Термофотоэлектрический двигатель

 

Изобретение предназначено для использования в энергетике. Двигатель содержит постоянные магниты и якорь, на якоре установлены преобразователи лучистой энергии в электрическую энергию, причем так, что при движении якоря то один, то другой преобразователь поочередно попадает в зону воздействия лучистой энергии и при этом в обмотке якоря, соединенной с преобразователями, ток изменяет свое направление на обратное. Изобретение обеспечивает повышение эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую и механическую. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники и механики. Предлагается электрический двигатель с возбуждением от лучистых видов энергии - тепловой или энергии светового потока.

Наиболее близким прототипом предлагаемому устройству является агрегат, состоящий из отдельно взятых источника электрической энергии в виде термоэлектрических (ТЭП) или фотоэлектрических (ФЭП) преобразователей, соединенных электрическими проводами с двигателем постоянного тока. При нагреве ТЭП или облучении ФЭП в них вырабатывается электрический ток, который приводит в движение якорь двигателя.

Недостатком такой системы является относительно низкая надежность, которая определяется надежностью коллекторного устройства двигателя. Переходные контакты двигателя быстро изнашиваются, требуют ухода и замены. Работа ФЭП и ТЭП в режиме генерации постоянного тока, поскольку имеются трудности согласования внутреннего сопротивления преобразователей и нагрузки, малоэффективна.

Цель предлагаемого изобретения - повышение надежности электромеханических преобразователей лучистой энергии в механическое движение и повышение их эффективности.

Эта цель достигается тем, что в двигателе постоянного электрического тока, содержащем постоянные магниты и якорь с индуктивной обмоткой, закрепленный к внешней опоре с возможностью вращения или возвратно-поступательного движения, к якорю жестко прикреплены две группы преобразователей лучистой энергии таким образом, чтобы то одна, то другая группа преобразователей при движении якоря попадала в зону воздействия внешнего потока лучистой энергии и при этом возбуждаемый ими ток, проходя через обмотку, менял свое направление на обратное. Под группой преобразователей понимается последовательно-параллельное соединение нескольких элементарных преобразователей, сделанное для увеличения выходной электрической мощности. В отличие от прототипа, где преобразователи размещаются независимо от двигателя и ток от которых поступает на обмотку якоря через щетки и коллектор, в предлагаемом устройстве преобразователи укреплены на якоре взамен коллектора, остаются неподвижными относительно обмотки якоря при его движении и ток которых поступает на обмотку непосредственно.

Предлагаемый двигатель может иметь традиционную для электрических двигателей конструкцию, в которой якорь находится внутри корпуса двигателя с окном для доступа к преобразователям лучистой энергии, а также с внешней вращающейся вокруг неподвижной оси на раме обмоткой. На этой же раме располагаются преобразователи, а на неподвижной оси укреплен постоянный магнит. Схемы обоих возможных вариантов конструкций двигателей показаны на фиг.1, где: 1 - вал (ось); 2 - преобразователи лучистой энергии; 3 - постоянный магнит; 4 - обмотка якоря; 5 - подшипники; 6 - рама.

На фиг.2 приведены схемы подключения термоэлектрического преобразователя (термопары) к обмотке якоря (фиг.2а) и схема подключения фотоэлектрических преобразователей - фиг 2б. В термопаре нагрев спаев, левого или правого, приводит к изменению направления тока через индуктивность обмотки. При использовании фотоэлектрических преобразователей они соединены с обмоткой параллельно и встречно. При освещении левого фотодиода генерируемый в нем ток протекает справа налево и наоборот при освещении правого диода. Через неосвещенный диод ток практически не протекает, поскольку он закрыт и его сопротивление в сотни раз больше сопротивления обмотки.

Устройство работает следующим образом (на примере термоэлектродвигателя).

При нагреве левого спая термопары в ее цепи и через индуктивность потечет ток, величина которого определяется разностью температур спаев. Протекая через индуктивность, ток создает вокруг обмотки магнитное поле, при взаимодействии которого с магнитным полем постоянного магнита возникает крутящий момент. При его достаточности якорь двигателя приходит в движение, за счет которого нагреваемый спай выйдет из зоны нагрева и при совершении якорем половины оборота в зоне нагрева окажется второй спай. За счет полуоборота индуктивности изменится направление намотки ее витков (относительно полюсов постоянного магнита), но поскольку в зоне нагрева оказался второй спай, ток в обмотке также изменит свое направление и крутящий момент, пропорциональный произведению напряженности поля постоянного магнита на величину тока, не изменит свой знак, и движение якоря продолжится в том же направлении. Работа предлагаемого двигателя в этой части ничем не отличается от работы двигателя постоянного тока, но если в известных двигателях постоянного тока изменение направления тока в обмотке достигается за счет поворота пластин коллектора, то в данном случае эта смена происходит за счет смены спая термопары. Скользящие контакты отсутствуют.

Фотоэлектрический двигатель работает аналогично. Отличие заключается только лишь в схеме соединений преобразователей с обмоткой. Отметим также, что при наличии соответствующих преобразователей по рассматриваемой схеме могут быть построены двигатели с другими видами лучистой энергии.

