названих частин витків робочої обмотки, складаються в послідовного ланцюга.

Заявляемое пристрій представлено на рис.1 у вигляді розрізів виду зверху і збоку. На рис.2 показано дію правила «лівої руки» стосовно до роботи двигуна, а на рис.3 показано, як розподіляються сили протидії від витка із струмом * обмотка накладена на нерухомий статор на деякій відстані δ від нього і відстоїть від ротора на відстані σ-δ від центру провідника робочої обмотки діаметром d, при цьому σ - магнітний зазор тороїдальної форми, всередині якого магнітна індукція В створена магнітним полюсом прямого магніту-ротора шириною h, розташованому від осі обертання ротора на відстані R (радіуса ротора), як це видно на рис.1.

Елементи конструкції, використовувані в пристрої для забезпечення статичної та динамічної балансування ротора, на рис.1 для простоти не показано.

Генератор постійного струму (він же і двигун постійного струму), показаний на рис.1, містить:

1 - робочу многовитковую обмотку, розподілену по всій тороїдальної поверхні,

2 - феромагнітний тороід,

3 - ротор у вигляді прямого магніту з округлими полюсами, один полюс якого знаходиться в безпосередній близькості від робочої обмотки (і феромагнітного тороїда - статора), а інший сполучений з віссю обертання ротора,

4 - вісь обертання ротора,

5 - підшипники осі обертання ротора, закріплені на корпусі пристрою,

6 - корпус генератора (двигуна), що включає феромагнітне кільце другий частини статора (сталеве) з бічними кришками для кріплення підшипників 5,

7 - проміжний тороід з немагнітного матеріалу (наприклад, з матеріалу Д-16).

Розглянемо роботу генератора (р�провідник довжиною L з постійним струмом I, знаходиться в схрещеному до нього магнітному полі з індукцією В, діє сила F, при цьому напрям струму в прямому провіднику (за напрямом чотирьох пальців долоні лівої руки), вектор магнітної індукції (входить у долоню лівої руки) і сила Лоренца (за напрямом відкопиленою великого пальця лівої руки) спрямовані за трьома взаємно перпендикулярним осям декартової системи координат. Згідно з третім законом Ньютона сила дії F на який-небудь матеріальний об'єкт - у даному випадку на провідник - викликає рівну і протилежно спрямовану силу протидії, що спирається на інший об'єкт дії - в даному випадку на магнітні полюси статора і ротора. Оскільки сила протидії впливає на обидва магнітних полюси, між якими створено нематеріальне магнітне поле, то вона розкладається на дві складові (рис.3) за відомим правилом паралелограма, величини яких визначаються співвідношенням відстаней від провідника до ротора (σ-δ) і до статора (δ), так що кут φ=(σ-δ)π/2σ.

Складова сили протидії, прикладена до статора, роботи не виробляє, так як нерухомий статор, а складова сили протидії, прикладена до рухомого ротора, викликає його обертання шпи�я сила FP, діюча на ротор, дорівнює Fp=Fcos2φ=BLIcos2[(σ-δ)π/2σ], а обертальний момент, прикладений до ротора від одиночного провідника, дорівнює M1=FpR, де R - радіус ротора. Якщо у взаємодії з магнітним полем приймає долі N витків робочої обмотки, то загальний обертальний момент MS=NFpR. При обертанні ротора з кутовою швидкістю ω корисна механічна потужність двигуна дорівнює РХУТРО=ωMS.

