УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ (ВАРИАНТЫ)

Заявляемая полезная модель относится к области электротехники и энергетики, в частности к устройствам для получения механической энергии и преобразования ее в другие виды.
Известны различные устройства для получения механической вращательной энергии, возникающей в результате воздействия магнитного поля нескольких постоянных магнитов и магнитного поля ферромагнетиков.
Согласно патента РФ на изобретение №2329586 «Генератор механической вращательной энергии» (МПК H02K 57/00, дата приоритета 27.02.2006 г.) [1], одним из вариантов выполнения генератора механической вращательной энергии является конструкция, в которой генератор механической вращательной энергии выполнен в виде немагнитного колеса, установленного осью-ступицей на подшипниках неподвижной немагнитной вилки. Ось-ступица и обод немагнитного колеса соединены между собой K-спицами, расположенными на одинаковом угловом расстоянии α=2π/K, где K=2, 3, 4, …, на каждой из которых соосно вплотную к ободу колеса и на некотором расстоянии от оси-ступицы, установлено тонкостенное тело из сверхпроводникового материала, вокруг стенки которого в продольном направлении намотана сверхпроводниковая обмотка со сверхпроводниковым ключом. На оси-ступице в качестве устройства подведения электропитания размещен двухкольцевой коллектор, к которому подсоединены выводы каждой сверхпроводниковой обмотки, и через скользящие контакты подключен источник электропитания запитки. К оси-ступице присоединена механическая нагрузка, а сверхпроводниковые элементы помещены в криостаты. Немагнитное колесо может быть размещено во внешнем магнитном поле, направление максимального значения вектора магнитной индукции которого перпендикулярно плоскости колеса, или в поперечном магнитном поле одной и двух сверхпроводниковых катушек, установленных с одной или противоположных сторон.
Недостатками данного устройства являются сложное конструктивное исполнение и эксплуатация, неэффективность генерирования механической энергии, обусловленная малым КПД, ограниченная область применения, так как необходимы разработки новых сверхпроводниковых материалов, использование криосистем.
Кроме того, существенным недостатком данного устройства является наличие скользящего электрического контакта, что приводит к увеличению сил трения и повышенного износа коллекторных колец токоподводящих щеток.
Известно «Устройство преобразования силового взаимодействия системы из постоянных магнитов и ферромагнетика в механическую энергию по принципу неоднократного применения» по патенту РФ на изобретение №2426214 (МПК H02K 57/00, H02N 11/00, H02K 51/00, приоритет 26.03.2009 г.) [2]. Данное устройство содержит ферромагнетик и как минимум, два постоянных магнита, причем один из постоянных магнитов установлен неподвижно, а второй магнит установлен с возможностью вращения относительно оси, перпендикулярной главному вектору поляризации. Ферромагнетик связан с исполнительным механизмом, который является приемником энергии и установлен с возможностью возвратно-поступательного движения.
Недостатком данной конструкции является то, в данном устройстве, в исполнительном механизме, используется возвратно-поступательное движение, что приводит к снижению КПД устройства за счет сил терния, возникающих при этом движении и проблематичностью применения этого устройства в технике. Так же недостатками конструкции рассматриваемого устройства является относительно низкая скорость вала, которая лимитируется наличием кривошипного механизма и вредное воздействие инерции масс, так как присутствуют знакопеременные нагрузки на детали механизма.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели, потому принятому за прототип, относится устройство, описанное в заявке на изобретение РФ №20011886 «Роторный способ преобразования магнитной энергии в механическую и электрическую виды энергий и двигатель Мезенцева Л.Н.» (класс МПК H02N 11/00, H02K 57/00, приоритет 14.08.2001 г.) [3].
Данное устройство состоит из вала, на котором жестко закреплен ротор. Вал соединен с ободом и может свободно вращаться в нем. На роторе и ободе равномерно по окружности закреплены постоянные магниты таким образом, что поверхности одноименных полюсов на роторе расположены встречно поверхностям одноименным полюсам на ободе. На ободе закреплены магнитные экраны около поверхностей полюсов постоянных магнитов, закрепленных на нем. Поверхности постоянных магнитов на ободе периодически открывают и закрывают магнитными экранами, при этом одновременно вращается ротор тем самым двигая по кругу постоянные магниты, закрепленные на роторе, поверхностями полюсов, обращенных к поверхностям полюсов постоянных магнитов, закрепленных на ободе. Таким образом и происходит вращение вала и преобразование магнитной энергии в механическую.
Недостатком данной конструкции является то, что на практике такое преобразование магнитной энергии в механическую достаточно сложно, так как начальный импульс вращения ротора, приложенный из вне, достаточно быстро гасится силами трения опор и, хотя бы слабым, но моментом торможения взаимодействием магнитных полей. Кроме того одним из существенных недостатков данной конструкции является то, что в ней нет внешнего источника энергии, что приводит к затуханию окружных скоростей.
