Генератор электрической энергии

 

Использование: в народном хозяйстве и в быту. Сущность изобретения: корпус статора 1 выполнен из двух половин, в которых закреплены выполненные в виде секторов образующие кольцевые магниты 2 с прорезью для ротора 3, установленные по окружности и обращенные друг к другу одноименными полюсами, образуя тороидальную полость, внутри которой размещены катушки 5 ротора 3. 5 ил.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в народном хозяйстве и в быту.

Известен генератор электрической энергии содержащий корпус со статором с постоянными магнитами, закрепленный на валу ротор с катушками обмотки. Статор с магнитами служит для возбуждения главного поля машины, а во вращающемся роторе индуцируется ЭДС и проходят токи.

Недостатком такого генератора электрической энергии является существующая система возбуждения, при которой затрачивается большая механическая работа при преобразовании механической энергии в электрическую.

Задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы изменить систему возбуждения в генераторе электрической энергии, уменьшить затрачиваемую механическую работу при преобразовании механической энергии в электрическую и увеличить КПД генератора электрической энергии.

Указанная задача достигается тем, что корпус статора выполнен из двух половин, в которых закреплены постоянные магниты, выполненные в виде секторов, образующие кольцевые магниты с прорезью для ротора, установленные друг к другу одноименными полюсами, образуя тороидальную полость, внутри которой размещены катушки ротора.

Изобретение, на мой взгляд, является новым, так как в отличие от прототипа корпус статора выполнен из двух половин, в которых закреплены постоянные магниты, выполненные в виде секторов, образующие кольцевые магниты с прорезью для ротора, установленные по окружности и обращенные друг к другу одноименными полюсами, образуя тороидальную полость, внутри которой размещены катушки ротора. В результате на статоре генератора электрической энергии изменяется система возбуждения, при которой затрачивается минимальная механическая работа при преобразовании механической энергии в электрическую и увеличивается КПД генератора электрической энергии.

На фиг.1 5 показан предлагаемый генератор.

Предлагаемый генератор электрической энергии (фиг.1) состоит из неподвижной части статора 1, состоящего из двух разъемных частей и отлитого из алюминиевого сплава, в котором армированы кольцевые секторные постоянные магниты 2, подвижной части ротора 3, жестко закрепленного на валу 4, на котором установлены катушки индуктивности 5, намотанные на ферросплавном каркасе 6, трансформатора 7.

Генератор электрической энергии работает следующим образом.

При вращении вала 4 ротор 3 с катушками индуктивности 5, намотанными на ферросплавном каркасе 6, начинает совершать вращательное движение во внутренней полости тороидального кольца, которое состоит из отдельных кольцевых секторных постоянных магнитов 2, образующих при соединении двух половин корпуса статора 1 кольцевые постоянные магниты 2.

В результате в катушках индуктивности 5, установленных на торе 3, которые возбуждаются в одной фазе, будет индуцироваться ЭДС при минимальной затрате механической работы, которую производит первичный двигатель. Съем электродвижущей силы с катушек индуктивности в генераторе электрической энергии осуществляется при помощи трансформатора 7, подвижная обмотка которого располагается на роторе, а вторичная обмотка, неподвижная располагается на статоре.

Рассмотрим, как в генераторе электрической энергии при помощью кольцевых секторных постоянных магнитов образуется система возбуждения на статоре, при помощи которой наводится электродвижущая сила в катушках индуктивности, установленных на роторе, а также каким образом происходит уменьшение затрачиваемой механической работы при преобразовании механической энергии в электрическую.

Известно, что кольцевой постоянный магнит внутри магнитного кольца содержит гомогенный магнитный поток, одинаковый по величине, магнитно-силовые линии которого располагаются в одном направлении. Тот торец магнита, из которого магнитно-силовые линии выходят, является северным полюсом, противоположный южным полюсом. Но кроме всего этого, кольцевой постоянный магнит в поперечном сечении, на торцевых поверхностях отверстий по осевой линии содержит две магнитный зоны, в которых фокусируются магнитно-силовые линии и магнитное поле меняет свое направление. Это утверждение основано на проведенном исследовании кольцевого магнита при помощи металлических опилок и картона, который укладывался на торцевую поверхность кольцевого магнита, после чего на него насыпались металлические опилки, которые при подъеме и опускании картона относительно торцевой плоскости кольцевого магнита изменение направления магнитно-силовых линий. Причем, если внимательно посмотреть на структуру магнитно-силовых линий, проявленную металлическими опилками, то можно также заметить, что магнитно-силовые линии внутри магнитного кольца кольцевого магнита имеют дугообразную форму (фиг.2).

Подтверждением этому может послужить публикация в журнале "Техника молодежи" N 6-1991 г. с.2. В результате этого при установке кольцевых постоянных магнитов одноименными полюсами друг к другу на границе сопряжения одноименных полюсов увеличивается плотность магнитно-силовых линий и как следствие усиливается магнитный поток.