При роботі пристрою в режимі генератора виникає в одиночному провіднику ЕРС індукції E1=BLv, де v=ω R - лінійна швидкість руху провідника в поперечному магнітному полі або, що те ж - руху магнітного поля відносно нерухомого провідника (згідно принципу відносності руху). Як видно на рис.1, постійний магніт 3 шириною h охоплює своїм магнітним полем групу витків N загального їх числа, рівного NO, у робочій обмотці 1. При цьому можна вважати з урахуванням дії крайових ефектів магнітного поля, що N>(h/2πR)NO. Тому в будь-який момент часу генерується ЕРС дорівнює E=NE1>BLωNOh/2π=BLFNOh, де F=ω/2π - частота обертання ротора (об/с). Інакше кажучи, з робочої обмотки навантаження при цьому протікає ПОСТІЙНИЙ т�нді постійного струму приймає участь тільки та частина витків робочої обмотки, яка знаходиться в магнітному зазорі між полюсом магніту і статором. Та частина витків, яка знаходиться всередині складеного феромагнітного статора з елементів 2 і 6, не приймає участі в порушенні ЕРС (протилежного знака полярності), оскільки екранована від дії магнітного поля.

З метою докази працездатності заявляється пристрою автором був виготовлений спрощений макет і проведено його успішні випробування. На сталевій пластині розмірами 350×80×8 мм3, на яку з одного її боку була накладена гумова пластина товщиною 5 мм, була намотаний виток до витка робоча двошарова обмотка провідником ПЕВ-2 діаметром 0,85 мм з довжиною намотки близько 250 мм. Потім на той бік пластин з обмоткою, на якій була гумова прокладка (немагнітного матеріалу), був покладений тонкий лист склотекстоліти для зниження тертя ковзання, і на цей лист покладено неодимовий магніт (Nd Fe В) розміром 50×50×20 мм3одним з його полюсів. При цьому між цим полюсом магніту і сталевою пластиною виникало сильне квазиоднородное магнітне поле з індукцією В, значення якої автору не відомо. Полувіткі обмотки мали довжину 90 мм. Повне число витків робочої обмотки було N<довжина провідників, знаходяться одночасно в магнітному полі, мали довжину 120×50=6000 мм = 6 м із загальної довжини провідника у всій робочій обмотці, що дорівнює 120 м, тобто із загальної довжини провідника в кожен момент часу корисно використовувалося лише 5% усього провідника. Опір обмотки склало величину r=3 Ом. При порівняно повільному русі магніту рукою в одному напрямку було зафіксовано приладом напруга ПЛЮС 92, 1 мВ, а при більш швидкому русі цього магніту в протилежному напрямку напруга становила МІНУС 107,7 мВ. Це продемонструвало, що значення виникає ЕРС ПОСТІЙНОГО струму визначається швидкістю руху магнітного поля, а знак полярності визначається напрямком протікання постійного струму в полувитках робочої обмотки.

Одночасно перевірялася робота цього макета в режимі двигуна. При постійному струмі в робочій обмотці в 3,2 А підвішений над робочою обмоткою на нитці магніт відхилявся і фіксувався як нерухомий у цьому відхилений від вертикалі положенні, а при заміні напрямку струму в робочій обмотці на протилежне відхилення магніту від вертикалі виникало в іншому напрямку, що вказувало на силова дія магнітного поля магніту, отталкиваемла Лоренца долала як вага самого магніту в 420 г, так і силу її тяжіння до сталевій пластині, відхиляючи магніт приблизно на 15° від вертикалі, проведеної з середини робочої обмотки. Довжина підвісу була близько 0,5 м. Відстань магніту від обмотки в невозмущенном стані становило близько 80 мм.

Дослідним шляхом доведено факт «вмороженностью» магнітних силових ліній магніту в його домени [4, 5]. Для цього на одну з граней тороидально намотаною на феритовому кільці (марки М2000НМ) котушки, що містить 500 витків дроту ПЕВ-2 діаметром 0,16 мм, був накладений полюс неодимового магніту зазначеного вище розміру, який створював магнітне поле для всієї котушки в цілому. Після цього магніт повертався рукою відносно осі симетрії котушки і в ній виникає ЕРС індукції (БЕЗ ЗМІНИ НАПРУЖЕНОСТІ МАГНІТНОГО ПОЛЯ У ЧАСІ!!!), знак якої визначався напрямком обертання магніту, а величина - швидкістю його обертання відносно нерухомої котушки. Це дозволило автору вважати, що відоме друге рівняння Максвелла rotE=-∂B∂t повинно бути доповнено членом, пов'язаних з рухом (обертанням) постійного магніту в просторі, тобто мати вигляд: rotE=-∂B∂t+div(v*В), що у розглянутому досвіді при постійній швидкості руху посилами векторної алгебри.

