ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР, ИМЕЮЩИЙ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ МАГНИТНЫЙ ВАЛ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая полезная модель относится к электрическим машинам, а именно, - к электрическим генераторам. Более конкретно, - оно относится к генератору, имеющему центральный магнитный вал.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В обычной конструкции электрического генератора самой внутренней центральной частью генератора является ротор, который представляет собой вращающийся элемент генератора. Эта вращающая часть является источником магнитного поля (то есть, намагничивающим элементом или намагничивающим слоем), который создает электромагнитное поле для генератора. Это созданное ротором магнитное поле пересекает или "разрезает" проводники в обмотках, которые являются частью статора, и генерирует электрический ток. Заявителю известны конструкции генераторов, которые имеют многослойный ротор и (или) многослойный статор.
В большинстве обычных конструкций, которые известны Заявителю, источником магнитного поля является ротор, в то время как статор всегда неподвижен и является проводником для генераторов. В других конструкциях статор не является источником магнитного поля. Заявитель отмечает, что для повышения способности генератора генерировать электрическую энергию желательно увеличивать плотность магнитного потока.
Заявитель ставит задачу создания генератора, в котором статор способствует формированию и усилению магнитного поля, но, тем не менее, представляет собой генерирующий слой, а не намагничивающий слой.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Настоящая полезная модель, соответственно, обеспечивает электрический генератор, имеющий статор и ротор, в котором:
статор содержит центральный вал и имеет по меньшей мере одну катушку на осевом конце (далее называемый участком с обмоткой) центрального вала, аксиально-смещенную таким образом, что основной центральный участок центрального вала катушкой не окружен, при этом катушка выполнена с возможностью намагничивания центрального вала, таким образом, чтобы этот центральный вал имел разнесенные друг от друга в осевом направлении разноименные магнитные полюса, причем, один полюс обеспечен на участке с обмоткой, а другой полюс обеспечен на основном центральном участке;
статор содержит множество генерирующих слоев, при этом каждый генерирующий слой содержит генерирующие обмотки, намотанные по окружности вокруг центрального вала, неподвижные относительно этого центрального вала, и радиально выровненные с основным центральным участком центрального вала;
ротор содержит намагничивающий слой, образованный коаксиально вокруг первого генерирующего слоя и радиально выровненный с основным центральным участком, этот намагничивающий слой имеет радиально удаленные друг от друга разноименные магнитные полюса, при этом внутренний магнитный полюс имеет полярность, отличную от полярности выровненного основного центрального участка центрального вала; и при этом
по меньшей мере один из генерирующих слоев выполнен в виде трубчатого узла, содержащего
трубчатое тело, которое коаксиально с центральным валом,
по меньшей мере одну катушку на осевом конце (далее называемом участком с обмоткой) трубчатого тела, аксиально-смещенную таким образом, что основной центральный участок трубчатого тела катушкой не окружен, при этом, катушка выполнена с возможностью намагничивания трубчатого тела таким образом, чтобы это трубчатое тело имело разнесенные друг от друга в осевом направлении разноименные магнитные полюса, причем один полюс обеспечен на участке с обмоткой, а другой полюс обеспечен на основном центральном участке,
при этом генерирующие обмотки обеспечены на центральном участке трубчатого тела или радиально выровнены по отношению к нему.
Основной центральный участок можно рассматривать как активную или намагничивающую часть центрального вала, даже если центральный вал обычно является генерирующим слоем.
Центральный вал может иметь на одном своем конце одну катушку. В этом случае центральный вал может иметь два магнитных полюса, один - на участке с обмоткой и один - на основном центральном участке. При этом основной центральный участок и участок с обмоткой могут быть N-S или S-N (что по всему данному описанию означает: N - северный полюс, а S - южный полюс).
Центральный вал может иметь пару катушек, по одной на каждом своем конце. В этом случае центральный вал может иметь три магнитных полюса, по одному - на каждом участке с обмоткой, и один - на основном центральном участке. Эти три магнитных полюса могут чередоваться, например, N-S-N или S-N-S.
Центральный вал может выступать в осевом направлении наружу за генерирующий слой. Более конкретно, участок с обмоткой может выступать наружу за генерирующий слой, в то время как основной центральный участок может быть окружен или охвачен генерирующим слоем. Если имеются две катушки, тогда выступать наружу за генерирующий слой могут оба конца центрального участка.
Основной центральный участок может быть в 1-5 раз больше или длиннее, чем участок с обмоткой, а более конкретно, - может быть длиннее его в 2-3 раза.
Генерирующий слой может быть первым генерирующим слоем, а генератор может содержать множество генерирующих слоев. Все генерирующие слои могут содержать статор. Генерирующие слои могут быть неподвижными относительно друг друга и относительно центрального вала. Генерирующие слои могут быть неподвижными относительно опорной конструкции или корпуса генератора.
