ГЕНЕРАТОР ТОКА
CURRENT GENERATOR

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано при создании автономных низковольтных источников питания радиоэлектронных приборов.
Генератором принято называть машину, которая преобразует механическую энергию в электрическую. Работа генератора основана на использовании явления электромагнитной индукции.
н
н
Известен генератор тока (Кузнецов М.И. Основы электротехники. Под ред. д.т.н. С.В.Страхова. Издание 9-е, исправленное. М.: Высшая школа. 1964, с.177), в котором реализуется способ создания электродвижущей силы (ЭДС) в контуре на основе катушки на базе якоря, который взаимодействует с постоянным электромагнитом на базе статора. При этом витки катушки якоря двигаются относительно силовых линий постоянного электромагнита статора. В генераторе якорь с обмоткой катушки вращается первичным двигателем в магнитном поле полюсов N и S электромагнита статора, питание которого осуществляется от источника питания через гасящий резистор. ЭДС, индуцируемая в проводниках обмотки якоря при помощи коллектора и щеток, отводится во внешнюю цепь. При подключении к выводам катушки цепи нагрузки Z в последней возникает благодаря коллекторной цепи постоянный ток I, величина которого зависит от величины магнитного поля электромагнита статора, скорости и направления изменения положения витков катушки якоря относительно силовых линий электромагнита статора, а также от количества витков в самой катушке якоря.
Недостатком известного устройства является необходимость обязательного наличия механического привода для перемещения контура на базе якоря относительно силовых линий постоянного электромагнита статора.
п
п
н
н
Наиболее близким к заявляемому генератору тока является устройство (Кузнецов М.И. Основы электротехники. Под ред. д.т.н. С.В.Страхова. Издание 9-е, исправленное. М.: Высшая школа. 1964, с.199, 335), в котором способ создания ЭДС реализуется взаимодействием постоянного электромагнита на базе якоря с контуром на основе катушки на базе статора. При этом силовые линии постоянного электромагнита якоря двигаются относительно витков катушки статора. Сущность конструктивного решения прототипа раскрывает фиг.1. В генераторе якорь вращается первичным двигателем, а величина магнитной составляющей достигается подачей величины тока питания посредством токоведущих колец от источника Е через гасящее сопротивление R. ЭДС, индуцируемая в проводниках обмотки статора, напрямую отводится во внешнюю цепь. При подключении к выводам катушки цепи нагрузки Z в последней возникает переменный ток I, величина которого зависит от величины магнитного поля электромагнита якоря, скорости изменения силовых линий электромагнита якоря относительно положения витков катушки статора, а также от количества витков в самой катушке статора. В конечном итоге переменный ток может быть преобразован в постоянный с помощью, например, выпрямителя на базе диодов.
К недостатку прототипа следует отнести необходимость обязательного наличия механического привода для перемещения полюсов N и S электромагнита якоря (его силовых линий) относительно витков катушки статора.
Общим признаком известных генераторов тока является вариация преобразования механической энергии привода катушки или электромагнита в электрическую.
Общим недостатком известных генераторов тока является необходимость наличия постоянного механического привода якорной системы.
Технический результат изобретения состоит в создании генератора тока, свободного от необходимости наличия постоянного механического привода, запуск которого осуществляется однократно, функционирует автономно, а жизненный цикл составляет от нескольких лет до несколько десятков лет.
Предлагаемый генератор тока содержит неподвижный контур на основе катушки, выходы которой подключены к нагрузке, а ее витки пересекаются силовыми магнитными линиями магнитной системы. Магнитная система является неподвижной относительно контура на основе катушки и конструктивно реализуется кольцевым ртутным магнитопроводом и возбудителем на основе лазера накачки. Кольцевой ртутный магнитопровод располагается внутри витков катушки контура. Лазер накачки подсоединен к специальному входу кольцевого ртутного магнитопровода и конструктивно вынесен за пределы контура. Управление лазером накачки осуществляется импульсным генератором через схему запуска лазера. Вся конструкция за исключением элементов управления лазером накачки и нагрузки генератора тока помещена в криогенную ванну с жидким азотом.
Сущность конструктивного решения заявляемого генератора тока раскрывает фиг.2.
