ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И ГЕНЕРАТОР РАБОЧЕГО КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА
ELECTROMAGNETIC MOTOR AND WORK TORQUE GENERATOR

ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Заявка РI 0802090-6, зарегистрирована 23 мая 2008 года и заявка на международный патент РСТ PCT/BR2008/000301, зарегистрирована 3 октября 2008 года.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к высокоэффективному электромагнитному двигателю с малым тепловыделением, способному к значительному увеличению электромагнитной и/или механической потенциальной энергии, которая может быть использована в любом оборудовании, питаемом первичными видами энергии. Более конкретно, изобретение относится к двигателю или даже генератору, который обладает конструкцией и функциональными свойствами, уменьшающими потребление электрической энергии, и в то же время по сравнению с традиционными двигателями производит такой же и даже больший механический потенциал и крутящий момент.
Дополнительно двигатель согласно настоящему изобретению имеет более простую конструкцию, которая может быть применена в любом электрическом устройстве, особенно в так называемых электрических приемных устройствах, обладая при этом по меньшей мере такой же мощностью при меньшем потреблении энергии и отсутствии риска перегрева оборудования, и, кроме того, стоимость производства данных устройств меньше.
Кроме того, электромагнитный двигатель согласно настоящему изобретению решает целый ряд актуальных проблем, связанных с использованием традиционных источников энергии и недостатком электроэнергии, поскольку он может вырабатывать такую же мощность, расходуя меньше энергии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время известно много типов электромагнитных двигателей, предназначенных для создания механической энергии - крутящего момента путем взаимодействия магнитных полей, возникающих в замкнутой электрической цепи, питаемой электрическим током. Все эти двигатели известны из уровня техники и разработаны на основе научных принципов, законов и теорий, свойственных традиционной физике и электротехнике, и считаются универсальными, естественно-научными и непреложными законами. Однако научные теории ограничены представлениями разработавших их ученых, например: законы Ньютона, закон Ома, законы термодинамики, и т.д.
Поэтому понятно, что альтернативный взгляд на традиционные научные принципы может привести к новому пониманию физики и современных технологий и способен дать практическое решение проблем, которые до сих пор считаются неотемлемыми факторами, присущими определенному физическому процессу.
В этой связи стоит упомянуть о том, что принцип работы машин заключается, в основном, в потреблении и преобразовании определенного типа энергии в тепло, при этом эта энергия рассматривается как потери, свойственные их функционированию, и в производстве какого-либо другого типа энергии, которую считают полезной работой.
Таким образом, известно, что электродвигатели - это механизмы, приводимые в действие энергией в форме электрической энергии, поставляемой источником энергии, то есть электрической сетью переменного тока (одно-, двух- или трехфазной), гальваническими элементами или солнечной батареей постоянного тока таким образом, что соответствующая электрическая энергия преобразуется в энергию в форме тепла, считающуюся потерями, вызванными трением, магнитным торможением, гистерезисом, вихревыми потоками, эффектами Джоуля и т.д., и, наконец, потреблением энергии в механической форме, для работы, связанной с созданием крутящего момента и вращением вала двигателя.
И наоборот, также известно, что электрические генераторы приводятся в действие определенными типами энергии, например химического сгорания (дизель, бензин, газ, алкоголь, и т.д.) или механическими (гидравлической энергией, энергией ветра и т.д.), и на выходе трансформируют ее в электрический ток для питания другого оборудования, обладая при этом тепловыми потерями.
Таким образом, в таких устройствах их производительность или эффективность рассчитывается как отношение мощности на входе и выходе. В качестве иллюстрации, если двигатель потребляет 60 Вт электрической мощности и производит 30 Вт механической работы, то его эффективность определяется соотношением 30 Вт/60 Вт, которое соответствует 0.5 или в процентном выражении 50%.
3
Аналогично, генератор, приводимый в действие 1 КВт механической энергии, обеспечиваемой потоком воды с постоянной скоростью "Q" в м/с с высоты "h", производящий на выходе 850 Вт электрической энергии, будет иметь эффективность 850 Вт/1000 Вт, что соответствует эффективности 0.85 или в процентах 85%.
Есть много типов электродвигателей такого рода, однако в настоящее время наиболее распространенным типом электромагнитных двигателей благодаря их простой конструкции являются асинхронные электродвигатели с ротором типа беличьей клетки или катушечным ротором.
В общем случае асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором содержат цилиндрический ротор, выполненный из металла (например, алюминия), или короткозамкнутые обмотки, установленные на упомянутом металлическом цилиндре, окруженном электромагнитами, которые питаются переменным электрическим током и производят первичное переменное магнитное поле, вызывающее электромагнитную индукцию. Магнитное поле наводит ток на поверхности металлического цилиндра (или короткозамкнутых обмотках), который, в свою очередь, производит свое собственное магнитное поле. Эти два магнитных поля (от ротора и статора) взаимодействуют друг с другом методом «тяни-толкай», заставляя цилиндр вращаться и, таким образом, сообщать оси ротора механическую энергию.
Электродвигатели с роторными обмотками состоят из некоторого количества обмоток медного провода, намотанных как на металлическом цилиндрическом роторе, так и на статоре, через который обычно течет переменный электрический ток (АС), вызывая магнитные поля, которые попеременно притягивают и отталкивают друг от друга переменные магнитные поля ротора. Вследствие синхронного чередования полярности магнитного поля ротор вращается и производит механическую энергию.