Если расположить на якоре две индуктивности, оси которых взаимоперпендикулярны, и вывести их концы на две пары преобразователей, крутящий момент возрастет и увеличится плавность хода подвижной части двигателя.

Преимуществом предлагаемого термо- (фото)электродвигателя является отсутствие коллектора и щеток, что приведет к повышению надежности. Следует ожидать также повышение эффективности преобразования в целом лучистых видов энергии в механическое движение, в первую очередь, за счет использования согласующих устройств между преобразователями и индуктивной обмоткой для обеспечения наилучшей передачи энергии. В качестве согласующего устройства можно использовать трансформатор. В цепях постоянного тока такое согласование невозможно. Дальнейшее повышение эффективности может быть достигнуто за счет комбинированного использования различных видов лучистой энергии. Например, при сжигании топлива в термоэлектрических преобразователях выделяется не только тепловая, но и световая энергия. Возможность за счет согласования комплексной утилизации лучистой энергии в целом должна привести к повышению КПД преобразования. Повышение эффективности преобразования может быть достигнуто также при подключении параллельно обмотке электрической емкости (конденсатора) и придания таким образом ей резонансных свойств - возможности накопления в резонансном контуре энергии и увеличении тока, что приведет к увеличению крутящего момента двигателя.

Принцип работы двигателя проверен на эксперементальном макете фотоэлектрического двигателя.

Общий вид макета показан на фиг.3, где 1 - постоянные П-образные магниты, установленные на стальной подложке и в нижней части два полюса которых соединены шихтованным магнитопроводом 2. На два верхних полюса магнитов насажены дугообразные наконечники, в пространстве между которыми находится обмотка якоря 3. Обмотка бескаркасная, закреплена в текстолитовой рамке с двумя полуосями. Верхняя полуось закреплена в подшипнике, опорой для которого служит алюминевая пластинка, удерживаемая на стальной подложке двумя стальными стойками. Нижняя часть полуоси свободно проходит в отверстие в подложке. К ней под подложкой прикреплен маховичок 4 массой 200 г. Для ограничения колебаний нижней полуоси под подложкой расположен ограничитель с диаметром 7 мм при диаметре оси 6 мм. Электрические параметры индуктивности якоря: индуктивность 376 мГн, сопротивление 106 Ом. Габариты индуктивности: горизонтальный размер 100 мм, высота 65 мм, ширина 30 мм. В верхней части текстолитовой рамки между обмоткой и верхним подшипником на двух платах размещены фотоэлектрические преобразователи 5, в качестве которых используются фотодиоды ФД - 263. На каждой плате расположены по 12 диодов: параллельно 4 ветви по три последовательно включенных в каждой ветви диодов. Рабочие поверхности плат обращены в противоположные стороны перпендикулярно оси обмотки. Облучение диодов светом производилось со стороны внешних торцов магнитов слева или справа. Источником света являлись обычные бытовые электролампочки мощностью 60-100 Вт, ввернутые в пластмассовую конторскую настольную лампу.

Якорь двигателя приводился во вращение при расстоянии (горизонтальном) от поверхности фотодиодов до колбы лампочки 8-14 см. Частота вращения составляла 48-80 об/мин и доходила до 90 оборотов при возбуждении солнечным светом. Максимальная амплитуда тока в обмотке составляла 18 мА. При коротком замыкании преобразователей ток составлял 60 мА. Макет был сделан только для проверки принципа работы предлагаемого устройства и был собран из подручных средств. Для оптимизации его работы следует снижать активное сопротивление обмотки.

Имеющаяся в настоящее время элементная база термо- и фотоэлектрических преобразователей может позволить съем мощности электрического тока до нескольких киловатт, что уже достаточно для некоторых практических применений предлагаемого двигателя, например, для подъема воды на полях, в космических аппаратах для раскручивания геродинов. Большей автономностью при наличии встроенного в агрегат источника тепла имеет термоэлектрический двигатель. С достижением КПД термопреобразователей 18-20% (см. Е.К. Иорданишвили. Термоэлектрические источники питания. М., Сов. радио) термоэлектрические двигатели могут составить серьезную конкуренцию бензодвигателям благодаря своей простоте, надежности и экологической чистоте. В этом случае предлагаемый двигатель может найти применение не только для малой механизации, но может быть внедрен в транспортные средства.

Формула изобретения

1. Термофотоэлектрический двигатель, содержащий по меньшей мере две группы преобразователей лучистой энергии в электрическую энергию, а также постоянный магнит и якорь с индуктивной обмоткой, закрепленный с возможностью вращения или возвратно-поступательного движения в поле постоянного магнита, отличающийся тем, что группы преобразователей электрически соединены с обмоткой якоря с возбуждением в ней токов встречного направления и жестко закреплены на якоре или его оси неподвижно относительно обмотки так, что то одна, то другая группа преобразователей поочередно облучалась внешним потоком лучистой энергии.

2. Термофотоэлектрический двигатель по п. 1, отличающийся тем, что преобразователи лучистой энергии подключены к обмотке якоря через согласующее устройство.

3. Термофотоэлектрический двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в цепь обмотки якоря включена электрическая емкость.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3