СПОСОБ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ РАДИАЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
METHOD ELECTRIC MACHINE OF RADIAL MOTION OPERATION

Изобретение относится к способу прямого преобразования потоков жидкостей и газов в трубопроводах в электрическую энергию, а именно к способу работы электрической машины радиального движения, и может быть использовано для питания датчиков и приборов, установленных на трубопроводах в труднодоступных для централизованного энергоснабжения и удаленных районах нефтедобычи и нефте-газоперекачки и передачи информации по измеряемым параметрам. Электрическая машина радиального движения (ЭМРД) вырабатывает электроэнергию на основе использования магнитогидродинамического (МГД) эффекта, возникающего при взаимодействии потока воды, электролитов, проводящей жидкости с внешним магнитным полем.
МГД-генерация (МГДГ) - генерация электрической энергии путем непосредственного преобразования энергии потока рабочего тела (электропроводящей среды), движущегося во внешнем магнитном поле. Суть явления заключается в том, что при движении рабочей среды в магнитном поле в ней индуцируется (наводится) электрический ток. Это проявление эффекта отклонения заряженных частиц к электродам в магнитном поле под действием силы Лоренца, являющейся произведением величины заряда q на векторное произведение скорости потока v на величину магнитной индукции поля В по формуле:
/
Накапливающиеся на электродах заряды создают электрическое поле E формирующее ток, для описания которого используется закон Ома, устанавливающий связь тока с электрическим и магнитным полями. В отсутствие эффекта Холла он имеет вид:
Коэффициент пропорциональности σ между j и Е' есть удельная электрическая проводимость среды.
е
e
е
e
e
e
i
Но в некоторых средах (жидкости, газы, полупроводники) может проявляться эффект Холла. Действительно, под действием поля электроны е плотностью n (числом электронов в единице объема) будут еще двигаться относительно среды со средней скоростью v, создавая дополнительный электрический ток плотностью j=(-e)nv. Полная скорость е будет (v+v), при этом можно считать, что скорость ионов пренебрежима и v=0 в силу их большой массы. Полная сила, действующая на электрон со стороны электрического и магнитного полей, будет:
e
e
е
e
e
e
e
e
e
e
e
e
е
e
e
/
/
/
За счет этой силы F электрон движется и испытывает соударения с окружающими частицами и ионами. Сила F, действующая на электрон, движущийся из-за соударений, направлена против его скорости и будет тем больше, чем больше масса электрона m, относительная скорость v и число соударений ν в единицу времени: F=-mvν=-mv/τ, где τ - время между его соударениями с другими частицами. При установившемся процессе F=F и
e
c
c
e
e
с
е
е
е
2
Подставляя v=(-j/en) в ур.(4), используя соотношение σ=еnτ/m и учитывая, что еВ/m=ω - циклотронная частота вращения электрона в магнитном поле В, получим значение наводимого тока J с параметром β=ωτ по обобщенному закону Ома:
[Специальные электрические машины: учеб. пособие для вузов / под ред. А.И. Бертинова; изд. Букинист, 1982. с. 72].
z
Для МГД-генерации обычно используют МГД-генераторы Фарадея, в которых верхняя и нижняя стенки канала - сплошные проводящие электроды, боковые стенки - непроводящие. Магнитная система создает в канале магнитное поле В. Если электроды замкнуты на пассивную электрическую цепь с омической нагрузкой, а рабочая среда (электролит, вода, газ, плазма) движется в канале под внешним воздействием, на проводящих электродах появляется электродвижущая сила (ЭДС) ε, подобная той, которая возникает в электромеханическом генераторе при движении проводника в поперечном магнитном поле, а напряжение на электродах будет равно U=E⋅h, где h - высота канала.