Из уровня техники известно, что работа электромагнитных двигателей обычно основана на двух физических явлениях: 1) когда мы пропускаем электрический ток через проводник, им создается магнитное поле; и 2) если проводник помещен в переменное магнитное поле, то на его концах будет электрическая разность потенциалов и электрический ток, возникший внутри проводника, образует, в свою очередь, магнитное поле, противоположное вызвавшему его внешнему магнитному полю.
Кроме того, на электрические двигатели, известные из уровня техники, электричество подается постоянно, что обеспечивает чередование полярности магнитных полей, с целью получения эффекта притяжения/отталкивания. Очевидно, чтобы обеспечить вращение ротора под нагрузкой (крутящий момент на оси двигателя), требуется потребление большого количества энергии. Как следствие, неизбежны тепловые потери, то есть так называемые потери или преобразование в тепловую энергию.
Таким образом, ввиду вышесказанного необходимо отметить, что известные из уровня техники электромагнитные двигатели предполагали неизбежные внутренние тепловые потери, связанные с принципом активно-реактивного взаимодействия электромагнитных полей. Другими словами, переменные магнитные поля, созданные прохождением переменного электрического тока через статор и обмотки ротора двигателей, заставляют их нагреваться пропорционально интенсивности и скорости изменения этих полей.
В силу этого когда электрический двигатель, подключенный к любому источнику питания - гальваническому элементному либо сети переменного тока, простое вращение вала двигателя без нагрузки создает некоторый механический крутящий момент, который противодействует источнику питания и представляет собой падение напряжения в цепи питания двигателя, которое тормозит двигатель. Это падение напряжения в технической литературе известно как встречная электродвижущая сила (обратная ЭДС).
Тем ни менее, любая механическая нагрузка, приложенная к двигателю, требует дополнительной электрической мощности для ее преодоления, что представляет собой увеличение обратной ЭДС, то есть увеличение сопротивления, таким образом, что источник питания отдает все большую мощность для того, чтобы преодолеть сопротивление нагрузки. В результате, температура обмоток повышается и вызывает снижение КПД двигателя. В случае, если механическая нагрузка слишком велика и превышает предельно допустимое для данного двигателя значение, происходит перегрев и двигатель перегорает.
В этой связи необходимо отметить, что постоянное подключение стандартных двигателей к источнику питания (АС или DC) вызывает ряд проблем, в первую очередь связанных со снижением производительности и перегревом.
Согласно научным теориям, используемым для разработки таких электромагнитных двигателей, выделяют четыре внутренних силы, противодействующие работе двигателя: противодействующая электродвижущая сила, магнитное сопротивление, гистерезис и вихревые токи. Все эти тормозящие силы приводят к нагреву и возможному перегоранию двигателей, когда к ним подключены большие нагрузки, и требуется непрерывное потребление энергии от источника питания.
После вышеупомянутых объяснений изобретатели заявляют, что, несмотря на признание известных сегодня теоретических концепций и их завершенности, они являются неполными, потому что они не учитывают существенные физические характеристики природы магнетизма и/или вопрос электрической проводимости в отношении способности получения энергии извне, а так же структуры электромагнитных полей, понятий напряжения и электрического тока, и их недостаточности.
Учитывая тот факт, что функционированию известных из области техники двигателей присущи силы сопротивления, они большего размера и имеют большее энергопотребление, чем это действительно необходимо, что оказывает негативное воздействие на окружающую среду.
Известно, что одна из основных проблем в современном мире - недостаточность природных ресурсов для производства электроэнергии и, кроме того, число загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу при сжигании ископаемого топлива.
Чтобы кратко объяснить основы изобретения, согласно теориям и понятиям, исследованным и разработанным Кеппе (см. "Новая Физика, полученная из Дисинвертной Метафизики", Кеппе Норберто да Роча, изд. в 1996 в Proton Publishing House, Париж), настоящее изобретение основано на гипотезе, что материя получает и преобразовывает нематериальную энергию, названную Первичной энергией, во вторичные формы энергии, а именно электричество и магнетизм.
Обобщая вышесказанное, помимо других понятий, исследуемых Кеппе, автор полагает, что Первичная энергия в случае магнитных полей является двойной и двунаправленной, то есть она всегда действует в двух видах, но в противоположных и комплиментарных направлениях.
В частности, то, что мы знаем как традиционное понятие напряжения, для Кеппе означает непосредственно Первичную энергию. Таким образом, когда электрический ток течет через проводник, вызванный разницей электрических потенциалов между терминалами, фактически используется только один компонент Первичной энергии, игнорируя энергию и возможности второго компонента Первичной энергии. Вследствие того, что этот второй компонент полностью игнорируется, известные из области техники современные двигатели имеют проблемы, связанные с тепловыми потерями.
Другими словами, современные электромагнитные двигатели используют энергию, произведенную магнитным полем при прохождении электрического тока, игнорируя или отказываясь от второго компонента Первичной энергии, то есть обратной энергии, проявляющейся в переходных процессах в электрической цепи, прямыми и обратными пиками, в момент возникновения и исчезновения магнитного поля в обмотках двигателя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поэтому, намереваясь преодолеть недостатки и решить проблемы вышеупомянутых электрических двигателей, известных из области техники, был разработан электромагнитный двигатель, объект настоящего изобретения.