Задачей заявляемого устройство для преобразования электромагнитной энергии в механическую является получение механической вращательной энергии по принципу неоднократного применения и без внешних затрат, снижение коэффициента трения при работе устройства, повышение его коэффициента полезного действия.
Данная техническая задача решается за счет того, что в устройстве для преобразования электромагнитной энергии в механическую, состоящем из корпуса, в днище которого вертикально установлен вал из металла, например, конструкционной стали, с расположенным на нем маховиком, вал закреплен в опорах качения между днищем и крышкой корпуса и имеет на верхнем конце магнитомягкий диск. На верхней поверхности маховика по окружности равномерно установлены несколько магнитов, причем их должно быть четное количество, для обеспечения равномерного вращения вала. Причем они закреплены таким образом, что наружная поверхность магнитов с одноименными полюсами находится вровень с поверхностью маховика. В крышке корпуса, с ее внутренней стороны, соосно магнитам, расположенным на маховике, закреплены катушка возбуждения и геркон соединенные с элементом питания, причем количество катушек возбуждения и одного геркона должно быть равно количеству магнитов. С наружной стороны крышки установлена обойма, в которой концентрично валу закреплен магнит. В качестве элемента питания может быть использован аккумулятор или солнечная батарея с аккумулятором.
На фиг.1 показано заявляемое устройство в разрезе, на фиг.2 показано расположение постоянных магнитов на верхней поверхности маховика, на фиг.3 и 4 варианты выполнения заявляемого устройства.
Заявляемое в качестве полезной модели устройство для преобразования электромагнитной энергии в механическую состоит из следующих деталей: корпуса (1), вертикально установленного в днище корпуса (2) вала (3) на котором насажен маховик (4). Вал (3) закреплен с помощью нижней (5) и в верхней (6) опор и подшипников качения (7), установленных в днище (2) и крышке корпуса (8), между днищем и крышкой корпуса На верхнем конце вала (3) расположен магнитомягкий диск (9), который не закрыт крышкой корпуса (8). На верхней поверхности маховика (4) по окружности равномерно расположены одноименными полюсами вверх несколько встроенных в нее постоянных магнитов (10). В крышке корпуса (8), с внутренней стороны, соосно магнитам (10), расположенным на верхней поверхности маховика (4), закреплены катушки возбуждения (11) и геркон (12) электрически соединенные с элементом питания (13). Причем количество катушек возбуждения (11) и одного геркона (12) должно быть равно количеству магнитов (10). С наружной стороны крышки (8) установлено обойма (14) в которой концентрично валу закреплен постоянный магнит (15) В качестве элемента питания может быть использован аккумулятор или солнечная батарея с аккумулятором. К нижней части вала (16) подсоединено устройство для использования полученной механической энергии, например, редуктор. Электрическая цепь соединения проводами (17).
На фиг.2 показан вид сверху заявляемого устройства для преобразования электромагнитной энергии в механическую. На поверхности маховика (4) расположены постоянные магниты (10), например, в количестве четырех. На внутренней стороне крышки корпуса (8) установлены катушки возбуждения (11) и геркон (12), которые электрически соединены проводами (17) с элементом питания (13), например, аккумулятором. Причем геркон должен быть один, а катушек возбуждения может быть несколько
Заявляемое устройство для преобразования электромагнитной энергии в механическую работает следующим образом. При включении электрической цепи от элемента питания (13), в катушках возбуждения (11) наводится ЭДС индукции, взаимодействующая с постоянными магнитами (10), расположенными на поверхности маховика (4). Маховик (4) приобретает импульс вращательного движения. Постоянные магниты (10) смещаются относительно катушек возбуждения (11) и геркона (12), при этом контакты геркона размыкаются (в исходном положении контакты геркона (12) замкнуты, так как постоянные магниты (10) находятся в зоне катушек возбуждения (11) и геркона (12) под действием собственного магнитного поля) и маховик (4) совершает вращательное движение по инерции, что так же заставляет вращаться и вал (3). Затем один из постоянных магнитов (10) за счет вращения маховика (4) достигает зоны геркона (12) и своим магнитным полем включает его, цикл вращения повторяется.
Особенностью заявляемого технического решения является то, что снижение коэффициента трения качения вала (3) маховика (4) в опорах (5 и 6) достигается за счет снятия гравитационной силы (силы тяжести) посредством расположенного на крышке устройства в обойме (14) постоянного магнита (15), который притягивает систему вал-маховик, при этом притяжение усиливается за счет того, что на верхней поверхности вала (3) установлен магнитомягкий диск (9).
