Магнитоэлектрический генератор

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в ракетно-космической технике, отраслях электроэнергетики и в быту. Магнитоэлектрический генератор содержит диэлектрический корпус, на концах которого установлены краевые постоянные магнитные элементы. Внутри корпуса установлен с зазором и возможностью перемещения между краевыми постоянными магнитными элементами подвижный магнитопровод, состоящий из подвижного постоянного магнитного элемента, немагнитной тяги и дополнительного подвижного постоянного магнитного элемента. В стенках корпуса выполнены сквозные пазы, а с внешней стороны корпуса установлены две магнитные направляющие из трех и более постоянных магнитных элементов, а также замкнутый на выпрямитель электропроводящий контур и замкнутый на дополнительный выпрямитель дополнительный электропроводящий контур. В генераторе его подвижный магнитопровод удерживается в парящем или подвешенном (на магнитной подвеске) состоянии относительно диэлектрического корпуса и электропроводящиих контуров. Ось подвижного магнитопровода сориентирована под углом к направлению внешних возмущений магнитного поля, а собственная частота колебаний подвижного магнитопровода под действием таких возмущений совпадает с частотой какой-либо гармоники из спектра возмущений внешнего магнитного поля. Технический результат состоит в обеспечении преобразования энергии возмущений внешнего магнитного поля в электрическую энергию при уменьшении габаритов и массы генератора, так как он особенно эффективен в "нано"-исполнении. 2 ил.

 

Изобретение относится к области электромагнитной техники и может быть использовано в ракетно-космической технике и отраслях электроэнергетики.

Известен магнитоэлектрический генератор, содержащий замкнутый электропроводящий контур, взаимодействующий с магнитным элементом, который перемещают внутри электропроводящего контура [1].

В замкнутом электропроводящем контуре такого магнитоэлектрического генератора при движении внутри него магнитного элемента возникает электрический ток, величина которого пропорциональна скорости перемещения магнитного элемента. Однако для получения электроэнергии с помощью такого магнитоэлектрического генератора, необходимо затрачивать механическую энергию на перемещение магнитного элемента внутри электропроводящего контура.

Известен земно-космический генератор электроэнергии польского инженера Яничека [2], содержащий замкнутый электропроводящий контур, расположенный на Земле, выполняющей роль ротора турбины, при этом замкнутый электропроводящий контур вращается вместе с Землей в магнитном поле космического магнитного элемента - Солнца, пересекая его магнитные линии.

Такой магнитоэлектрический преобразователь способен вырабатывать электроэнергию без использования внешней тепловой, световой, механической и электрической энергии, однако он должен иметь значительные габариты, а следовательно, и массу, поэтому он чрезвычайно затратен и неприменим в космической технике. Кроме этого при значительной отдаленности от Солнца выработка электроэнергии подобным магнитоэлектрическим генератором становится проблематичной.

В качестве наиболее близкого аналога изобретения - прототипа выбран магнитоэлектрический генератор, содержащий корпус, внутри которого установлены два краевых постоянных магнитных элемента, размещенных на противоположных его концах, и установленный внутри корпуса с возможностью перемещения между краевыми постоянными магнитными элементами подвижный постоянный магнитный элемент, взаимодействующий с замкнутым на выпрямитель электропроводящим контуром [3].

Такой магнитоэлектрический генератор преобразовывает энергию постоянных магнитных элементов в электрическую энергию, однако для выработки электроэнергии с помощью такого магнитоэлектрического генератора необходимо затрачивать электроэнергию от внешнего источника, необходимую для вращения краевых постоянных магнитных элементов.

Для длительных исследований автоматическими космическими аппаратами и зондами дальних планет солнечной системы, обладающих магнитным полем, где получение электроэнергии за счет светового излучения солнца затруднительно, а разреженность атмосферы или ее отсутствие не позволяют использовать для получения электроэнергии силу ветра, а также силу потока жидкости, полезно иметь компактное устройство, способное преобразовывать возмущения магнитного поля планеты, обусловленные вращением ядра планеты в ее мантии, а также возмущения, вызванные магнитными бурями, в электрическую энергию.