Более конкретно, объект данного изобретения - электромагнитный двигатель, который может заменить любой другой двигатель, питаемый первичными формами энергии: электрической, электромагнитной, механической, ядерной, пьезоэлектрической, звуковой, тепловой, люминесцентной, гидравлической, пневматической, химической, электромагнитной индукцией, сгоранием ископаемого или биотопливом и т.д., который разработан для вырабатывания крутящего момента.
Кроме того, другой задачей данного изобретения является создание электромагнитного двигателя с определенными техническими и функциональными характеристиками, и способного преодолеть, или даже в некоторых случаях устранить, силы сопротивления, действующие против движения ротора, путем использования концепций, разработанных Кеппе.
Кроме того, задачей данного изобретения является создание электромагнитного двигателя, который помимо использования энергии, произведенной при прохождении электрического тока в проводах обмотки, использует Первичную энергию в ее полной форме, то есть двигатель, способный использовать оба компонента Первичной энергии: воздействие и согласно Кеппе ответную реакцию, т.е. комплиментарную составляющую Первичной энергии, задержанную магнитными полями.
Таким образом, задача данного изобретения - создание электромагнитного двигателя, который не нагревается и позволит производить беспроводные аналоги электрических приборов и бытовой техники, которые в настоящее время поставляются только с сетевым кабелем и разработаны для подключения к электрическим сетям 110/220 В как, например, вентиляторы, пылесосы, миксеры и многие другие маломощные домашние электроприборы.
Также объект данного изобретения - электромагнитный двигатель, который также увеличивает срок службы обычных батарей, используемых в беспроводных устройствах и электроприборах, не уменьшая при этом их механическую мощность.
К тому же, предлагаемый в данном изобретении электромагнитный двигатель более эффективен, что значительно сокращает затраты на изготовление электрического оборудования, из которого состоит двигатель, так как можно уменьшить его размер и, следовательно, использовать меньше материала.
Так же цель данного изобретения - создание электромагнитного двигателя, который может быть использован для работы в качестве генератора электрической энергии, малого или большого, и обеспечить экономию энергии на электростанциях, использующих первичные источники энергии, такие как уголь, радиоактивное топливо, энергию воды, ветра, солнца и т.д.
Кроме того, двигатель согласно настоящему изобретению может быть использован в режиме генератора, чтобы восстанавливать электромагнитную энергию, накопленную в обмотке/ах и возвращать ее назад обмотке/ам, создавая второй источник энергии, независимо из первого, которым может быть гальваническая батарея, электросеть или любой другой источник энергии.
Наиболее точно это альтернативное исполнение двигателя согласно настоящему изобретению может быть названо как электромагнитная система обратной связи или электромагнитная турбо система, которая включает в себя соединение одного или более конденсаторов на выходе одной или более обмоток базового варианта реализации двигателя, объекта настоящего изобретения.
Электромагнитный двигатель согласно настоящему изобретению может также быть использован для замены гибридных (топливных/электрических) двигателей, которые в настоящее время разрабатываются для автомобильной, морской и авиационной промышленности, т.к. его возможности и рабочий потенциал значительно превосходят аналогичные показатели обычных двигателей, к тому же он потребляет меньше электрической энергии и позволяет генерировать энергию обратной связи.
Для достижения вышеупомянутых задач электромагнитный двигатель согласно настоящему изобретению имеет возможность использования Первичной энергии в ее полном виде, особенно ее второго компонента, называемого здесь обратным компонентом, обратным пиком или обратной энергией, который может быть получен из двух источников: 1) в результате значительного ослабления магнитного поля, вызванного исчезновением энергии в обмотках статора, в момент прекращается прохождение электрического тока и 2) выбросами напряжения, вызванными включением и отключением тока в обмотках.
В частности, электромагнитный двигатель согласно настоящему изобретению работает с импульсами постоянного тока, производимыми источником питания в замкнутой электрической цепи, питающей обмотки статора, внутри которого расположен магнитный ротор, выполненный из постоянных магнитов и обмотки. Импульсы формируются с помощью датчиков, установленных таким образом, чтобы определить точный момент импульса, что позволяет осуществить поглощение и использование обратной энергии. В альтернативных конструкциях, в цепь питания двигателя могут быть добавлены конденсаторы таким образом, чтобы достигнуть резонанса в его работе.
Точнее говоря, увеличение рабочей мощности в двигателе-генераторе, предложенном в альтернативной конструкции настоящего изобретения, получается, когда двигатель изначально приводится в движение от сети электропитания (выпрямленный ток) или от одной или более батарей, которые питают соответствующую обмотку/и двигателя импульсами энергии, которая в свою очередь взаимодействует с одним или более магнитным или электромагнитным ротором, установленными на валу, что приводит к вращению данного вала.