Может быть множество намагничивающих слоев. Намагничивающие слои и генерирующий слой или слои могут быть упорядочены попеременно. Все намагничивающие слои могут содержать ротор. Намагничивающие слои могут быть неподвижными относительно друг друга. В то же время намагничивающие слои могут иметь встречное вращение. Намагничивающие слои могут иметь чередующуюся полярность.
N
N
N
Может быть  намагничивающих слоев и  генерирующих слоев, где  есть 1 или более.
N
N
N
Может быть  намагничивающих слоев и +1 генерирующих слоев, где  есть 1 или более, например, 2. Внешний слой может быть генерирующим слоем. Внешний слой может быть неподвижным. Генератор может включать в себя цилиндрический металлический кожух, который охватывает внешний слой. Этот металлический кожух и внешний слой могут опираться на раму генератора или крепиться к ней. Этот металлический кожух может служить для обеспечения магнитного возвратного пути и для формирования магнитного поля.
N
Развивая эту идею, - если имеются три или более намагничивающих слоев (т.е. ≥3), то чередующиеся намагничивающие слои могут быть вращающимися слоями, образующими часть ротора, в то время как остальные намагничивающие слои могут быть неподвижными, образующими часть статора. Один комплект намагничивающих слоев (например, неподвижные намагничивающие слои) при вращении ротора могут быть электронно-переключаемыми, для того чтобы сохранять попеременную конфигурацию полярности.
Намагничивающий (или каждый намагничивающий) слой может быть обеспечен постоянными магнитами или электромагнитами. Если намагничивающий слой обеспечен электромагнитами, то эти электромагниты могут быть электронно-переключаемыми, для того чтобы переключать или реверсировать их полярность.
Задачей конфигурирования генератора в соответствии с полезной моделью может являться:
- усиление магнитного потока между магнитными слоями, тем самым - повышение эффективность генератора;
- выпрямление магнитного поля между намагничивающими слоями для перпендикулярного пересечения или разреза его проводниками (в обмотках) в генерирующем слое (в слоях);
- уменьшение центробежной нагрузки за счет самой внутренней части (то есть центрального вала), посредством потокосцепления притягивающей все слои к центру;
- уменьшение расстояние между полюсами и тем самым - повышение эффективности генератора.
Можно заметить, что конфигурация трубчатого узла имеет сходство с конфигурацией центрального вала. Трубчатый узел может составлять часть статора.
Трубчатый узел может иметь одну катушку на одном своем конце. В таком случае трубчатый узел может иметь два магнитных полюса, один - на участке с обмоткой и один - на основном центральном участке. Основной центральный участок и участок с обмоткой могут быть N-S или S-N.
Трубчатый узел может иметь пару катушек, одну на каждом своем конце. В таком случае трубчатый узел может иметь три магнитных полюса, по одному - на каждом участке с обмоткой, и один - на основном центральном участке. Эти три магнитных полюса могут чередоваться, например, N-S-N или S-N-S.
Корпус трубчатого узла может быть выполненным из металла, например, из стали.
Трубчатый корпус может иметь круговой или многоугольный (например, квадратный, прямоугольный) профиль поперечного сечения.
Корпус трубчатого узла может содержать множество слоев. Генерирующие обмотки трубчатого узла могут быть обеспечены между этими слоями.
Намагничивающий слой может быть обеспечен радиально внутри трубчатого узла. Намагничивающий слой может быть обеспечен по обеим сторонам трубчатого узла. Намагничивающий слой (или каждый намагничивающий слой) может быть выровнен с основным центральным участком трубчатого узла. Смежный полюс намагничивающего слоя или каждого намагничивающего слоя может иметь полярность, отличную от полярности основного центрального участка трубчатого узла. Если намагничивающий слой есть на каждой стороне трубчатого узла, то смежные полюсы намагничивающих слоев могут быть одинаковыми или различными по отношению к полюсам основного центрального участка трубчатого узла. Например, основной центральный участок трубчатого узла может иметь полярность S, а смежные полюсы намагничивающего слоя или каждого намагничивающего слоя могут быть N.
Если присутствует магнитный кожух, то трубчатый корпус может быть физически или "магнитно" подсоединен к этому магнитному кожуху.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее в качестве примера, настоящая полезная модель будет описана со ссылками на приложенные схематичные чертежи.