Література

1. M. Faradey, Experimental Researches in Electricity, London, 1841.

2. Л. Д. Ландау, Е. М. Ліфшиц, Електродинаміка суцільних середовищ, 2 изд., М., 1982.

3. Дж. Джексон, Класична електродинаміка, пер. з англ., М., 1965.

4. О. Ф. Менших, Безколекторний двигун постійного струму, Патент РФ №2391761, опубл. у бюлл. №16 від 10.06.2010.

5. О. Ф. Менших, Прилад для вимірювання спектра сигналу індукції в магнітно пов'язаної системі, Патент РФ №2467464, опубл. у бюл. №32 від 20.11.2012.

Генератор постійного струму, що містить ротор і статор з накладеним на нього робочої обмоткою, відрізняється тим, що ротор виконаний у вигляді прямого магніту, один магнітний полюс якого розташований на осі обертання ротора, а інший поблизу робочої обмотки статора, а статор являє собою феромагнітний тороід, співвісний осі обертання ротора, на якому намотана робоча обмотка в один або кілька шарів виток до витка по всій поверхні феромагнітного тороїда, а також поєднаний зовні з феромагнітною тороїдальним корпусом, при цьому витки робочої обмотки знаходяться в пазах між двома половинами статора, а частини витків робочої обмотки, що знаходяться у проміжку між ротором і статором, віддалені від статора на деякій відстані застосуванням проміж�

 

Схожі патенти:

Електромагнітний гальмо

Винахід відноситься до області машинобудування і може бути використане при випробуванні електродвигунів

Двохвальна уніполярні електрична машина

Винахід відноситься до електричних машин постійного струму і може бути використано в якості електричного генератора або електричного двигуна постійного струму. Технічним результатом є забезпечення роботи машини в електричних ланцюгах постійного струму як низького, так і підвищеного (подвоєного) напруги, підвищення ефективності роботи і спрощення конструкції електричної машини постійного струму. Машина містить два провідних диска, які мають спільну точку дотику і обертаються в різні сторони, систему збудження з постійним магнітним полем, паралельних осях обертання дисків, і два струмознімачів, встановлених на валах дисків, завдяки чому досягається електромеханічне взаємодія двох дисків, які пов'язані як електрично, так і механічно. Електрична машина постійного струму може бути виконана з провідними дисками різного діаметра. 1 з.п. ф-ли, 4 іл.

Безколекторний двигун постійного струму

Винахід відноситься до області електротехніки і може бути використано у широкому асортименті промислових і побутових виробів і приладів, зокрема в гібридних автомобілях. Технічний результат - збільшення ккд і питомої потужності двигуна на одиницю його обсягу або ваги. Безколекторний двигун постійного струму містить обертовий намагнічений безобмоточний ротор і нерухомий тороїдальний статор з робочою обмоткою і двома котушками підмагнічування, дві оппозитно розташовані на статорі магнитопроводящие шайби з малим зазором від магнитопроводящих шайб тіла ротора. Робоча обмотка статора розташована з мінімально допустимим зазором від магнітного полюса ротора і істотно віддалена від магнітного полюса статора використанням діелектричної підкладки, на яку намотана робоча обмотка. Робочий магнітний полюс статора виконаний у вигляді тороїда з круглим перетином, пов'язаний з його нерухомо закріпленої на корпусі двигуна магнитопроводящей віссю через магнітопроводящій диск, з двох сторін від якого розміщено дві котушки підмагнічування. Висновки послідовно з'єднаних котушок підмагнічування і робочої обмотки підключені до джерела постійного струм�ла, на якому намотана робоча обмотка, а товщина його стінок обрана в п'ять-десять разів більше повітряного зазору між робочою обмоткою статора і тороидально-циліндричним тілом ротора, який має форму порожнистого тороїда з магнитопроводящего матеріалу і складається з двох половин, магнітно пов'язаних з магніто-провідними шайбами. 4 іл.