у
z
x
x
z
Если принять систему координат, в которой поток рабочей среды направлен вдоль оси x, вектор магнитной индукции - вдоль оси y, то наведенная электрическая напряженность Е=v×B (ЭДС на единицу длины) направлена вдоль оси z. Но если электроды сплошные, то при существенных значениях параметра Холла β≥1 может проявляться эффект Холла, заключающийся в том, что в поперечном магнитном поле В вектор плотности тока j поворачивается на некоторый угол по отношению к вектору электрической напряженности E. Его продольная (вдоль направления потока) составляющая j будет замыкаться через сплошные электроды и станет бесполезной. Этого можно избежать, если электроды сделать секционированными - набирать из отдельных изолированных друг от друга электродных секций, и когда каждая секция подключается к отдельной нагрузке. В этом случае j=0 и ток в канале имеет только составляющую j, но это означает потерю существенной части j. К недостаткам секционированного МГДГ относится также сложность электрической цепи из-за большого числа независимых нагрузок и низкое выходное напряжение.
x
Таким образом, в способе работы МГДГ существует проблема низкой эффективности, связанная с влиянием эффекта Холла, конструкцией и сложностью электрической цепи, а также низкой проводимостью, когда рабочей средой является жидкость и газ. В способе работы МГДГ может проявляться эффект Холла (β≥1), заключающийся в том, что в поперечном магнитном поле вектор плотности тока j поворачивается на угол θ по отношению к вектору Е и j становится малоэффективной, поскольку по мере увеличения β продольная составляющая j замыкается через электроды и оказываясь бесполезной, при этом из-за наличия одного канала МГДГ дает недостаточное значение ЭДС ε, особенно когда в качестве рабочей среды используются вода, газ и другие рабочие среды с малой удельной электрической проводимостью σ. То есть возникает необходимость увеличения числа каналов и времени воздействия полей на рабочую среду в одном МГДГ. В соответствии с уравнением (2) для увеличения плотности тока j необходимо повысить удельную электрическую проводимость рабочей среды.
Решение проблемы низкой эффективности способа работы МГДГ видится в следующем.
1. Вместо того чтобы бороться с холловским током с β≥1, можно использовать его для генерирования электрической мощности. Для этого рационально использовать канал, состоящий из проводящих взаимно изолированных рамок, со сдвигом Δ соединенных диагональными перемычками - т.н. диагональный кондукционный МГДГ. В диагональном МГДГ проводящие рамки наклонены к оси канала под углом θ:
H
[Специальные электрические машины: учеб. пособие для вузов / под ред. А.И. Бертинова; изд. Букинист, 1982. с. 510, рис. 12.5, 12.6]. В нем первая и последняя рамки замкнуты на нагрузку R, т.е. при β≥1 продольный холловский ток с помощью рамок на входе и выходе также замыкается через нагрузку.
ν
Каждый поперечный слой канала в нем является элементарным генератором, в котором ток совпадает по направлению с поперечным наведенным электрическим полем E=v×В. При этом кулоновское электрическое полe Е будет направлено перпендикулярно наклонным плоскостям рамок, поскольку они являются эквипотенциальными поверхностями и полное электрическое поле будет равно Е'=E+v×В.
Меняя угол наклона θ рамок, можно менять направления E, Е' и j. При некотором оптимальном значении угла θ плотность тока j в ЭПМ имеет только поперечную составляющую. Это позволяет получить на выходе канала значительно большие напряжения, чем у фарадеевского МГДГ. Действительно, для кондукционного диагонального МГДГ с длиной канала :
z
(для фарадеевского МГДГ, U=E⋅h), т.е. при tgθ=β напряжение диагонального МГДГ будет в  раз выше, чем у фарадеевского, поскольку появляется возможность использовать и длину  канала. Для типичных значений β=1÷2 и  эта разница может быть более чем десятикратной. К другим преимуществам диагонального МГДГ относится простота внешней электрической цепи и устойчивость работы из-за отсутствия поперечных электромагнитных сил.