На этих чертежах:
фиг. 1 показывает схематичный вид осевого сечения варианта исполнения генератора в соответствии с полезной моделью, который включает в себя в качестве генерирующего слоя трубчатый узел;
фиг. 2 показывает схематичный вид осевого сечения другого варианта исполнения генератора в соответствии с полезной моделью, который включает в себя в качестве генерирующих слоев два трубчатых узла;
фиг. 3 показывает схематичный вид осевого сечения другого варианта генератора по настоящей полезной модели, который включает в себя в качестве генерирующего слоя смещенный трубчатый узел; и
фиг. 4 показывает схематичный вид осевого сечения другого варианта генератора по настоящей полезной модели, который включает в себя в качестве генерирующего слоя смещенный трубчатый узел и магнитный кожух.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг. 1 иллюстрирует первый вариант исполнения генератора 300 в соответствии с полезной моделью. На всех чертежах толщины различных слоев и зазоры между слоями могут быть изображены не в масштабе, но для большей ясности иллюстрация они могут быть преувеличены или масштабированы.
Генератор 300 является электрическим генератором для получения на выходе электричества в результате механического вращательного ввода. Генератор 300 имеет центральный вал 202, который составляет основу статора генератора 300. Центральный вал 302 является цилиндрическим и удлиненным. Центральный вал 302 имеет две аксиально смещенные катушки 204, 204.1, намотанные на каждом из его концов. Наличие катушек 104, 104.1 служит для разделения центрального вала 102 на три участка: два участка 206 с обмотками и основной центральный участок 208. Основной центральный участок 208 примерно в три раза длиннее, чем каждый участок 106.
Катушки 204, 204.1 во время работы запитаны и служат в качестве электромагнита для намагничивания центрального вала 202. Соответственно, когда катушки 204, 204.1 запитаны, центральный вал 202 создает три магнитных полюса, которые в осевом направлении разнесены друг от друга. В данном примере участки 204, 204.1 с обмотками имеют полярность S, а основной центральный участок 208 имеет полярность N.
Вокруг основного центрального участка 208 центрального вала 202 обеспечены генерирующие обмотки 210. Эти генерирующие обмотки 210 по существу составляют генерирующий слой 220. Обмотки 210 могут находиться в непосредственной близости от центрального вала 202, даже упираясь в него.
Вокруг генерирующего слоя 220 обеспечен намагничивающий слой 222, предназначенный для создания магнитного потока (обычно обозначается позицией 234), продолжающегося через генерирующий слой 220. Этот намагничивающий слой 222 обеспечен электромагнитами 212. Магнитные полюса, попарно образованные намагничивающим слоем 222, являются радиально разнесенными и расположены таким образом, чтобы противоположный полюс S намагничивающего слоя 222 был выровнен с полюсом N основного центрального участка 208. Магнитный поток 234 продолжается прямо между намагничивающим слоем 222 и основным центральным участком 208 центрального вала 202 таким образом, что обмотки 210 генерирующего слоя 220 за один полный оборот перпендикулярно пересекают магнитное поле 234 по крайней мере в двух точках.
N
N
N
Кроме того, генератор 300 имеет множество генерирующих и намагничивающих слоев 220-228. В этом варианте осуществления присутствуют +1 генерирующих слоя 220, 224, 228 и  намагничивающих слоев 222, 226, где =2. Основной центральный участок 208 центрального вала 202 и намагничивающие слои 222, 226 имеют радиально чередующиеся магнитные полюса, которые в данном примере расположены как N-S-N-S-N, и поэтому обеспечивают относительно радиальное прямое магнитное поле или поток 234, продолжающийся наружу от (или внутрь, как это может быть) центрального вала 202. Намагничивающие слои 222, 226 образованы электромагнитами 212.
Намагничивающие слои 222, 226, которые имеет генератор 300, выполнены с возможностью вращения, образуя таким образом часть конструкции ротора генератора 300. Хотя это и не показано, намагничивающие слои 222, 226 подсоединены к вращательному входу генератора 200. Когда намагничивающие слои 222, 226 вращаются относительно генерирующих слоев 220, 224, 228, направленный наружу радиальный магнитный поток 234 вращается, - подобно спицам колеса, - и пересекает обмотки 210 генерирующих слоев 220, 224, 228 под прямыми углами, тем самым индуцируя ток в обмотках 210.
Хотя это и не показано, для того чтобы изменять полюсы магнитных слоев 222, 226 вместе с катушками 204, 204.1 центрального вала 202, может быть использовано электронное управление. Намагничивающие слои 222, 226 могли быть выполнены с возможностью вращения в одинаковом направлении или в противоположном направлении, поскольку полюсы на каждом слое 222, 226 имеют одну и ту же полярность. Намагничивающие слои 222, 226 могли бы также вращаться в противоположном направлении с одинаковой скоростью или с различной скоростью.
Вследствие того факта, что центральный сердечник 202, который теперь активно участвует в создании магнитного потока 234, расположен коаксиально во внутреннем намагничивающем слое 222, он наполовину уменьшает расстояние между источниками магнитного поля. В соответствии с законом Кулона, сила, действующая на заряды, косвенно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами, и поэтому, согласно закону Кулона, это действие (позиционирование источников магнитного поля) увеличивает воздействующую на заряды силу пропорционально уменьшению расстояния и, следовательно, увеличивает общую эффективность генератора 200.