Безколекторний роторний електричний двигун

Винахід відноситься до електромашинобудування та може бути використане в електроприводах загальнопромислових механізмів. Технічним результатом є збільшення моменту сили тяги електродвигуна для полегшення запуску і підвищення ККД двигуна. Статор двигуна виконаний у вигляді тороїда з зовнішньої намотуванням котушки. Ротор обертається на підшипниках всередині статора і має постійні магніти у вигляді циліндрів, розташованих по дотичній до ротора. 1 іл.

Уніполярний генератор струму

Винахід відноситься до області електротехніки, зокрема, до електричних машин. Пропонований уніполярний генератор струму може бути використаний в якості генератора електричної енергії постійного або змінного струму в промисловості і може знайти застосування. Суть винаходу полягає в тому, що в якості обертається в перпендикулярному магнітному полі ротора використовується набірний диск з металевих пластин (секторів диска), розділених діелектричними прокладками, з ковзаючими контактами на осі обертання диска, а в якості статора використовуються полюса обертового постійного або змінного магнітного поля. Технічний результат - отримання більш високої ЕРС при тих же діаметрах ротора уніполярного генератора при одночасному підвищенні його надійності. 4 іл.

Багатодискова уніполярні машина постійного струму

Винахід відноситься до області електротехніки і стосується особливостей конструктивного виконання електричних машин, зокрема уніполярних машин (ПОМ) постійного струму. Технічний результат, що досягається при використанні даного винаходу, полягає в поліпшенні електромеханічних характеристик, підвищення зносостійкості і робочої напруги пропонованої РОЗУМ постійного струму, що, в свою чергу, істотно розширює сферу її застосування. Зазначений технічний результат досягається тим, що в пропонованій РОЗУМ постійного струму, що складається із статора та ротора, розділених між собою повітряними зазорами, і виконаної у вигляді з'єднаних послідовно РОЗУМ з дисковими роторами, встановленими на загальний вал обертання, згідно винаходу в якості статора служить нерухома магнітна система, що складається з кількох порожнистих циліндричних постійних магнітів, продовженнями полюсів яких служать дископодібні з виступами і отворами по їх серединам магнітопроводи, торцеві поверхні яких розташовані симетрично по обидві сторони обертових роторних електро - і магнитопроводящих дисків, електрично послідовно з'єднаних через кілька электропроводящ малі електропровідні диски, які частково занурені в електропровідні рідини, що знаходяться в ємностях рідкометальних струмознімання, приєднаних відповідно до позитивної і негативної клем її електричного виводу. Пропонована РОЗУМ може працювати як в режимі двигуна, так і в режимі генератора. 2 іл.

Самозбуджується безколекторний турбогенератор постійного струму

Винахід відноситься до області електротехніки та електромашинобудування та стосується створення нових генеруючих пристроїв постійного струму з використанням невичерпних природних запасів альтернативних потоків енергії водного середовища

Електрична машина постійного струму

Винахід відноситься до області електротехніки, зокрема до электромеханическому перетворення електричної енергії, і може бути використано в електротехнічній і электромашиностроительной промисловості і на транспорті в якості електричного приводу з низьковольтним харчуванням

Дискова електрична машина

Винахід відноситься до області електротехніки, зокрема до електричних машин з осьовим розташуванням основного магнітного потоку в зазорі немагнітному

Електродвигун постійного струму

Винахід відноситься до області електротехніки та електромеханіки, а конкретніше - до електричних машин постійного струму

Безколекторний двигун постійного струму

Винахід відноситься до області електротехніки і може бути використане при створенні надійних двигунів постійного струму спрощеної конструкції

