Генератор постоянного тока

Генератор постоянного тока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электротехнике и физике магнетизма, в частности к электромагнитным явлениям, обусловливающим возбуждение ЭДС индукции при взаимодействии катушки из проводника с магнитным полем.

Широко известно явление электромагнитной индукции - силовое движение проводника с током, помещенного в скрещенное магнитное поле, или возбуждение ЭДС индукции в проводнике, движущемся под действием внешней силы в скрещенном магнитном поле по отношению к вектору движения проводника [1-3]. Известно, что в проводнике длиной L, движущемся со скоростью v в поперечном магнитном поле с индукцией В, индуцируется ЭДС, вычисляемая по формуле Е=ВLvsinψ, где ψ - угол между вектором В и направлением вектора скорости v проводника.

Известны аналоги решения задачи генерирования постоянного тока. Так, в 1821 году знаменитый английский физик М.Фарадей продемонстрировал вращение проводящего диска, помещенного в поперечное к плоскости диска магнитное поле постоянного магнита и подключенного к источнику постоянного тока через скользящие контакты, один из которых связан с осью вращения диска, а другой - с ободом диска, при этом радиальные токи в диске, ортогональные вектору магнитной индукции, возбуждают Лоренцевы силы, приложенные к диску и направленные по касательным к различным его точкам, что создает суммарный вращательный момент, обеспечивающий вращение диска. Аналогичное устройство в 1824 году было создано Барлоу. В случае вращения диска Фарадея в поперечном магнитном поле возникает постоянная ЭДС между осью вращения диска и его ободом. Таким образом, одна и та же конструкция может работать и как двигатель, и как генератор постоянного тока.

Ближайшим аналогом заявляемому техническому решению (прототипом) является униполярная машина без скользящих контактов, впервые заявленная в патенте РФ №2391761 того же автора [4] и в дальнейшем развитая им в патенте РФ №2467464 для решения задачи, не связанной с получением вращательного движения [5].

Известное устройство - бесколлекторный двигатель постоянного тока, содержащий неподвижный статор и ротор с осью вращения, отличающийся тем, что статор выполнен в виде полого цилиндрического магнитопровода, внутри которого размещены по его концам первая и вторая секции из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника каждая, в первой и второй секциях кольцевых ребер магнитопроводника ко всей их поверхности закреплен соответственно первый и второй ребристо-цилиндрический электропроводник, оба указанных ребристо-цилиндрических электропроводника статора выполнены из медной фольги склеиванием или путем напыления слоя меди на поверхности кольцевых ребер первого и второго магнитопроводников и не имеют с ними электрического контакта, внутренние концы первого и второго ребристо-цилиндрических электропроводников соединены с внутренними медными кольцевыми электродами, а их внешние концы - с внешними медными кольцевыми электродами через медные крышки-соединители, ротор выполнен в виде цилиндрического электромагнита с расположенными по его концам двумя одинаковыми первой и второй секциями из нескольких кольцевых ребер магнитопроводника, например из стали, которые входят в пазы соответственно первой и второй секций кольцевых магнитопроводов статора с малыми зазорами между ними, в средней части ротора неподвижно и бесконтактно к нему соосно размещена катушка подмагничивания, один конец которой соединен с первым внутренним медным кольцевым электродом первого ребристо-цилиндрического электропроводника, а второй - ко второму внешнему медному кольцевому электроду второго ребристо-цилиндрического электропроводника, при этом выходные зажимы двигателя соединены соответственно с первым внешним медным кольцевым электродом первого ребристо-цилиндрического электропроводника и со вторым внутренним медным кольцевым электродом второго ребристо-цилиндрического электропроводника.