Кроме этого, весьма полезно иметь в различных отраслях промышленности и в быту устройства, способные преобразовывать непроизводительные возмущения внешнего магнитного поля в электрическую энергию. Такие возмущения обусловлены, например, работой радиостанций, телевизионных передающих станций, электростанций, линий электропередач, электрических сетей, трансформаторных станций и т.п.

Задачей изобретения является обеспечение возможности вырабатывать генератором электрический ток за счет использования явления магнитомеханического резонанса при исключении затрат механической, тепловой, световой и электрической энергии.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности преобразования энергии возмущений внешнего магнитного поля в электрическую энергию при уменьшении габаритов и массы генератора.

Технический результат достигается тем, что в магнитоэлектрическом генераторе, содержащем корпус, внутри которого установлены два краевых постоянных магнитных элемента, размещенных на противоположных его концах, и установленный внутри корпуса с возможностью перемещения между краевыми постоянными магнитными элементами подвижный постоянный магнитный элемент, взаимодействующий с замкнутым на выпрямитель электропроводящим контуром, в отличие от прототипа в него введен дополнительный электропроводящий контур, замкнутый на дополнительный выпрямитель, а один из полюсов подвижного постоянного магнитного элемента тягой из немагнитного материала жестко вдоль одной оси соединен с одноименным полюсом дополнительного подвижного постоянного магнитного элемента, также установленного внутри корпуса с возможностью перемещения между краевыми постоянными магнитными элементами, при этом подвижный постоянный магнитный элемент обращен одноименным полюсом к первому краевому постоянному магнитному элементу, а дополнительный подвижный постоянный магнитный элемент обращен одноименным полюсом ко второму краевому постоянному магнитному элементу, причем подвижный постоянный магнитный элемент, тяга и дополнительный подвижный постоянный магнитный элемент образуют подвижный магнитопровод, который установлен с зазором в корпусе, при этом корпус выполнен из диэлектрического материала, а в его стенке выполнен один и больше сквозных пазов, длина каждого из которых равна или больше расстояния между краевыми постоянными магнитными элементами, при этом с внешней стороны корпуса между двумя плоскостями, перпендикулярными корпусу и пересекающими зону, прилежающую к полюсу подвижного постоянного магнитного элемента, взаимодействующего с одноименным полюсом первого краевого магнитного элемента, и между двумя плоскостями, перпендикулярными корпусу и пересекающими зону, прилежающую к полюсу дополнительного постоянного магнитного элемента, взаимодействующего с одноименным полюсом второго краевого магнитного элемента, установлено по магнитной направляющей из трех и более равноудаленных друг от друга постоянных магнитных элементов, причем постоянные магнитные элементы первой магнитной направляющей обращены одноименными полюсами к одноименному полюсу подвижного постоянного магнитного элемента, а постоянные магнитные элементы второй магнитной направляющей обращены одноименными полюсами к одноименному полюсу дополнительного подвижного постоянного магнитного элемента, при этом электропроводящий контур установлен поверх корпуса между плоскостями, перпендикулярными корпусу и пересекающими зону, прилежающую к полюсу подвижного постоянного магнитного элемента, соединенного с тягой, а дополнительный электропроводящий контур установлен поверх корпуса между плоскостями, перпендикулярными корпусу и пересекающими зону, прилежающую к полюсу дополнительного подвижного постоянного магнитного элемента, также соединенного с тягой, при этом продольная ось подвижного магнитопровода направлена к линии направления возмущений внешнего магнитного поля под углом α, определяемого соотношением

arctg(l/h)<|α|<π/2,

где l - расстояние между краевыми постоянными магнитными элементами;

h - наибольшая ширина краевого постоянного магнитного элемента.

