ЛИНЕЙНЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ

Полезная модель относится к области электрических машин, преобразующих механические возвратно-поступательные движения постоянных магнитов относительно обмоток статора в переменный электрический ток, и может быть использована в электроэнергетике в качестве автономного или аварийного источника электрической энергии, в гибридных электромобилях в качестве источника электрической энергии, в системах нетрадиционной энергетики т.п.
Известен линейный генератор переменного тока [SU 752652, Н02K 35/02, 30.07.1980], содержащий неподвижную магнитную систему и якорь в виде пластины из электропроводного материала, помещенный в заполненную жидким металлом камеру, к которой примыкают электроды, при этом камера выполнена в виде замкнутого гидравлического контура из последовательно соединенных каналов с жидким металлом, в каждом из которых имеется своя пластина из электропроводного материала.
Недостатком устройства является его технологическая сложность и относительно высокая масса, что обусловлено использованием в конструкции жидкого металла.
Известен также генератор переменного тока [RU 2173499, С2, Н02K 35/02, 10.09.2001], содержащий полый несущий цилиндрический корпус, установленные внутри него обмотки статора с магнитопроводами, две торцевые стенки, в одной из которых выполнено центральное отверстие, и якорь, выполненный в виде кольцевого магнита с полюсными наконечниками, жестко закрепленный на оси, вставленной в отверстие одной из стенок, и установленный с возможностью совершения совместно с осью возвратно-поступательных движений относительно и внутри статорных обмоток, при этом, корпус и его торцевые стенки выполнены из немагнитного материала, а обращенные к обмоткам статора участки полюсных наконечников якоря выполнены заостренными с возможностью концентрации магнитных силовых линий на них.
Недостатком этого устройства является ограниченный размерами катушек ход якоря, при движении которого магнитный поток пронизывает только часть витков обмотки катушек, что обусловливает значительное рассеивание магнитного поля. Недостатком также является сложность конструкции, требующая полюсных наконечников сложной формы.
Кроме того, известно техническое решение [RU 2494521, С2, Н02K 35/02, 27.09.2013], которое содержит статор с катушкой и якорь, у которых попарно выступы полюсов магнитопроводов в исходном состоянии располагаются напротив друг друга, причем, в каждой из упомянутых пар один из полюсов разделен на две части посредством постоянного магнита, частично формирующего выступ, вектор намагниченности которого сонаправлен с движением якоря.
Недостатком этого технического решения является еще более ограниченный ход якоря и, кроме того, поскольку магниты расположены ребром к полюсным наконечникам, для достижения заявленной в зазоре магнитной индукции между полюсными выступами, необходимы магниты с большими массогабаритными характеристиками, что увеличивает массу, размеры и стоимость генератора и снижает его КПД. Недостатком так же является сложность конструкции, требующая применения магнитопроводов сложной формы.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является линейный генератор электрической энергии на постоянных магнитах [RU 168348, U1, Н02K 35/02, 30.012014], содержащий статор, катушки с разрезными О-образными сердечниками, закрепленные на немагнитной панели, крепящейся к раме генератора, установленной на основании, с закрепленными направляющими, по которым скользят муфты, соединенные с кассетой, в которой уложены магниты, движущиеся между катушками статора.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкая область применения, не позволяющая использовать его без дополнительных доработок в системах, где, в частности, источником энергии могут служить многоцилиндровые двигатели, а также при необходимости создания более мощных линейных генераторов. Кроме того, в наиболее близком техническом решении не устранен такой недостаток, как отсутствие средств, обеспечивающих механическую уравновешенность действия встречно движущихся поршней, что снижает качественные характеристики вырабатываемой энергии. Не обеспечивается также относительно эффективное охлаждение якорей генератора, что также приводит к снижению качества вырабатываемой энергии и снижает надежность устройства.
Все это сужает арсенал технических средств, которые могут быть использованы в качестве линейных генераторов электрической энергии.
Задачей настоящей полезной модели является расширение арсенала технических средств, которые могут быть использованы в качестве мощных линейных генераторов электрической энергии и создание генератора на постоянных магнитах, в котором который устранены указанные выше недостатки.