В этом смысле переменный ток, возникающий на выводах указанной обмотки(обмоток), которая включает в себя один или более вращающихся магнитных или электромагнитных роторов, выпрямлен на половине периода или полном периоде и поступает в один или более конденсаторов, или даже в набор конденсаторов, который в свою очередь способен накапливать напряжение, которое выше входного первичного напряжения первого моторного импульса. Это увеличенное напряжение в конденсаторе(конденсаторах) используется как второй источник энергии постоянного тока, будучи полностью независимым от первичного источника энергии, что соответствует функции энергетического (электрического) генератора настоящего изобретения. Положительный и отрицательный выводы конденсатора(конденсаторов) подключаются к обмотке двигателя таким образом, что обеспечивается достаточный ток и электрический заряд для одного или более дополнительных импульсов в обмотке/ах, в моменты, когда ротор находится в соответствующих положениях, что вносит свой вклад во вращение ротора.
Наконец, путем размещения по меньшей мере одного двигателя и генератора на одном валу и соединения их обмоток должным образом последовательно или параллельно, можно неограниченно увеличивать прирост энергии, произведенной генераторной составляющей данной конструкции относительно энергии, потребляемой моторной составляющей данной конструкции. Другими словами, с учетом представленной обратной связи КПД данного двигателя больше не ограничен 100%.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Задачи и технические результаты, достигнутые электромагнитным двигателем и генератором - объектом данного изобретения, будут понятны специалистам в данной области, начиная со следующего детального описания, относящегося к прилагаемым чертежам, на которых:
- Фиг.1 иллюстрирует основной вариант конструкции электромагнитного двигателя согласно настоящему изобретению;
- Фиг.2А, 2В и 2С иллюстрируют последовательность положений ротора электромагнитного двигателя согласно настоящему изобретению;
- Фиг.3 иллюстрирует альтернативный вариант конструкции электромагнитного двигателя согласно настоящему изобретению;
- Фиг.4 иллюстрирует другие альтернативные варианты конструкции, в которых используются электромагнитные двигатели согласно настоящему изобретению;
- Фиг.5 иллюстрирует альтернативную конструкцию двигателя, показанного на Фиг.1 с системой обратной связи;
- Фиг.6 иллюстрирует предпочтительную конструкцию ротора согласно настоящему изобретению;
- Фиг.7А и 7В иллюстрируют предпочтительную конструкцию первичной обмотки двигателя согласно настоящему изобретению;
- Фиг.8А, 8В, 8С, 8D и 8Е иллюстрируют альтернативные варианты конструкции электромагнитного двигателя согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Электромагнитный двигатель, объект настоящего изобретения, содержит конструкцию, которая может использовать Первичную энергию в полной мере. Помимо энергии, приложенной к обмотке статора при прохождении электрического тока, он также получает и использует обратную энергию, полученную вследствие исчезновения магнитного поля, когда источник энергии отключен, и магнитная энергия упомянутой обмотки статора исчерпана.
В частности, электромагнитный двигатель согласно настоящему изобретению основан на свойствах простой конструкции, которые были разработаны согласно принципам, описанным Норберто да Роча Кеппи в упомянутой выше книге.
Задачей настоящего изобретения является создание электромагнитного двигателя, производящего работу и механический крутящий момент и обладающего возможностями, по меньшей мере эквивалентными известным из области техники традиционным двигателям, но потребляющего меньше электрической энергии, так как подключение к источнику электрической энергии непостоянно, и вдобавок, этому может способствовать обратная связь в двигателе.
Более предпочтительно, в первом варианте реализации изобретения электромагнитный двигатель, показанный на Фиг.1, содержит статор 1, состоящий из обмотки 2, выполненный проводом, выводы которого Т1 и Т2 подключены соответственно к положительному Р1 и отрицательному Р2 полюсам источника питания 3, так, чтобы между Т2 и отрицательным полюсом источника питания Р2 находился выключатель 4, расположенный недалеко от конца вала 5 ротора 6.
Упомянутый вал 5 находится в центре двигателя под прямым углом к корпусу статора 1, на подшипниках 7, таким образом, чтобы внутри статора 1 вал 5 поддерживал ротор 6, состоящий по меньшей мере из одного постоянного магнита.
Предпочтительно обмотка 2 образована намоткой провода, например медного или алюминиевого, в двух секторах с предпочтительно одинаковым числом витков, и расположенных отдельно друг от друга по оси либо радиально. Фиг.1 показывает упомянутые сектора А и В, соединенные друг с другом и намотанные на корпусе статора 1.
Число витков каждого сектора А и В обмотки 2 выбирается согласно спецификации двигателя, с тем, чтобы обеспечить резонанс пары ротор/обмотка (обмотки), в зависимости от характеристик двигателя и требуемой мощности.
Кроме того, согласно приложенным чертежам и предложенному варианту реализации изобретения электромагнитный двигатель питается импульсами постоянного тока (от гальванических батарей или выпрямленным током от источника переменного тока) с длительностью импульсов, определяющейся конструкцией двигателя. Данная схема отличается от используемой в электромагнитных двигателях, известных из области техники, в которых используется чередование синусоидальных сигналов переменного тока, производящих магнитное поле (двигатели переменного тока) или инверсию постоянного тока в течение цикла оборота ротора (двигатели постоянного тока), для получения магнитных полей и затем получения несоответствия полярностей этих магнитных полей, что приводит вал ротора в движение.