Благодаря такой конструкции магнитоэлектрического генератора его подвижный магнитопровод находится в парящем или в подвешенном (на магнитной подвеске) состоянии, при этом его положение относительно электропроводящих контуров и энергетическое состояние (покой или движение) определяются суперпозицией и взаимодействием магнитных полей всех магнитных элементов конструкции магнитоэлектрического генератора и внешнего магнитного поля, а возмущение внешнего магнитного поля при определенной ориентации оси подвижного магнитопровода к направлению этих возмущений приводит его в движение, в результате чего во взаимодействующих с подвижными постоянными магнитными элементами подвижного магнитопровода замкнутых на выпрямители электропроводящих контурах возникает электрический ток. Эффект выработки электроэнергии усиливается при увеличении скорости колебательных движений подвижного магнитопровода, т.е. когда собственная частота подвижного магнитопровода на магнитной подвеске находится в состоянии резонанса с частотой какой-либо гармоники из спектра возмущений внешнего магнитного поля, а сам подвижный магнитопровод является слабодемпфированным. При этом внешняя механическая, тепловая, световая и электрическая энергия не затрачивается, а колебания подвижного магнитопровода происходят под действием энергии возмущений внешнего магнитного поля.

Совокупность всех указанных существенных признаков магнитоэлектрического генератора позволяет преобразовывать энергию возмущений внешнего магнитного поля в энергию электрического тока.

Так как заявленная совокупность существенных признаков магнитоэлектрического генератора позволяет решить поставленную задачу, то заявленный магнитоэлектрический генератор соответствуют критерию "изобретательский уровень".

Заявленный магнитоэлектрический генератор иллюстрируется фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 изображен общий вид магнитоэлектрического генератора в разрезе.

На фиг.2 изображено сечение магнитоэлектрического генератора в зоне над магнитной направляющей в плоскости, перпендикулярной оси его подвижного магнитопровода.