По существу такое устройство представляет собой униполярную машину без скользящих контактов с «двувитковой» рабочей обмоткой и обмоткой подмагничивания ротора с весьма низким внутренним сопротивлением, что относится к недостаткам устройства, поскольку это сопровождается значительными потерями электроэнергии на подводящих проводниках от источника постоянного тока при работе машины в режиме двигателя, и последнее снижает КПД такого электродвигателя. Другим недостатком устройства-прототипа является сложность его изготовления, в частности, при обеспечении необходимого зазора между проводящими элементами рабочих обмоток от ребристого тела статора для повышения вращательного момента, возникающего во вращающемся роторе, из-за недостаточного перераспределения сил Лоренца, действующих на ротор и статор - полюсы магнитной системы. Такая униполярная машина может работать в режиме генерирования постоянного тока при вращении ее намагниченного ротора.

Указанные недостатки устранены в заявляемом техническом решении.

Целями изобретения являются упрощение конструкции и повышение ЭДС индукции в бесконтактном генераторе постоянного тока.

Поставленные цели достигаются в заявляемом генераторе постоянного тока, содержащем ротор и статор с наложенной на него рабочей обмоткой, отличающемся тем, что ротор выполнен в виде прямого магнита, один магнитный полюс которого расположен на оси вращения ротора, а другой - вблизи рабочей обмотки статора, а статор представляет собой ферромагнитный тороид, соосный оси вращения ротора, на котором намотана рабочая обмотка в один или несколько слоев виток к витку по всей поверхности ферромагнитного тороида, а также совмещен снаружи с ферромагнитным тороидальным корпусом, при этом витки рабочей обмотки находятся в пазах между двумя половинами статора, а части витков рабочей обмотки, находящиеся в промежутке между ротором и статором, удалены от статора на некотором расстоянии применением промежуточного тороида из немагнитного материала.

Достижение поставленных целей объясняется очевидной простотой конструкции ротора и возбуждением ЭДС последовательно во всех частях витков рабочей обмотки, обращенных к ближайшему полюсу прямого магнита-ротора, движущегося относительно этих частей рабочей обмотки при его вращении, а также многовитковостью рабочей обмотки, в силу чего парциальные ЭДС, индуцируемые в каждой из названных частей витков рабочей обмотки, складываются в последовательной цепи.

Заявляемое устройство представлено на рис.1 в виде разрезов вида сверху и сбоку. На рис.2 показано действие правила «левой руки» применительно к работе двигателя, а на рис.3 показано, как распределяются силы противодействия от витка с током в поперечном магнитном поле на источники магнитного поля - полюсы ротора и статора двигателя. При этом рабочая обмотка наложена на неподвижный статор на некотором расстоянии δ от него и отстоит от ротора на расстоянии σ-δ от центра проводника рабочей обмотки диаметром d, при этом σ - магнитный зазор тороидальной формы, внутри которого магнитная индукция В создана магнитным полюсом прямого магнита-ротора шириной h, расположенном от оси вращения ротора на расстоянии R (радиуса ротора), как это видно на рис.1.

Элементы конструкции, используемые в устройстве для обеспечения статической и динамической балансировки ротора, на рис.1 для простоты не показаны.

Генератор постоянного тока (он же и двигатель постоянного тока), показанный на рис.1, содержит:

1 - рабочую многовитковую обмотку, распределенную по всей тороидальной поверхности,

2 - ферромагнитный тороид,

3 - ротор в виде прямого магнита с округлыми полюсами, один полюс которого находится в непосредственной близости от рабочей обмотки (и ферромагнитного тороида - статора), а другой совмещен с осью вращения ротора,

4 - ось вращения ротора,

5 - подшипники оси вращения ротора, закрепленные на корпусе устройства,

6 - корпус генератора (двигателя), включающий ферромагнитное кольцо второй части статора (стальное) с боковыми крышками для крепления подшипников 5,

7 - промежуточный тороид из немагнитного материала (например, из материала Д-16).

Рассмотрим работу генератора (двигателя) постоянного тока.