Генератор 300 содержит также один трубчатый узел 310. Этот трубчатый узел 310 имеет цилиндрическое трубчатое тело 312, которое выполнено из стали и которое коаксиально с центральным валом 202. (Хотя это и не показано, трубчатое тело 312 состоит из множества прокатанных слоев, а в пазах, определенных внутри и между прокатанными слоями, намотаны генерирующие обмотки 210). Генерирующие обмотки 210 радиально выровнены по отношению к основному центральному участку 208 центрального вала 202.
Проиллюстрирован лишь небольшой осевой участок трубчатого тела 312. Трубчатое тело 312 выступает за центральный участок генератора 300, причем, этот центральный участок выровнен по отношению к основному центральному участку 208 и к магнитам 212. Как и центральный вал 202, трубчатый узел 300 разделен на основной центральный участок и участок с обмоткой, выровненные с соответствующими участками 208, 206 центрального вала 202. Участки с обмоткой трубчатого тела 312 называются так потому, что вокруг каждого концевого участка трубчатого тела 312 намотана катушка 324.
Во время работы катушки 314 эффективно запитаны с целью превращения трубчатого узла 310 в электромагнит с распределенными по оси полюсами (снова аналогичным образом тому, как работает центральный вал 202). Полюсы (в данном примере осуществления) являются N-S-N, причем, N - на намотанных участках, а S - на основном центральном участке трубчатого узла 310, что противоположно конфигурации S-N-S полюсов центрального вала 202.
Заявитель полагает, что добавление трубчатого узла 310 значительно повысит напряженность генерируемого магнитного поля 234. Соответственно, при прохождения генерирующих слоев 222, 226 через более сильное магнитное поле 234 (или наоборот) они будут генерировать больший ток.
Хотя трубчатый узел 310 может сам по себе составлять часть статора, Заявитель отмечает, что для переключения полярности трубчатого узла 310 при вращении ротора, например, через каждые 180°, может потребоваться механизм переключения. Для этого могут быть использованы известные переключающие конфигурации.
Фиг. 2 показывает генератор 350, подобный генератору 300 на фиг. 1, но отличный тем, что он включает в себя второй трубчатый узел 320 (в дополнение к (первому) трубчатому узлу 310). Этот второй трубчатый узел 320 имеет почти идентичную конфигурацию по отношению к конфигурации первого трубчатого узла 310, но имеет больший диаметр, действующий как радиально внешний генерирующий слой 228. Второй трубчатый узел 320 имеет трубчатый корпус 322 с обмотками 324 на каждом конце, для того чтобы создать разнесенные в осевом направлении магнитные полюса. В этой конфигурации полюса чередуются по схеме S-N-S, противоположно конфигурации первого трубчатого узла 310.
Фиг. 3 показывает генератор 400, который подобен генератору по фиг. 1 в том, что содержит один трубчатый узел 330 обеспечено, но отличный тем, что трубчатый узел 330 является аксиально асимметричным, имеющим трубчатый узел 332 только с одним обмоточным участком и с катушкой 334 только на одном конце. Здесь тоже участки трубчатого узла 330 и центральный вал 202 выровнены между собой в радиальном направлении.
Фиг. 4 иллюстрирует генератор 450, который основан на примере по фиг. 3, но имеет также металлический кожух 250, который связан с опорной рамкой (не показана) генератора 450. Внешний генерирующий слой 252 прикреплен к кожуху 250 изнутри его и к по меньшей мере одному концу центрального вала 202. Это сделано для изоляции и усиления в нем магнитного потока 234. Посредством соединения одного конца центрального вала 202 с внешней поверхностью внешнего генерирующего слоя 252 обеспечен путь возврата магнитного потока.
В генераторы 350, 400, 450 по каждой из фиг. 2-4 может быть введено также коммутационное устройство для реверсирования направления тока через катушки 314, 324, 334, чтобы менять полярности полюсов, образуемых трубчатыми узлами 310, 320, 330 при вращении относительно них ротора (например, через каждые 90° или 180° в зависимости от того, сколько полюсов имеют генераторы 300, 350, 400, 450 по окружности).
Трубчатый узел 310, 320, 330 по фиг. 1-4 предназначен для того, чтобы увеличить напряженность или плотность магнитного поля 234, которая может быть еще больше усилена за счет использования магнитного кожуха 250. Это, соответственно, вызовет больший ток, который будет создаваться в генерирующих обмотках 210. Однако это может обернуться большей стоимостью увеличенной сложности машины. Соответственно, точная конфигурация может быть вопросом выбора конструкции в зависимости от цены, размера, выхода и эффективности генератора и т.д.