Магнитоэлектрический генератор содержит корпус 1, внутри которого на каждом из его концов установлено по краевому постоянному магнитному элементу 2 и 3. Внутри корпуса 1 установлены с возможностью перемещения между краевыми постоянными магнитными элементами 2 и 3 подвижный постоянный магнитный элемент 4 и дополнительный подвижный постоянный магнитный элемент 6, жестко соединенные тягой 5. Подвижный постоянный магнитный элемент 4, тяга 5 и дополнительный подвижный постоянный магнитный элемент 6 образуют подвижный магнитопровод, который установлен с зазором 7 во внутренней полости корпуса 1. В стенке корпуса 1 выполнен один и больше сквозных пазов 8. Наличие зазора 7 исключает сухое трение между составляющими подвижного магнитопровода и корпусом 1, а наличие сквозных пазов 8 с длиной, равной или большей расстояния между краевыми постоянными магнитными элементами 2 и 3, в корпусе 1 обеспечивают минимальное демпфирование подвижного магнитопровода при любой амплитуде его колебаний за счет гарантированного обеспечиния проходных окон для выхода газовой или воздушной среды из полости между полюсом подвижного постоянного магнитного элемента 4 и одноименным полюсом первого краевого постоянного магнитного 2, а также из полости между полюсом дополнительного подвижного постоянного магнитного элемента 6 и одноименным полюсом второго краевого постоянного магнитного 3, причем чем больше выполнено пазов 8, тем больше площадь проходного сечения проходных окон и тем меньше демпфирование. При этом длина пазов 8 не должна быть больше длины корпуса 1 для обеспечения его целостности, а при длине пазов 8, равной длине корпуса 1, целостность корпуса 1 может быть обеспечена, например, путем жесткого крепления его составляющих к краевым постоянным магнитным элементам 2 и 3. Подвижный постоянный магнитный элемент 4 обращен одноименным полюсом к первому краевому постоянному магнитному элементу 2, а дополнительный подвижный постоянный магнитный элемент 6 обращен одноименным полюсом ко второму краевому постоянному магнитному элементу 3. Между краевым постоянным магнитным элементом 2 и взаимодействующим с ним подвижным постоянным магнитным элементом 4, а также между краевым постоянным магнитным элементом 3 и взаимодействующим с ним дополнительным подвижным постоянным магнитным элементом 6 подвижного магнитопровода имеются зазоры 9, необходимые для обеспечения подвижности и требуемой амплитуды колебаний подвижного магнитопровода. С внешней стороны корпуса 1 между двумя плоскостями, перпендикулярными корпусу 1 и пересекающими зону, прилежающую к полюсу подвижного постоянного магнитного элемента 4, взаимодействующего с одноименным полюсом первого краевого магнитного элемента 2, и между двумя плоскостями, перпендикулярными корпусу 1 и пересекающими зону, прилежающую к полюсу дополнительного постоянного магнитного элемента 6, взаимодействующего с одноименным полюсом второго краевого магнитного элемента 3, установлено по магнитной направляющей из трех и более равноудаленных друг от друга постоянных магнитных элементов 10, причем постоянные магнитные элементы 10 первой магнитной направляющей обращены одноименными полюсами к одноименному полюсу подвижного постоянного магнитного элемента 4, а постоянные магнитные элементы 10 второй магнитной направляющей обращены одноименными полюсами к одноименному полюсу дополнительного подвижного постоянного магнитного элемента 6. Магнитные направляющие и краевые постоянные магнитные элементы 2 и 3 необходимы для удержания подвижного магнитопровода в парящем или подвешенном (на магнитной подвеске) состоянии при любом положении корпуса 1. При количестве постоянных магнитных элементов 10 магнитной направляющей меньше трех невозможно обеспечить гарантированное удержание подвижного магнитопровода с зазором 7 внутри корпуса 1. Электропроводящий контур 11, замкнутый на выпрямитель 12, установлен поверх корпуса 1 между плоскостями, перпендикулярными корпусу 1 и пересекающими зону, прилежающую к полюсу подвижного постоянного магнитного элемента 4, соединенного с тягой 5, а дополнительный электропроводящий контур 13, замкнутый на дополнительный выпрямитель 14, установлен поверх корпуса 1 между плоскостями, перпендикулярными корпусу 1 и пересекающими зону, прилежающую к полюсу дополнительного подвижного постоянного магнитного элемента 6, также соединенного с тягой 5. Подвижный постоянный магнитный элемент 4 и дополнительный подвижный постоянный магнитный элемент 6 обращены друг к другу одноименными полюсами и соединены тягой 5 из немагнитного материала для искажения их магнитных полей с целью улучшения взаимодействия с электропроводящими контурами 11 и 13 при малых амплитудах перемещения подвижного магнитопровода, а выполнение корпуса 1 из диэлектрического материала исключает замыкание витков электропроводящих контуров 11 и 12 подвижным постоянным магнитным элементом 4 и дополнительным подвижным постоянным магнитным элементом 6 при возможных колебаниях подвижного магнитопровода в направлениях, отличных от продольного. Наличие дополнительного электропроводящего контура 13, замкнутого на дополнительный выпрямитель 14, позволяет увеличить выработку электроэнергии магнитоэлектрического генератора за счет движения дополнительного подвижного постоянного магнитного элемента 6.

Подвижный магнитопровод, состоящий из подвижного постоянного магнитного элемента 4, тяги 5 и дополнительного подвижного постоянного магнитного элемента 6, находится в парящем или подвешенном (на магнитной подвеске) состоянии относительно краевых магнитных элементов 2 и 3 и магнитных элементов 9 магнитных направляющих при любом положении корпуса 1. При этом его положение относительно электропроводящих контуров 11 и 13 и энергетическое состояние (покой или движение) определяются суперпозицией и взаимодействием магнитных полей всех магнитных элементов конструкции магнитоэлектрического генератора и внешнего магнитного поля.