н
н
Неподвижный контур на основе катушки (5), внешняя цепь которого подключена к выводам катушки и содержит нагрузку Z (в последней возникает ток I), взаимодействует с кольцевым ртутным магнитопроводом (4). Конструктивно кольцевой ртутный магнитопровод (4) расположен внутри витков катушки контура (5). К его специальному входу подключен лазер накачки (3). Конструктивно лазер накачки (3) вынесен за пределы контура (5). Управление лазером накачки (3) осуществляется импульсным генератором (1) через схему запуска (2).
Общими для заявляемого устройства и прототипа являются следующие признаки:
- контур на основе катушки;
н
н
- внешняя цепь подключена к выводам катушки и содержит нагрузку Z (в последней возникает ток I).
Отличительными от прототипа являются следующие признаки:
- лазер накачки;
- схема управления лазера накачки на основе импульсного генератора и схемы запуска;
- кольцевой ртутный магнитопровод;
- конструктивно лазер накачки подключен к специальному входу кольцевого ртутного магнитопровода и вынесен за пределы контура;
- вся конструкция генератора тока за исключением нагрузки и схемы управления лазером накачки помещена в криогенную ванну с жидким азотом.
Работа генератора тока осуществляется следующим образом.
н
н
При выработке импульсным генератором (1) через схему запуска (2) в цепь питания лазера накачки (3) исполнительного сигнала последний формирует единичный световой импульс энергии. За счет поглощения энергии светового импульса лазера накачки (3) в ртутном магнитопроводе (4) возникает пульсовая энергетическая волна. Направленное движение пульсовой энергетической волны в ртутном магнитопроводе (4) возбуждает эквивалентную пульсовую магнитную волну. Направленно перемещаемая в пространстве пульсовая магнитная волна взаимодействует с витками катушки контура (5) и за счет явления электромагнитной индукции приводит к появлению ЭДС на ее выводах. При подключении к выводам катушки (5) цепи нагрузки Z в последней возникает ток I, величина и направление которого зависят от величины энергии пульсовой магнитной волны, скорости и направления изменения ее положения относительно витков катушки, а также от количества витков в самой катушке.
Размещение конструкции генератора тока в криогенной ванне (6) с жидким азотом резко повышает добротность кольцевого ртутного магнитопровода (4), что позволяет поддержать исходную мощность одиночной пульсовой энергетической волны достаточно стабильной во времени.
Как следует из работы и конструкции генератора тока, для работы устройства достаточно однократно запустить кольцевую схему ртутного магнитопровода. Последующее управление работой кольцевого ртутного магнитопровода недопустимо из-за риска физического разрушения магнитопровода за счет столкновения гребней соседних пульсовых энергетических волн.
Как следует из описания работы заявленного генератора тока, реализация механического привода для перемещения магнитных силовых линий относительно витков катушки контура не требуется. Эти функции реализует со своей схемой управления (1) и (2) лазер накачки (3) совместно с кольцевым ртутным магнитопроводом (4).
Рассмотрим пример конкретного осуществления предлагаемого генератора тока.
н
н
н
Для проверки способа был создан макет контура на основе катушки (соленоида), внешняя цепь которого подключена к выводам катушки и содержит нагрузку Z=R=100,0 кОм. Кольцевой ртутный магнитопровод моделировался капиллярной трубкой, наполненной ртутью (Hg), с внутренним диаметром 10,0 см. Для подключения полупроводникового лазера в него вваривался линейный участок 3,0 см с общей ртутной составляющей. Катушка на каркасной основе была реализована технологически на готовом кольцевом магнитопроводе и содержала 3000,0 витков медного провода диаметром 0,15 мм. В качестве лазера накачки использовался импульсный полупроводниковый лазер с рабочей длиной волны в области инфракрасного диапазона и мощностью 10,0 мВт. Конструкция генератора тока была помещена в криогенную ванну. На активной нагрузке R при максимальной мощности лазера накачки в 10,0 мВт фиксировалось импульсным вольтметром напряжение порядка 0,75 В. Устройство показало стабильную работу в течение срока испытаний. Срок составил один месяц.
Использование заявляемого генератора тока позволяет создавать автономные низковольтные источники питания, свободные от необходимости наличия постоянного механического привода, жизненный цикл которых может составлять от нескольких лет до несколько десятков лет.