Уніполярний генератор постійного струму

Винахід відноситься до області електротехніки і може бути використане в уніполярних генераторах постійного струму торцевого типу високої напруги. Технічний результат - збільшення генеруємої напруги. Генератор містить ротор на осі, магнітну систему з замкнутим магнітопроводом, обмотку для генерації напруги, комутаційні елементи, розташовані з можливістю відносного обертання. Ротор забезпечений серцевиною кільцевої форми, торцеві сторони якого виконані з магнітною полярністю одного знака, з не менш ніж однієї тороїдальної обмоткою для генерації напруги. До торцевих сторонах тороїдальної обмотки зовні примикають два магнитопроводящих кільця з магнітомягкого матеріалу. Кільцевий сердечник включає два кільцевих магніту, намагнічених аксіально, і магнитопроводящую серцевину у вигляді плоского кільця з магнітомягкого матеріалу, до якої з двох сторін примикають зазначені магніти полюсними поверхнями з одним знаком магнітної полярності. Їх полюсні поверхні з іншим знаком магнітної полярності є торцевими поверхнями кільцевої форми осердя з однойменної магнітною полярністю. Зовнішні магнитопроводящие кільця, мки підключені до комутаційних елементів, з якими контактують з можливістю ковзання нерухомі комутаційні елементи, призначені для підключення електричних навантажень. 11 з.п. ф-ли, 8 іл.

Багатодискова уніполярні машина постійного струму

Винахід відноситься до області електротехніки і стосується особливостей конструктивного виконання електричних машин, зокрема уніполярних машин (ПОМ) постійного струму. Технічний результат, що досягається при використанні даного винаходу, полягає в поліпшенні електромеханічних характеристик, підвищення зносостійкості і робочої напруги пропонованої РОЗУМ постійного струму, що, в свою чергу, істотно розширює сферу її застосування. Зазначений технічний результат досягається тим, що в пропонованій РОЗУМ постійного струму, що складається із статора та ротора, розділених між собою повітряними зазорами, і виконаної у вигляді з'єднаних послідовно РОЗУМ з дисковими роторами, встановленими на загальний вал обертання, згідно винаходу в якості статора служить нерухома магнітна система, що складається з кількох порожнистих циліндричних постійних магнітів, продовженнями полюсів яких служать дископодібні з виступами і отворами по їх серединам магнітопроводи, торцеві поверхні яких розташовані симетрично по обидві сторони обертових роторних електро - і магнитопроводящих дисків, електрично послідовно з'єднаних через кілька электропроводящ малі електропровідні диски, які частково занурені в електропровідні рідини, що знаходяться в ємностях рідкометальних струмознімання, приєднаних відповідно до позитивної і негативної клем її електричного виводу. Пропонована РОЗУМ може працювати як в режимі двигуна, так і в режимі генератора. 2 іл.

Самозбуджується безколекторний турбогенератор постійного струму

Винахід відноситься до області електротехніки та електромашинобудування та стосується створення нових генеруючих пристроїв постійного струму з використанням невичерпних природних запасів альтернативних потоків енергії водного середовища

Безконтактна електрична машина

Винахід відноситься до області електротехніки та електромашинобудування і може бути використане при виробництві безконтактних електричних машин, як двигунів, так і генераторів Пропонована безконтактна електрична машина, в якій провідники якоря перетинаються в активній зоні машини односпрямованим магнітним полем індуктора, містить ротор у вигляді явнополюсного індуктора, у якого вісь симетрії від полюса N до полюса S збігається з віссю обертання ротора, і статор з провідниками, розташованими на внутрішній поверхні статора уздовж його циліндричних утворюють, провідники розбиті на дві групи, в одній з яких провідники розташовані навколо полюса індуктора з полярністю N, а в іншій - навколо полюса індуктора з полярністю S

Многовитковий безконтактний уніполярний генератор постійного струму

Винахід відноситься до електротехніки, електричних машин постійного струму

Уніполярний безколекторний торцевий генератор постійного струму

Винахід відноситься до області електротехніки та електромашинобудування і може бути використане при виробництві уніполярних безколекторних торцевих електричних машин

Самозбуджується безколекторний генератор постійного струму

Винахід відноситься до електромашинобудування та може бути застосована у виробництві машин постійного струму
Up!