Возмущение внешнего магнитного поля при определенной ориентации продольной оси подвижного слабодемпфированного магнитопровода магнитоэлектрического генератора к направлению этих возмущений, приводит его в движение, в результате чего во взаимодействующем с подвижным постоянным магнитным элементом 4 замкнутом на выпрямитель 12 электропроводящем контуре 11, и во взаимодействующем с дополнительным подвижным постоянным магнитным элементом 6 замкнутом на дополнительный выпрямитель 14 дополнительном электропроводящем контуре 13 возникает электрический ток.

Для возникновения продольных колебаний подвижного магнитопровода необходимо, чтобы

- угол α (α_max) между продольной осью подвижного магнитопровода и направлением возмущений внешнего магнитного поля отличался от π/2, соответствующего случаю, при котором подвижный магнитопровод под действием возмущений внешнего магнитного поля может совершать движения только в направлениях, отличных от продольного, т.е.

- угол α (α_min) между продольной осью подвижного магнитопровода и направлением возмущений внешнего магнитного поля должен быть таким, чтобы внешние возмущения магнитного поля, не экранировались краевыми постоянными магнитными элементами 2 и 3, а проникая между постоянными магнитными элементами 10 какой-либо из магнитных направляющих, могли оказывать воздействие на подвижный постоянный магнитный элемент 4 или дополнительный подвижный постоянный магнитный элемент 6 подвижного магнитопровода, т.е. необходимо, чтобы

где l - расстояние между краевыми постоянными магнитными элементами 2 и 3;

h - наибольшая ширина краевого постоянного магнитного элемента 2 или 3.

Тогда окончательное соотношение для угла α приобретает вид:

Для получения наибольшего эффекта необходимо, чтобы скорость перемещения подвижного магнитопровода была максимальной [1].

Рассмотрим гармонические колебания подвижного магнитопровода, определяемые выражением

где Х_м - координата перемещения подвижного магнитопровода;

А - амплитуда перемещения подвижного магнитопровода;

f - частота колебаний подвижного магнитопровода;

t - время.

Скорость перемещения колеблющегося магнитопровода можно определить, продифференцировав по времени t выражение (4)

Из теории колебаний известно, что амплитуда колебаний подвижного магнитопровода и скорость его движения будут максимальными, если собственная частота этих колебаний будет совпадать с частотой какой-либо гармоники из спектра колебаний внешней возмущающей силы (в данном случае возмущения магнитного поля), т.е. когда возникнет явление резонанса и когда подвижный магнитопровод является слабодемпфированным, т.е. вязкое трение при его движении является очень малым, а сухое трение отсутствует.

С другой стороны, для увеличения скорости перемещения подвижного магнитопровода в соответствии с выражением (5) необходимо, чтобы собственная частота f колебаний подвижного магнитопровода, определяемая выражением

где m - масса подвижного магнитопровода;

С - жесткость магнитной подвески,

была максимальной.

Из выражения (6), в частности, следует, что увеличение собственной частоты колебаний подвижного магнитопровода может быть достигнуто путем уменьшения его массы при обеспечении соответствующей жесткости магнитной подвески путем изменения намагничеснности составляющих подвеску магнитных элементов (2, 10 и 4, 3, 10 и 6).

Поэтому наиболее эффективным является выполнение заявленного устройства в микроисполнении с помощью, например, нанотехнологий. Объединение таких наноустройств в батарею с последовательным, параллельным или комбинированным последовательно-параллельным соединением позволяет повысить или генерируемое напряжение, или генерируемый ток, вырабатываемый батареей магнитоэлектрических генераторов, или то и другое вместе взятое, а их наноисполнение позволяет создать компактную микромодульную конструкцию небольшой массы, генерирующую электроэнергию.

Кроме этого соединенные в батарею отдельные магнитоэлектрические генераторы могут быть выполнены таким образом, что собственные частоты колебаний их подвижных магнитопроводов совпадают с частотами разных гармоник из спектра возмущений внешнего магнитного поля и (или) сориентированы под указанным углом к разным источникам возмущений внешнего магнитного поля. Тогда интенсивность выработки электроэнергии такой батареей возрастает многократно.