Кроме того, на одном конце вала 5, вне статора 1, размещено исполнительное устройство 8 для включения и выключения выключателя 4 в процессе вращения вала 5. Предпочтительно исполнительное устройство 8 выполнено в виде постоянного магнита, магнитное поле которого расположено под прямым углом к валу 5; выключатель 4 является выключателем язычкового типа, который реагирует на присутствие магнитного поля. Исполнительное устройство 8 может быть заменено на другое в случае, когда используются выключатели 4 другого типа, такие как датчик Холла, оптические датчики, или даже не использоваться вовсе в случае применения управления в режиме широко-импульсной модуляции.
Таким образом, при повороте вала 5 ротора 6 исполнительное устройство 8 включает/выключает выключатель 4, замыкая и размыкая электрическую цепь питания электромагнитного двигателя согласно настоящему изобретению, обеспечивая подачу электрических импульсов постоянного тока на обмотку статора.
Альтернативно для регулирования подачи электрических импульсов от источника питания может быть использован электромагнит 9, обеспечивающий подачу импульсов в соответствии с точным положением ротора 6, поддерживая его вращение.
Электромагнит 9 предпочтительно сделан из покрытого силиконом стального сердечника, на который намотано определенное число витков провода, при этом возникает магнитное поле обратной полярности по отношению к магнитному полю ротора 6, и таким образом, это приводит к взаимному отталкиванию этих магнитных полей.
В частности, согласно чертежам Фиг.2А, 2В и 2С, электромагнитный двигатель по настоящему изобретению работает следующим образом: исполнительное устройство 8, закрепленное на конце вала 5 ротора 6, размещено и отрегулировано таким образом, чтобы его магнитное поле приводило к замыканию выключателя 4 строго в определенной точке положения ротора, в которой угол поворота ротора 6 по отношению к линиям магнитного поля обмотки статора составляет α=-Х°, как показано на Фиг.2А. В этом положении магнит ротора 6 начинает притягиваться, стремясь к своему нейтральному положению, в котором относительно линий магнитного поля обмотки статора угол α=0°, чтобы сразу после этого войти в область торможения, в которой из-за соотношения полярностей магнитного поля обмотки 2 и магнитного поля ротора 6 будет действовать сила, стремящаяся остановить ротор.
В тот момент, когда ротор 6 достигает своего нейтрального положения, то есть положения, где α=0°, как показано на Фиг.2В, и готов войти в область торможения, выключатель 4 отключается.
В этот момент, когда выключатель 4 выключен, сила магнитного притяжения исчезает. Однако сразу после нейтрального положения в положении, где α=Х°, обозначенном на Фиг.2С, на ротор 6 начинает действовать противодействующая сила или обратная энергия, вызванная сменой полярности магнитного поля в обмотке статора 2, заставляя ротор 6 двигаться дальше, в попытке достигнуть устойчивого положения или нейтральной точки ротора.
Необходимо пояснить, что такой эффект является результатом взаимодействия энергии, полученной вследствие приложения отрицательных импульсов напряжения (и тока) при включении и выключении выключателя 4, и магнитной энергии, полученной при исчезновении магнитного поля в обмотке, что приводит к смене полярности поля в обмотке и, таким образом, к действию на магнитный ротор 6 отталкивающей силы. Как показано на Фиг.2А и 2С, линии Х магнитного поля изменяют направление, вызывая смену полярности магнитного поля обмотки 2.
Таким образом, в соответствии с описанной выше конструкцией электромагнитный двигатель согласно настоящему изобретению вызывает два процесса, происходящих практически одновременно в связи с коротким временным интервалом между произведенными импульсами тока. Сначала, когда выключатель 4 включен, батарея питает обмотку статора двигателя, создавая магнитное поле, пропорциональное подаваемому напряжению, которое притягивает магнит ротора к положению равновесия; сразу после этого происходит второе явление, когда выключатель 4 выключается, вызывая исчезновение магнитного поля обмотки, ответственного за создание обратной энергии, возникающей из окружающего скалярного поля, которое является дополнением первого компонента Первичной энергии, запасенного в обмотке и пришедшего от источника питания. Можно легко проверить, что напряжение, соответствующее этой обратной энергии, в десятки раз превышает напряжение источника питания.
Помимо этого очевидного прироста энергии из-за обратной энергии (или дополнительной энергии) использование импульсного постоянного тока, предпочтительно от гальванических батарей, без чередования фазы, как в случае использования переменного тока, дает следующие результаты:
i) снижение до минимума встречной электродвижущей силы в случае постоянного и малого крутящего момента позволяет свободное вращение магнитного ротора на протяжении более половины цикла вращения;
ii) снижение сопротивления до минимума позволяет магнитному полю обмотки статора выключаться сразу после прохождения магнитом ротора 6 точки равновесия, что позволяет ротору свободно вращаться, до тех пор пока в определенных положениях ротора не начнут действовать другие импульсы;
iii) нулевой гистерезис, так как питающий ток - прямой импульсный ток. Таким образом, нет чередования полярности источника питания;
iv) сниженные до минимума вихревые токи, так как в обмотках статора нет железных или покрытых силиконом стальных сердечников и/или магнитные поля, создаваемые в обмотке 2 при подаче питания и под воздействием обратной энергии, параллельны корпусу двигателя, таким образом создают наведенные токи, близкие к нулю.
Помимо сокращения и/или устранения гистерезиса и потерь от вихревых токов изобретатели отмечают, что тепловые потери в проводниках, вызванные эффектом Джоуля, также существенно снижены и, следовательно, нет значительного повышения температуры, что повышает как эффективность, так и срок службы двигателя (изоляции), т.к. нет риска перегрева.