Удельная мощность кондукционного диагонального МГДГ будет:
z
z
x
y
z
x
у
z
z
2
2
где k=E/vB=U/ε - коэффициент нагрузки, E, v, В - компоненты Е, v и В на оси координат z, х и y, а ε - ЭДС фарадеевского МГДГ. Таким образом, мощность генератора увеличивается с ростом σ, v и В, а выбор угла наклона перемычек (рамок) обеспечит максимальную эффективность за счет роста j и Е. Диагональный кондукционный МГДГ подобен набору элементарных источников тока, соединенных последовательно с помощью диагональных перемычек.
2. Увеличение числа каналов МГДГ и соответственно кратное увеличение ЭДС по формуле (7), когда в качестве рабочей среды используют воду, газ и другие рабочие среды с малой удельной электрической проводимостью σ, можно добиться использованием электрической машины радиального действия, в которой возможно увеличение числа радиальных каналов.
3. Увеличение плотности полезного тока j можно добиться, повысив удельную электрическую проводимости σ рабочей среды за счет известного трибоэлектрического эффекта, когда за счет трения рабочей среды о диэлектрическую поверхность, на ней появляются электрические заряды (янтарь), уносимые движущейся средой и увеличивающие ее проводимость.
Аналогом является способ работы магнитогидродинамического генератора по патенту РФ на изобретение №2456735 С1, МПК H02K 44/08, H02K 44/12, 238.01.2011, по которому МГДГ имеет каналы для электропроводящей среды, выполненные в виде сопел, обращенных перпендикулярно к оси генератора, и магнитной полюсной системой, обеспечивающей магнитный поток в зоне каналов, при этом число каналов кратно четырем, каналы соединены последовательно, причем расширяющиеся и суживающиеся области каналов расположены симметрично относительно оси МГДГ и направлены к этой оси поочередно суживающейся и расширяющейся частью.
Недостатком аналога является низкая эффективность работы ЭМРД вследствие неоднородности магнитного поля и снижения значения поля в расширяющихся областях каналов.
Прототипом является способ работы электрической машины радиального движения по патенту РФ №2346378 C1, МПК H02K 44/02, H02K 44/08, H02K 44/12, 23.10.2007, по которому электрическая машина радиального движения (ЭМРД) состоит из корпуса, выполненного из двух участков труб - внутренней и наружной, охватывающего двенадцать каналов, сужающихся от наружной трубы к внутренней.
Между каналами расположены постоянные магниты, создающие в каналах магнитный поток. В результате взаимодействия протекающего через каналы тока с потоком жидкого металла, в каналах наводится ЭДС, при этом ЭМРД содержит цилиндрический индуктор для создания магнитного потока и канал с электропроводящей подвижной массой, в которой электромагнитные и электродвижущие силы создаются во взаимодействии с магнитным полем, а каналы радиально расположены между источниками магнитного поля индуктора и выполнены сужающимися по направлению к центральной оси машины.
Недостатком прототипа является низкая эффективность работы ЭМРД из-за большого числа постоянных магнитов, создающих большое гидродинамическое сопротивление потоку рабочей жидкости, что ведет к повышению давления на входе ЭМРД.
Задачей изобретения является разработка способа работы электрической машины радиального движения, в котором устранены недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы электрической машины радиального движения за счет устранения неоднородности магнитного поля, снижения гидродинамического сопротивления путем уменьшения количества постоянных магнитов, а также за счет расширения диапазона работы на рабочие среды с низкими проводимостями путем увеличения носителей заряда, упрощения схемы электрической цепи.