Так как постоянные кольцевые магниты установлены на статоре с одинаковым шаговым расстоянием одноименными полюсами друг к другу, то во внутренней кольцевой полости статора образуется сфокусированный магнитный поток, одинаковый по величине и переменный по направленный по направлению (фиг.3 и 4), в котором магнитно-силовые линии от кольцевого постоянного магнита к рядом стоящему кольцевому постоянному магниту меняют свое направление, имея дугообразную форму, в этом случае проводники катушек индуктивности ротора при движении во внутренней кольцевой полости статора пересекают магнитно-силовые линии поперек магнитного потока возбуждения, а ферросплавный сердечник, на котором намотана катушка индуктивности, пересекает магнитно-силовые линии вдоль магнитно-силовых линий потока возбуждения. Поэтому элементарные магнетики внутри ферросплавного сердечника катушки будут стремиться ориентироваться вдоль магнитно-силовых линий потока возбуждения, периодически от магнита к рядом стоящему магниту, меняя свою ориентацию, перемагничиваться. Иначе говоря, в проводниках катушек индуктивности будет индуцироваться ток, стремящийся по закону Ленца задерживать перемен магнитного поля в катушках индуктивности.

Применение такого механизма индуцирования ЭДС увеличивает силу тока и мощность генератора электрической энергии, потому что действующее значение тока, изменяясь по направлению, не изменяется по величине, так как магнитный поток переменный по направлению, но одинаковый по величине.

Если сравнивать обмотки катушки индуктивности генератора электрической энергии прототипа и изобретением, то видно, что при одном и том же количестве витков одного и того же диаметра обмоточного провода, длина проводника в обмотках катушек индуктивности в генераторе электрической энергии с кольцевыми магнитами будет намного меньше, чем у прототипа, а это значит, что активное сопротивление катушек индуктивности в генераторе электрической энергии с кольцевыми магнитами будет тоже меньше. Уменьшение активного сопротивления катушки индуктивности обеспечивает увеличение тока в замкнутой цепи генератора электрической энергии и, как следствие, в результате этого увеличивается мощность генератора электрической энергии.

В связи с этим важно отметить то, что катушка индуктивности имеет простую конструкцию, которая состоит (фиг.5) из ферросплавного каркаса 1, внутренняя поверхность которого содержит изоляцию из диэлектрика 2, которым может служить фторопласт или стеклотекстолит, и обмотку из медного провода 3.

Установку катушек индуктивности на роторе можно осуществить на (фиг.5) при помощи кронштейнов с резьбовым соединением.

При движении катушек индуктивности внутри тороидальной полости в ее витках будет индуцироваться ЭДС отрицательной и положительной величин при минимальной затрате времени, а так как величина индуцируемой ЭДС определяется величиной магнитного потока и временем его изменения , где W число витков в катушке индуктивности; f величина магнитного потока и так как время, в течение которого изменяется магнитный поток равно где S путь, равный толщине сечения кольцевого постоянного магнита; V скорость перемены магнитного потока, то, установив секторные постоянные магниты в статоре одноименными полюсами друг к другу с одинаковым шаговым расстоянием, с минимальным зазором между торцами постоянных магнитов, время, в течение которого будет изменяться магнитный поток, окажется равным ,
где h путь, равный шаговому расстоянию между постоянными секторными кольцевыми магнитами;
V скорость перемены магнитного потока.

В результате формула величины ЭДС примет вид
,
но так как секторные постоянные магниты установлены по окружности друг к другу одноименными полюсами с одинаковым шаговым расстоянием, то в результате этого в катушках индуктивности 5 будет наводиться периодическая ЭДС. Тогда формула величины ЭДС примет вид
,
где F количество кольцевых постоянных магнитов.

Сравнивая новую конструкцию генератора электрической энергии с прототипом, ясно видно, что затраченная механическая работа
A P·S,
где Р сила приводного устройства;
S путь, равный толщине кольцевого постоянного магнита при преобразовании механической энергии в электрическую;
будет минимальной, так как путь S, за который образуется положительная и отрицательная величины ЭДС, получается равным величине h ширине шагового расстояния между постоянными кольцевыми магнитами, а в прототипе этот путь S равен расстоянию "πD" длине окружности, по корой вращается катушка индуктивности со скоростью V,
где

Известно, что электрическая машина преобразует механическую энергию в электрическую, тогда КПД генератора электрической энергии можно выразить соотношением электрической мощности к механической мощности

где Р электрическая полезная мощность генератора электрической энергии равна
P U · I,
заменяя
,
тогда формула электрической мощности примет вид
,
а затраченная механическая мощность в генераторе электрической энергии равна произведенной механической работе за единицу времени
,
исходя из этого, КПД генератора электрической энергии можно выразить соотношением
,
преобразуя полученное выражение, получим
,
но так как в прототипе время, в течение которого происходит преобразование механической энергии в электрическую, равно
,
где S путь, равный расстоянию, "πD" длина окружности, за которое образуется положительная и отрицательная величины ЭДС,
а в новом генераторе электрической энергии время, в течение которого происходит преобразование механической энергии в электрическую, равно
,
где S путь, равный величине h, равный шаговому расстоянию между кольцевыми постоянными магнитами, в течение которого образуется положительная и отрицательная величины ЭДС, то полученная разница в пути дает основание утверждать, что КПД генератора электрической энергии
,
увеличится в несколько раз, так как "πD" больше h.

Генератор электрической энергии предполагается использовать для выработки электроэнергии постоянного тока, для этого к нему необходимо установить выпрямитель.

Формула изобретения

Генератор электрической энергии, содержащий корпус со статором с постоянными магнитами, закрепленный на валу ротор с катушками обмотки, отличающийся тем, что корпус статора выполнен из двух половин, в которых закреплены постоянные магниты, выполненные в виде секторов, образующих кольцевые магниты с прорезью для ротора, установленные по окружности и обращенные друг к другу одноименными полюсами, образуя тороидальную полость, внутри которой размещены катушки ротора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5