Помимо этого, как можно заметить, во время функционирования электромагнитного двигателя согласно настоящему изобретению электропитание 3 к двигателю поступает не постоянно, т.к. электрическая энергия подается в цепь лишь тогда, когда управляющее устройство 8 включает выключатель 4. Как результат, существенно сокращается потребление энергии батареи в сравнении с двигателями, известными из области техники, что позволит создавать новое высокоэффективное оборудование с большим сроком службы на основе встроенного источника питания для тех применений, для которых в настоящее время применение встроенного источника питания невозможно.
Таким образом, электромагнитный двигатель, объект данного изобретения, разработан на основании принципа поглощения и использования энергии, произведенной в результате исчезновения магнитного поля, который происходит, когда энергия, удерживаемая в обмотке 2, исчерпана. Эта энергия приводит к изменению полярности магнитного поля, которое действует на магнитный ротор.
Фиг.3 и 4 иллюстрируют альтернативные конструкции, объединяющие несколько электромагнитных двигателей в соответствии с настоящим изобретением. На Фиг.3 показана комбинация нескольких роторов 6', расположенных на одном валу 5' рядом друг с другом. Каждый ротор 6' размещен в своей собственной обмотке статора, добавляя, таким образом, валу крутящий момент.
Этот вариант реализации, в частности, используется для энергетического оборудования с удлиненным корпусом в связи с добавлением совокупности индивидуальных крутящих моментов на одном валу. Такое сочетание двигателей может работать с более низкими напряжениями, чем используются для питания обычных двигателей, что позволяет работать с гальваническими батареями и достигать высокой эффективности. Кроме того, при использовании более высоких напряжений значительно увеличивается крутящий момент.
Фиг.4 - чертеж другого сочетания двигателей, связанной посредством редукторов 10, которые в зависимости от их передаточного числа могут увеличить или уменьшить крутящий момент (или скорость) на валу двигателя.
В такой альтернативной конструкции резонанс заставляет двигатели взаимодействовать друг с другом на расстоянии, увеличивая эффективность механической системы в целом. Другими словами, помимо действия обмоток на магнитные роторы вся система выигрывает от резонанса между магнитными роторами. В результате оптимизируется крутящий момент и потребление.
В альтернативном варианте реализации настоящего изобретения, показанном, в частности, на Фиг.5, двигатель согласно настоящему изобретению включает в себя вторичный электрический контур, добавленный к контуру двигателя, показанному на Фиг.1 с целью увеличения обратной связи и соответственно рабочей мощности двигателя.
В частности, контур обратной связи предназначен для питания обмотки (обмоток) статора и/или роторов, выполненных в виде электромагнитов таким образом, чтобы двигатель согласно настоящему изобретению мог работать как усилитель выходной механической мощности. Этот контур в основном содержит двухполупериодный выпрямительный мост, один или более конденсаторов, соединееных параллельно, и синхронизированную систему выключателей, состоящую из реле, транзисторов, механического или какого-либо другого типа выключателя.
На Фиг.5 схематически показано, как вторичный контур взаимосвязан с первичным основным контуром, представленным на Фиг.1. Контур, обозначенный черными линиями - первичный контур, то есть определенный как первичный, основной и подобный представленному на Фиг.1, питаемый внешним источником энергии, батареей или выпрямленным напряжением сети электропитания. Контур, обозначенный серыми (или более светлыми) линиями, - вторичный контур обратной связи емкостных разрядов, объект данной альтернативной конструкции.
Как показано на Фиг.5, в дополнение к тому, что показано на Фиг.1, добавлен второй выключатель Ch1', расположенный между положительным полюсом Р1 источника питания 3 и положительным выводом Т1 обмотки 2 первичного контура. Выключатель Ch1' синхронизирован с выключателем 4 Ch1, то есть он должен синхронно переключаться, чтобы всегда быть закрытым, когда выключатель 4 Ch1 закрыт, и быть открытым, когда выключатель 4 Ch1 открыт.
Работа вторичного контура обратной связи начинается с выпрямления переменного тока, произведенного при повороте магнитов ротора 6 на выводах Т1 и Т2 обмотки 2. Этот переменный ток подается на выводы Р5 и Р6 двухполупериодного выпрямительного моста 10, который обеспечивает постоянный ток на положительном Р3 и отрицательном Р4 выводах моста. Эти выводы соединены соответственно с положительным Р7 и отрицательным выводом Р8 конденсатора или, возможно, с нескольких конденсаторов, соединенных параллельно, выбранных таким образом, чтобы удовлетворить соответствующие потребности и цели.
Конденсатор (или конденсаторы) 11 накапливает достаточно энергии для того, чтобы поддержать напряжение выше первичного напряжения источника питания 3 благодаря более высокому напряжению, возникающему при вращении ротора 6 в обмотке 2. Это позволяет использовать его в качестве второго независимого источника энергии постоянного тока, формирующего второй импульс, инверсный к первому, и/или другому импульсу в других обмотках, того же ротора 6. Этот процесс называется "обратная связь емкостного разряда" и представляет собой электромагнитную турбо систему, описанную выше.