Требуемый технический результат заключается в повышении мощности и качества вырабатываемой энергии.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в линейном генераторе электрической энергии на постоянных магнитах, содержащем магнитопровод с находящимися на нем электрическими обмотками и установленной в нем первой камерой, в которой имеется якорь с постоянными магнитами, выполненный с возможностью движения посредством действия на него по разные стороны штоков от соответствующей ему пары поршней, отличающийся тем, что введены три камеры, аналогичные первой, которые соединены с ней через каналы во фланцевых плитах гидравлически последовательно, причем, штоки, используемые для соответствующих им пар поршней, выполнены с возможностью соединения через блоки уплотнения с поршнями внешнего двигателя, а зазоры каждой из камер заполнены смазывающей жидкостью.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - линейный генератор электрической энергии на постоянных магнитах, общий вид;
на фиг. 2 - линейный генератор электрической энергии на постоянных магнитах, в разрезе;
на фиг. 3 - осциллограмма напряжения на выходе генератора при холостом ходе;
на фиг. 4 - осциллограмма напряжения на выходе генератора с подключенной нагрузкой.
Линейный генератор электрической энергии на постоянных магнитах (далее «генератор») образован четырьмя параллельно расположенными камерами 1, которые по торцам через каналы во фланцевых плитах 2 соединены гидравлически последовательно.
Магнитопровод 3 генератора, состоящий из четырех секций, образует в камерах 1 четыре «активных» объема, в которых движутся якоря 4 с магнитами 5. Якоря 4 соединены со штоками 6, которые выполнены с возможностью соединения через блоки 8 уплотнения с поршнями внешнего двигателя, а зазоры каждой из камер 1 заполнены минеральным маслом для обеспечения механической уравновешенности при действии встречно движущихся поршней для повышения качественных характеристик вырабатываемой электроэнергии, а также повышения эффективности охлаждение якорей генератора и, на этой основе, повышения качества вырабатываемой электроэнергии и повышения надежность устройства.
В электрических обмотках 7, находящихся на магнитопроводе 3, генерируется электрический ток при требуемом напряжении. Якоря 4 посредством штоков 6, проходящих через блоки 8 уплотнения, соединены с поршнями 9 двигателя.
Двигатель, применительно к которому разработана конструкция генератора, состоит из двух четырехцилиндровых блоков и систем впуска -выпуска рабочего тела, подачи топлива, запуска и охлаждения.
Высокая удельная объемная энергетическая напряженность (кВт/м) таких установок обуславливает преимущественное применение жидкостной системы охлаждения, как генератора, так и двигателя, которую конструктивно относительно просто реализовать.
Процесс получения электрической энергии происходит следующим образом.
В двигателе, работающем по двухтактному циклу с петлевой продувкой, топливная смесь, поступающая в цилиндры, сжимается до степеней сжатия, обеспечивающих ее воспламенение. После остановки поршня 9 рабочее тело, энтальпия которого увеличивается при сгорании топлива, расширяясь, совершает работу, которая идет на выработку электрической энергии генератором, сжатие рабочего тела в противоположном цилиндре и обеспечивает компенсацию диссипативных потерь. Якоря 4 генератора, содержащие противоположно ориентированные по вектору магнитной индукции магниты, при движении в зазорах магнитопровода 3, создают знакопеременную намагничивающую силу, которая суммируется от четырех якорей 4. Соответственно, в магнитопроводе 3 наводится переменный магнитный поток, и, в соответствии с законом электромагнитной индукции, в электрических обмотках 7, окружающих магнитопровод 3, генерируется электродвижущая сила, а при подключении к ним нагрузки течет электрический ток. Очевидно, что частота генерируемого тока в данной конструкции равна частоте механических колебаний якоря 4.
-2
Предложенный генератор, в отличие от генераторов с вращающимся якорем, имеет на порядки меньшее время переходных процессов, на уровне периода колебаний (~ 10 с). Данное обстоятельство является определяющим при разработке систем запуска и регулирования. Для этого реализованы два варианта систем запуска - пневматический и электрический. В первом варианте, при установке поршней в крайние положения в цилиндры двигателя через быстродействующий электромагнитный клапан подается воздух высокого давления, что и обеспечивает запуск.
Осциллограмма напряжения на выходе генератора в режиме холостого ход при пневматическом запуске представлена на фиг. 3.
При использовании электрозапуска генератор переводится в режим двигателя, когда на выходные клеммы подается напряжение от системы электрозапуска с частотой, синхронизированной с частотой колебаний якоря. Осциллограмма этого режима запуска приведена на фиг. 4.
Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям, в предложенном устройстве достигается требуемый технический результат, который заключается в повышении мощности и качества вырабатываемой энергии, а также надежности генератора.