Технический результат достигается тем, что в способе работы электрической машины радиального движения, содержащей корпус, постоянные магниты и рабочие каналы с электропроводящей подвижной массой с числом каналов более двух, в которых электромагнитные и электродвижущие силы создаются во взаимодействии с постоянным магнитным полем, при этом рабочие каналы радиально расположены между постоянными магнитами и выполнены сужающимися по направлению к центральной оси машины, причем рабочие каналы с электродами снабжены внешними перемычками, соединяющими их последовательно, согласно изобретению в качестве корпуса используют цилиндрический магнитопровод с входным и выходным отверстиями для электропроводной подвижной массы, в качестве постоянных магнитов используют два кольцевых и один дисковый постоянные магниты, расположенные внутри корпуса с возможностью размещения между ними рабочих каналов, в качестве электродов используют электроды, наклонно расположенные с внутренней стороны каждого рабочего канала и изолированные между собой изолирующими вставками из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением, при этом поток электропроводной подвижной массы входит в корпус через входное отверстие, движется по рабочим каналам с наклонными электродами в радиальных направлениях к периферии корпуса и при этом подвергается воздействию постоянного магнитного поля, создаваемого первым кольцевым и дисковым постоянными магнитами, затем электропроводная подвижная масса меняет направление потока на противоположное и по рабочим каналам с наклонными электродами движется от периферии к центру, подвергается воздействию постоянного магнитного поля, создаваемого дисковым и вторым кольцевым постоянными магнитами, затем электропроводная подвижная масса выходит через выходное отверстие, при этом с электродов на протяжении всех рабочих каналов за счет трибоэлектрического эффекта от изолирующих вставок из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением поступают дополнительные заряды, а на концевых крайних разнополярных выводных клеммах индуцируется электрический потенциал, который замкнут на нагрузку.
Сущность изобретения поясняется чертежами ЭМРД, которая реализует предлагаемый способ работы. На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 изображена конструкция ЭМРД в разных проекциях и два рабочих канала.
Цифрами на фиг. 1, 2 и 3 обозначены:
1 - корпус,
2 - входное отверстие для электропроводной подвижной массы,
3 - выходное отверстие для электропроводной подвижной массы,
4 - первый кольцевой постоянный магнит,
5 - второй кольцевой постоянный магнит,
6 - дисковый постоянный магнит,
7, 8 - рабочие каналы,
9 - наклонно расположенные электроды,
10 - изолирующие вставки из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением,
11 - крайние разнополярные выводные клеммы,
12 - нагрузка,
13 - внешние перемычки.
Электрическая машина радиального действия содержит корпус 1, постоянные магниты и рабочие каналы 7, 8 с электропроводящей подвижной массой (ЭПМ) с числом каналов более двух, в которых электромагнитные и электродвижущие силы создаются во взаимодействии с постоянным магнитным полем, при этом рабочие каналы 7 и 8 радиально расположены между постоянными магнитами и выполнены сужающимися по направлению к центральной оси машины, причем рабочие каналы 7 и 8 с электродами 9 снабжены внешними перемычками 13, соединяющими их последовательно.
Отличительной особенностью предлагаемого способа работы электрической машины радиального движения является то, что в качестве корпуса 1 используют цилиндрический магнитопровод с входным 2 и выходным 3 отверстиями для ЭПМ, в качестве постоянных магнитов используют два кольцевых 4, 5 и один дисковый 6 постоянные магниты, расположенные внутри корпуса 1 с возможностью размещения между ними рабочих каналов 7 и 8, в качестве электродов 9 используют электроды, наклонно расположенные с внутренней стороны каждого рабочего канала 7, 8 и изолированные между собой изолирующими вставками 10 из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением, при этом поток ЭПМ входит в корпус 1 через входное отверстие 2, движется по рабочим каналам 7 с наклонными электродами 9 в радиальных направлениях к периферии корпуса 1 и при этом подвергается воздействию постоянного магнитного поля, создаваемого первым кольцевым 4 и дисковым 6 постоянными магнитами, затем ЭПМ меняет направление потока на противоположное и по рабочим каналам 8 с наклонными электродами 9 движется от периферии к центру, подвергается воздействию постоянного магнитного поля, создаваемого дисковым 6 и вторым кольцевым 5 постоянными магнитами, затем ЭПМ выходит через выходное отверстие 3, при этом с электродов 9 на протяжении всех рабочих каналов 7 и 8 за счет трибоэлектрического эффекта от изолирующих вставок 10 из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением поступают дополнительные заряды, а на концевых крайних разнополярных выводных клеммах 11 индуцируется электрический потенциал, который замкнут на нагрузку 12.