Положительный вывод Р7 конденсатора 11 соединен с противоположным по полярности, то есть отрицательным выводом Т2 обмотки 2 через третий выключатель Ch2, идентичный выключателю 4 Ch1 первого контура. Отрицательный вывод конденсатора Р8, в свою очередь, соединен через четвертый выключатель Ch2', который синхронизирован с Ch2 и положительным выводом Т1 обмотки.
Этот выключатель Ch2' должен переключаться синхронно, чтобы всегда быть закрытым, когда выключатель Ch2 закрыт, а другие выключатели Ch1 4 и Ch1' другого контура открыты; и он должен быть открыт, когда выключатель Ch2 открыт, а другие выключатели Ch1 4 и Ch1' другого контура закрыты. Другими словами, выключатели первичного и вторичного контура работают в противофазе - когда одна цепь разомкнута, другая всегда должна быть замкнута.
Замыкание и размыкание выключателей Ch1 4 и Ch2 должно происходить попеременно, то есть в процессе работы двигателя они никогда не должны быть замкнумы или разомкнуты одновременно.
Замыкание и размыкание выключателей Ch1' и Ch2' синхронизировано соответственно с замыканием и размыканием выключателей Ch1 4 и Ch2. Всегда, когда Ch1 4 разомкнут, Ch1' будет разомкнут и всегда, когда Ch1 4 замкнут, Ch1' будет замкнут.То же самое относится к Ch2': всегда, когда Ch2 разомкнут, Ch2' будет разомкнут и всегда, когда Ch2 замкнут, Ch2' будет замкнут.
Момент замыкания главных выключателей Ch1 4 и Ch2 определяется моментом прохождения магнита исполнительного устройства 8, установленного на вращающемся валу 5 ротора 6. Таким образом, можно получить два импульса - один непосредственно от источника питания 3 из первичного контура и другой, обратной полярности от конденсатора вторичного контура 11. Выключатели Ch1 4 и Ch2 должны быть установлены таким образом, чтобы функционировать с разницей по фазе в 180 градусов друг относительно друга, таким образом, чтобы, когда при вращения вала 5 магнит исполнительного устройства 8 проходит мимо выключателя Ch1 4 и он замыкается вместе с выключателем Ch1', синхронизированные выключатели второго контура Ch2 и Ch2' размыкаются, блокируя прохождение тока через вторичный контур. Во второй половине цикла оборота ротора 6 выключатель Ch2 замыкается вместе с выключателем Ch2', а выключатели Ch1 и Ch1' размыкаются, и, таким образом, этот процесс повторяется бесконечно.
Синхронность замыкания и размыкания пары выключателей Ch1 4 и Ch1' и пары выключателей Ch2 и Ch2' гарантирует, что в каждой половине цикла оборота ротора 6 направление магнитных линий потока обмотки статора 1 изменяется на 180 градусов из-за изменения полярности на выводах Т1 и Т2 обмотки 2 с положительной на отрицательную, и наоборот, что способствует вращению ротора 6.
Когда на выводе Т1 обмотки 2 положительный потенциал, а на Т2 отрицательный - импульс называют "прямым импульсом", так как первичный контур замкнут, а вторичный контур разомкнут. Во второй половине цикла вращения ротора 6 выключатели переключаются и на выводе Т1 потенциал становится отрицательным, а Т2 положительным. В этом случае импульс называют "обратным импульсом", так как первичный контур разомкнут, а вторичный контур замкнут, обеспечивая функционирование механизма обратной связи в двигателе.
Более предпочтителен способ, при котором ротор, используемый в двигателе, объекте настоящего изобретения, выполненный в виде единой прессованной детали, изготовленной из неодимового магнита со степенью намагниченности в пределах N24 и N54. Однако ясно, что вышеупомянутый ротор может также быть изготовлен из других материалов, например из керамического феррита, или материалов, использующих в качестве сырья редкие на земле элементы, такие как неодимий, кобальт, самарий, празеодимий, церий и т.д.
Кроме того, предпочтительно, но не является ограничением данного изобретения, если вышеупомянутый ротор содержит прессованный диск с радиальной намагниченностью с отверстием в центре, как проиллюстрировано на Фиг.6.
Однако ясно, что этот дискообразный вид ротора является лишь предпочтительным и не исключает другие формы и конфигурации магнита, например такие как компактные цилиндрические магниты с отверстием в середине и намагниченные аксиально, собранные в пакет цилиндрические магниты, конические, эллипсоидные и даже сферические. Последние являются самыми эффективными, но в настоящее время они сложны и дороги в производстве.
В дополнение, как показано на Фиг.7А и 7В, для увеличения эффективности и мощности двигателя согласно настоящему изобретению обмотка, которая включает в себя намагниченный радиально дискообразный неодимий, имеет асимметричную форму с топологией, подобной усеченному конусу, состоящему из эмалированного или изолированного медного или алюминиевого провода любого сечения, предназначенного для работы с различными напряжениями, начиная от 9-12 Вольт, напряжениями бытовой электросети 127 и 220 Вольт и заканчивая более высокими напряжениями, используемыми в промышленности.
Точно также стоит отметить тот факт, что конфигурация обмотки также является лишь предпочтительной и не исключает возможности использования катушек с симметричной цилиндрической или кольцевой конфигурацией, которые сейчас широко используются во многих известных из области техники применениях.