Таким образом, заявленный магнитоэлектрический генератор за счет магнитомеханических резонансных явлений его подвижного магнитопровода позволяет вырабатывать электрический ток без внешних затрат механической, тепловой, световой и электрической энергии. Выполнение заявленного магнитоэлектрического генератора в наноисполнении позволяет создать компактное микромодульную устройство небольшой массы, генерирующее электроэнергию за счет возмущений внешнего магнитного поля, которое может быть использовано в космической технике для длительных исследований планет солнечной системы, обладающих магнитным полем, с помощью космических аппаратов и зондов, а также в отраслях электроэнергетики и в быту.

Источники информации

1. Курс общей физики. Ч 2. Киев.: Днiпро, 1994, стр.260-263.

2. Меркулов А.П. Магнитные поля - труженики. М.: Машиностроение, 1978, стр.141, 143.

3. Патент РФ №2206170 - прототип.

Магнитоэлектрический генератор, содержащий корпус, внутри которого установлены два краевых постоянных магнитных элемента, размещенные на противоположных его концах, и установленный внутри корпуса с возможностью перемещения между краевыми постоянными магнитными элементами подвижный постоянный магнитный элемент, взаимодействующий с замкнутым на выпрямитель электропроводящим контуром, отличающийся тем, что в него введен дополнительный электропроводящий контур, замкнутый на дополнительный выпрямитель, а один из полюсов подвижного постоянного магнитного элемента тягой из немагнитного материала жестко вдоль одной оси соединен с одноименным полюсом дополнительного подвижного постоянного магнитного элемента, также установленного внутри корпуса с возможностью перемещения между краевыми постоянными магнитными элементами, при этом подвижный постоянный магнитный элемент обращен одноименным полюсом к первому краевому постоянному магнитному элементу, а дополнительный подвижный постоянный магнитный элемент обращен одноименным полюсом ко второму краевому постоянному магнитному элементу, причем подвижный постоянный магнитный элемент, тяга и дополнительный подвижный постоянный магнитный элемент образуют подвижный магнитопровод, который установлен с зазором в корпусе, при этом корпус выполнен из диэлектрического материала, а в его стенке выполнен один и более сквозных пазов, длина каждого из которых равна или больше расстояния между краевыми постоянными магнитными элементами, при этом с внешней стороны корпуса между двумя плоскостями, перпендикулярными корпусу и пересекающими зону, прилежащую к полюсу подвижного постоянного магнитного элемента, взаимодействующего с одноименным полюсом первого краевого магнитного элемента, и между двумя плоскостями, перпендикулярными корпусу и пересекающими зону, прилежащую к полюсу дополнительного постоянного магнитного элемента, взаимодействующего с одноименным полюсом второго краевого магнитного элемента, установлено по магнитной направляющей из трех и более равноудаленных друг от друга постоянных магнитных элементов, причем постоянные магнитные элементы первой магнитной направляющей обращены одноименными полюсами к одноименному полюсу подвижного постоянного магнитного элемента, а постоянные магнитные элементы второй магнитной направляющей обращены одноименными полюсами к одноименному полюсу дополнительного подвижного постоянного магнитного элемента, при этом электропроводящий контур установлен поверх корпуса между плоскостями, перпендикулярными корпусу и пересекающими зону, прилежащую к полюсу подвижного постоянного магнитного элемента, соединенного с тягой, а дополнительный электропроводящий контур установлен поверх корпуса между плоскостями, перпендикулярными корпусу и пересекающими зону, прилежащую к полюсу дополнительного подвижного постоянного магнитного элемента, также соединенного с тягой, при этом продольная ось подвижного магнитопровода направлена к линии направления возмущений внешнего магнитного поля под углом α, определяемого соотношением

arctg(l/h)<|α\<π/2,

где l - расстояние между краевыми постоянными магнитными элементами;

h - наибольшая ширина краевого постоянного магнитного элемента.