Таким образом, отличительной особенностью предлагаемого способа работы ЭМРД является то, что:
силовые линии магнитного поля постоянных магнитов 4, 5 и 6 замыкаются через ферромагнитный корпус 1 трансформаторного («горшкового») типа, повышая значение магнитной индукции поля;
ЭПМ осуществляет радиальное движение по рабочим каналам 7 от оси корпуса 1 и рабочим каналам 8 от периферии к оси корпуса 1, двукратно увеличивая расстояние и время воздействия на нее магнитного поля для каждой пары каналов и многократно при большем числе каналов;
два кольцевых 4, 5 и один плоский 6 постоянные магниты создают однородное магнитное поле в зоне рабочих каналов 7 и 8, увеличивающее эффективность ЭМРД за счет максимального одинаково равномерного распределения тока между всеми электродами 9 по всей длине рабочих каналов 7 и 8;
диагональное расположение электродов 9, угол наклона θ которых выбирается в зависимости от параметра Холла β через уравнение tgθ=h/Δ=β, устраняет отклонение генерируемого тока от наводимого электрического поля;
внешние перемычки 13, соединяющие концевые электроды в каналах, последовательно увеличивают суммарный потенциал электродов 9;
изолирующие вставки 10 из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью повышают электрическую проводимость σ электропроводной подвижной массы;
крайние разнополярные выводные клеммы 11 замыкают суммарный потенциал электродов 9 на нагрузку 12.
Способ работы электрической машины радиального движения реализуют следующим образом.
Поток ЭПМ входит в корпус 1 через входное отверстие 2, движется по рабочим каналам 7 с внутренними наклонными электродами 9 в радиальных направлениях к периферии корпуса и при этом подвергается воздействию постоянного магнитного поля, создаваемого первым кольцевым 4 и дисковым 6 постоянными магнитами, затем ЭПМ меняет направление потока на противоположное и по рабочим каналам 8 с внутренними наклонными электродами 9 движется от периферии к центру, подвергается воздействию постоянного магнитного поля, создаваемого дисковым 6 и вторым кольцевым 5 постоянными магнитами, наклонные электроды 9 в рабочих каналах изолированы полимерными вставками 10, с которых на протяжении всех каналов за счет трибоэлектрического эффекта поступают дополнительные заряды, на концевых крайних разнополярных выводных клеммах 11 индуцируется электрический потенциал, который замкнут на нагрузку 12, затем ЭПМ выходит через выходное отверстие 3.
-5
Если использовать диагональный кондукционный МГДГ с длиной  и высотой канала (расстоянием между электродами) h=0.01 м, то согласно формуле (4) при магнитном поле В=1 Тл, проводимости 1/σ жидкости не менее 5⋅10 См⋅м, скорости потока v=12 м/с, между электродами в каналах возникнет ЭДС ε=160 мВ.
При наличии же 32 радиальных рабочих каналов (16×2) в ЭМРД с использованием конструкции фиг. 1-3, при тех же значениях параметров рабочих каналов  м и h=0.01, постоянном эффекте Холла β=2, отношении длины к высоте  и последовательном соединении электродов, получим ЭДС ε=32 В.
В предлагаемом способе работы ЭМРД генерируемая ЭДС в 200 раз превышает значение ЭДС одноканального диагонального МГДГ при тех же параметрах.
Таким образом, использование изобретения позволит повысить эффективность работы ЭМРД за счет устранения неоднородности магнитного поля, снижения гидродинамического сопротивления путем уменьшения количества постоянных магнитов, а также за счет расширения диапазона работы на рабочие среды с низкими проводимостями путем увеличения носителей заряда, упрощения схемы электрической цепи.