В частности, Фиг.8А, 8В, 8С, 8D и 8Е показывают альтернативные варианты реализации электромагнитного двигателя согласно настоящему изобретению, задачей которых является достижение лучшей эффективности и, следовательно, рабочей производительности. На этих чертежах можно заметить, что расположение катушек изменено с целью увеличить число импульсов напряжения и тока за один оборот ротора.
Фиг.8А иллюстрирует конструкцию, в котором обмотка 2 состоит из четырех секторов, обеспечивающих сдвиг по фазе 90 градусов так, чтобы в процессе одного оборота ротора 6 было сгенерировано два импульса. Эту конструкцию называют двухфазной.
Фиг.8В показывает конструкцию, в которой обмотка состоит из шести секторов, обеспечивающих сдвиг по фазе друг относительно друга так, чтобы питающие импульсы электрического тока прикладывались в трех отдельных моментах за один оборот ротора. В этом случае электромагнитный двигатель называют трехфазным.
Фиг.8С показывает конструкцию, в которой обмотка 2 разделена на восемь секторов со сдвигом по фазе друг относительно друга, в которой необходимо четыре момента приложения импульсов питающего напряжения в течение одного оборота ротора. Такая конструкция называется четырехфазной.
Данные конструкции более компактны и они используют преимущества большего числа импульсов питания (прямых и обратных импульсов - в обоих направлениях обмотки) за один оборот ротора, которые ускоряют ротор и стабилизируют крутящий момент под нагрузкой.
Фиг.8D и 8Е иллюстрируют конструкцию обмотки, обеспечивающую значительное техническое преимущество, в которой обмотка первичного контура имеет асимметричную форму, подобную коническому стержню. Во вторичном контуре обмотка имеет подобную форму, при этом она наложена на спирали под углом 90 градусов относительно первичной обмотки, формируя своего рода улей.
В качестве практического примера технических эффекта и преимуществ электромагнитного двигателя в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с известными из области техники стандартными двигателями можно использовать любой потребитель электрической энергии, например бытовой вентилятор.
Типичный бытовой вентилятор среднего размера, представленный в настоящее время на рынке бытовой техники, рассчитан на потребление примерно 120 Вт электрической энергии (Р). Напряжение (U) бытовой электросети, используемой для таких устройств, обычно 127 В (или 220 В). Давайте для простоты расчета примем его за 120 V. Согласно базовым теориям электричества электрический ток (I), проходящий через двигатель этого вентилятора, равен 1 А (давайте примем коэффициент мощности этого стандартного двигателя = 1), потому что:
I=Р/U=120 Вт/120 В=1 А
Другими словами, это электрическое устройство требует 1 Ампер электрического тока, чтобы произвести мощность в 120 W, для вращения вентилятора на заданной скорости.
Когда данный известный из области техники двигатель был заменен эквивалентным электромагнитным двигателем в соответствии с настоящим изобретением, стало возможно получить ту же самую механическую работу (то есть вращение лопастей вентилятора на той же скорости) двумя последовательно подключенными батареями по 12 В (полное напряжение 24 В) и только с 0,5 ампера, протекающего через двигатель вентилятора тока. Таким образом, мощность, потребляемая двигателем вентилятора от источника питания, необходимая, чтобы произвести ту же самую механическую работу:
Р=U×I=24×0.5=12 Вт
Сравнение этих двух вентиляторов, одного с известным из области техники стандартным двигателем, а другого с электромагнитным двигателем в соответствии с настоящим изобретением, показало, что последний приблизительно в десять раз более эффективен (потребляет в 10 раз меньше энергии), чем двигатель, известный из области техники, вследствие того, что электромагнитный двигатель в соответствии с настоящим изобретением может использовать обратную энергию, запасенную в обмотке и полученную от выбросов напряжения вследствие исчезновения магнитного поля, в то время когда источник питания в определенные моменты времени включается и выключается, как было описано выше.
Альтернативно, вал электромагнитного двигателя в соответствии с настоящим изобретением может быть присоединен к механизму, который посредством механического крутящего момента, создаваемого двигателем, работает как электрогенератор. Кроме того, данное приспособление может быть присоединено к генераторам, работающим на первичных источниках энергии, или даже может заменить их.
Хотя данное изобретение описано в отношении двигателей, используемых в приборах, называемых потребителями электрической энергии, вокруг первой обмотки можно намотать вторую обмотку так, чтобы вторая обмотка получила обратную энергию или наведенное посредством индукции обратное напряжение. Подключив нить накаливания к диоду, включенному в направлении, обратном по отношению потоку обратной энергии, возможно создать сопротивление, вследствие чего упомянутая нить будет нагреваться, как это происходит в водонагревателе.
Поэтому электромагнитный двигатель, объект данного изобретения мог бы работать как нагревающее устройство, получающее тепло посредством эффекта Джоуля, не расходуя энергию из основного источника, так как расходуемая энергия для нагревания обеспечена обратными пиками напряжения.
Таким образом, на основании всего изложенного выше очевидно, что электромагнитный двигатель, объект настоящего изобретения, может обеспечить существенный выигрыш энергии, используя выбросы напряжения при исчезновении магнитного поля, также как и значительное сокращением потерь, по сравнению с двигателями, известными из области техники. Кроме того, в альтернативной конструкции схема обратной связи позволяет получить еще более существенное сокращение потребления энергии и таким образом увеличивает производительность двигателя.