Сначала обратимся к рассмотрению известного правила «левой руки» (рис.2). На прямой проводник длиной L с постоянным током I, находящийся в скрещенном к нему магнитном поле с индукцией В, действует сила F, при этом направление тока в прямом проводнике (по направлению четырех пальцев ладони левой руки), вектор магнитной индукции (входящий в ладонь левой руки) и сила Лоренца (по направлению оттопыренного большого пальца левой руки) направлены по трем взаимно перпендикулярным осям декартовой системы координат. Согласно третьему закону Ньютона сила действия F на какой-либо материальный объект - в данном случае на проводник - вызывает равную и противоположно направленную силу противодействия, опирающуюся на другой объект действия - в данном случае на магнитные полюсы статора и ротора. Поскольку сила противодействия воздействует на оба магнитных полюса, между которыми создано нематериальное магнитное поле, то она разлагается на две составляющие (рис.3) по известному правилу параллелограмма, величины которых определяются соотношением расстояний от проводника до ротора (σ-δ) и до статора (δ), так что угол φ=(σ-δ)π/2σ.

Составляющая силы противодействия, приложенная к статору, работы не производит, так как статор неподвижен, а составляющая силы противодействия, приложенная к подвижному ротору, вызывает его вращение по правилу «правой руки».

Как известно, сила действия на проводник равна F=-BLI (рис.3). При этом касательная сила F_P, действующая на ротор, равна F_p=Fcos²φ=BLIcos²[(σ-δ)π/2σ], а вращательный момент, приложенный к ротору от одиночного проводника, равен M₁=F_pR, где R - радиус ротора. Если во взаимодействии с магнитным полем принимает участи N витков рабочей обмотки, то общий вращательный момент M_S=NF_pR. При вращении ротора с угловой скоростью ω полезная механическая мощность двигателя равна Р_МЕХ=ωM_S.

При работе устройства в режиме генератора возникающая в одиночном проводнике ЭДС индукции E₁=BLv, где v=ω R - линейная скорость движения проводника в поперечном магнитном поле или, что то же - движения магнитного поля относительно неподвижного проводника (согласно принципа относительности движения). Как видно на рис.1, постоянный магнит 3 шириной h охватывает своим магнитным полем группу витков N из общего их числа, равного N_O, в рабочей обмотке 1. При этом можно считать с учетом действия краевых эффектов магнитного поля, что N>(h/2πR)N_O. Поэтому в любой момент времени генерируемая ЭДС равна E=NE₁>BLωN_Oh/2π=BLFN_Oh, где F=ω/2π - частота вращения ротора (об/сек). Иначе говоря, с рабочей обмотки в нагрузку при этом протекает ПОСТОЯННЫЙ ток. Важно, что устройство не содержит никаких скользящих контактов.

Необходимо отметить, что в генерировании постоянного тока принимает участие только та часть витков рабочей обмотки, которая находится в магнитном зазоре между полюсом магнита и статором. Та часть витков, которая находится внутри составного ферромагнитного статора из элементов 2 и 6, не принимает участия в возбуждении ЭДС (противоположного знака полярности), поскольку экранирована от действия магнитного поля.

С целью доказательства работоспособности заявляемого устройства автором был изготовлен упрощенный макет и проведены его успешные испытания. На стальной пластине размерами 350×80×8 мм³, на которую с одной ее стороны была наложена резиновая пластина толщиной 5 мм, была намотана виток к витку рабочая двухслойная обмотка проводником ПЭВ-2 диаметром 0,85 мм с длиной намотки около 250 мм. Затем на ту сторону пластин с обмоткой, на которой имелась резиновая прокладка (немагнитного материала), был положен тонкий лист стеклотекстолита для снижения трения скольжения, и на этот лист положен неодимовый магнит (Nd Fe В) размером 50×50×20 мм³ одним из его полюсов. При этом между этим полюсом магнита и стальной пластиной возникало сильное квазиоднородное магнитное поле с индукцией В, значение которой автору не известно. Полувитки обмотки имели длину 90 мм. Полное число витков в рабочей обмотке было N_O=600 витков, так что на длине магнитного полюса 50 мм их число составляло N=600×50/250=120 витков. При этом общая длина проводников, находящихся одновременно в магнитном поле, имели длину 120×50=6000 мм = 6 м из общей длины проводника во всей рабочей обмотке, равной 120 м, то есть из общей длины проводника в каждый момент времени полезно использовалось только 5% всего проводника. Сопротивление обмотки составило величину r=3 Ом. При сравнительно медленном движении магнита рукой в одном направлении было зафиксировано прибором напряжение ПЛЮС 92, 1 мВ, а при более быстром движении этого магнита в противоположном направлении напряжение составляло МИНУС 107,7 мВ. Это продемонстрировало, что значение возникающей ЭДС ПОСТОЯННОГО тока определяется скоростью движения магнитного поля, а знак полярности определяется направлением протекания постоянного тока в полувитках рабочей обмотки.