На фиг.3 представлен вариант заявляемого устройства, в котором изменение конструкции коснулось только постоянных магнитов (10), которые в этом варианте равномерно расположены на боковой поверхности маховика (4), геркона (12) и катушек возбуждения (11) расположенных на внутренней стороне корпуса, все остальные элементы конструкции аналогичны. Принцип работы данного варианта заявляемого устройства подобен, описанному выше.
На фиг.4 представлен следующий вариант заявляемого устройства для преобразования электромагнитной энергии в электрическую. В этом варианте заявляемое устройства состоит из корпуса (1) в котором выполнена перемычка (18), в ее центре вертикально установлен вал (3) на котором насажен маховик (4). Вал (3) закреплен с помощью нижней (5) и в верхней (6) опор и подшипников качения (7), установленных в перемычке корпуса (18) и крышке корпуса (8). Кроме того на конце вала (3) находится магнитомягкий диск (19), а концентрично ему в днище (20) корпуса (1) установлен в обойме (21) постоянный магнит (22), причем расположение их таково, что они установлены одноименными полюсами друг к другу. На верхней поверхности маховика (4) по окружности равномерно расположены одноименными полюсами вверх несколько встроенных в нее постоянных магнитов (10). В крышке корпуса (8), с внутренней стороны, соосно постоянным магнитам (10) на поверхности маховика (4), закреплены катушки возбуждения (11) и геркон (12) электрически соединенные с элементом питания (13). Причем количество катушек возбуждения (11) и одного геркона (12) должно быть равно количеству постоянных магнитов (10). В качестве элемента питания может быть использован аккумулятор или солнечная батарея с аккумулятором. К верхней части вала (23) подсоединено устройство для использования полученной механической энергии, например, редуктор. Электрическая цепь соединения проводами (17).
Работа устройства для преобразования электромагнитной энергии в механическую (см. фиг.4) осуществляется следующим образом: при включении электрической цепи, от элемента питания (13), в катушках возбуждения (11) наводится ЭДС индукции, взаимодействующая с постоянными магнитами (10) на поверхности маховика (4), маховик (4) приобретает импульс вращательного движения. Постоянные магниты (10) на поверхности маховика (4) смещаются относительно катушек возбуждения (11), и геркона (12), при этом контакты геркона (12) размыкаются, маховик (4) совершает вращательное движение по инерции. Один из постоянных магнитов (10) на поверхности маховика (4) перемещается в зону геркона (12), и своим магнитным полем включает его, затем цикл повторяется.
Низкий коэффициент трения качения вала (3) маховика (4), в нижнем подшипнике (5) установленного в перегородке (18), в верхнем подшипнике (6) установленного в верхней крышке (8) достигается снятием гравитационной силы (силы тяжести,) вследствие отталкивания (магнитная левитация) одноименных полюсов магнитов, а именно магнита (19), который закреплен на нижнем торце вала (3) и постоянного магнита (22) в обойме (21) закрепленного в нижней крышке (20).
В качестве элемента питания может быть использован аккумулятор, или солнечная батарея с аккумулятором. К верхней части вала (23) подсоединено устройство для использования полученной механической энергии, например редуктор. Электрическая цепь соединена проводами (17).
В качестве элемента питания в заявляемом устройстве может быть задействован аккумулятор, а так же аккумулятор потребляющий электрическую энергию от такого дешевого и экологически чистого источника энергии, как солнечные батареи.
Преимуществом заявляемого способа преобразования электромагнитной энергии в механическую, то есть генерирования крутящего момента является то, что импульс ЭДС катушки возбуждения относительно низкой мощности воздействует в оптимальной точке магнитного поля в определенное время и прекращает свое воздействие в момент нахождения в зоне катушки возбуждения магнитного поля обратной полярности, что позволяет исключить силу торможения маховика, а наличие на валу магнитомягкого диска и его взаимодействие с постоянным магнитом, установленным в обойме на крышке корпуса позволяет снизить коэффициент трения вала.
Так же преимуществом заявляемого устройства является возможность использования восполняемого источника энергии и его экологичность.
Данное устройство преобразования электромагнитной энергии в электрическую может быть использовано в производстве экономичных электродвигателей, инерционных двигателей для привода машин малой мощности, железнодорожного и автомобильного транспорта.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2329586 «Генератор механической вращательной энергии», класс МПК H02K 57/00, дата приоритета 27.02.2006 г.
2. Патент РФ на изобретение №2426214 «Устройство преобразования силового взаимодействия системы из постоянных магнитов и ферромагнетика в механическую энергию по принципу неоднократного применения», класс МПК H02K 57/00, H02N 11/00, H02K 51/00, приоритет 26.03.2009 г.
3. Заявка на изобретение РФ №20011886 «Роторный способ преобразования магнитной энергии в механическую и электрическую виды энергий и двигатель Мезенцева Л.Н.», класс МПК H02N 11/00, H02K 57/00, приоритет 14.08.2001 г.