Одновременно проверялась работа этого макета в режиме двигателя. При постоянном токе в рабочей обмотке в 3,2 А подвешенный над рабочей обмоткой на нити магнит отклонялся и фиксировался как неподвижный в этом отклоненном от вертикали положении, а при замене направления тока в рабочей обмотке на противоположное отклонение магнита от вертикали возникало в другом направлении, что указывало на силовое действие магнитного поля магнита, отталкиваемого от полувитков рабочей обмотки с протекающим в них током по правилу «правой руки». При этом возникающая сила Лоренца преодолевала как вес самого магнита в 420 г, так и силу его притяжения к стальной пластине, отклоняя магнит приблизительно на 15° от вертикали, проведенной из середины рабочей обмотки. Длина подвеса была порядка 0,5 м. Расстояние магнита от обмотки в невозмущенном состоянии составляло около 80 мм.

Опытным путем доказан факт «вмороженности» магнитных силовых линий магнита в его домены [4, 5]. Для этого на одну из граней тороидально намотанной на ферритовом кольце (марки М2000НМ) катушки, содержащей 500 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,16 мм, был наложен полюс неодимового магнита указанного выше размера, который создавал магнитное поле для всей катушки в целом. После этого магнит поворачивался рукой относительно оси симметрии катушки и в ней возникала ЭДС индукции (БЕЗ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ВО ВРЕМЕНИ!!!), знак которой определялся направлением вращения магнита, а величина - скоростью его вращения относительно неподвижной катушки. Это позволило автору полагать, что известное второе уравнение Максвелла rotE=-∂B/∂t должно быть дополнено членом, связанным с движением (вращением) постоянного магнита в пространстве, то есть иметь вид: rotE=-∂B/∂t+div(v_*В), которое в рассматриваемом опыте при постоянной скорости движения постоянного магнита относительно рабочей обмотки приводится к выражению: rot Е=v_*grad В в соответствии с правилами векторной алгебры.

Литература

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

2. Л.Д. Ландау, Е.М.Лифшиц, Электродинамика сплошных сред, 2 изд., М., 1982.

3. Дж. Джексон, Классическая электродинамика, пер. с англ., М., 1965.

4. О.Ф. Меньших, Бесколлекторный двигатель постоянного тока, Патент РФ №2391761, опубл. в бюлл. №16 от 10.06.2010.

5. О.Ф. Меньших, Прибор для измерения спектра сигнала индукции в магнитно связанной системе, Патент РФ №2467464, опубл. в бюл. №32 от 20.11.2012.

Генератор постоянного тока, содержащий ротор и статор с наложенной на него рабочей обмоткой, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде прямого магнита, один магнитный полюс которого расположен на оси вращения ротора, а другой вблизи рабочей обмотки статора, а статор представляет собой ферромагнитный тороид, соосный оси вращения ротора, на котором намотана рабочая обмотка в один или несколько слоев виток к витку по всей поверхности ферромагнитного тороида, а также совмещен снаружи с ферромагнитным тороидальным корпусом, при этом витки рабочей обмотки находятся в пазах между двумя половинами статора, а части витков рабочей обмотки, находящиеся в промежутке между ротором и статором, удалены от статора на некотором расстоянии применением промежуточного тороида из немагнитного материала.