ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ДВИГАТЕЛЕМ СТИРЛИНГА
AC GENERATOR WITH EXTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам двигатель-генератор, и может быть использовано при проектировании и производстве источников переменного электрического тока.
Известна система двигатель-генератор переменного электрического тока [Аткинс Б. Общая теория электронных машин. Пер. с англ. И.В. Антака. Государственное энергетическое издательство. М.-Л., 1960. 272 с.], в которой для возбуждения ЭДС в силовых обмотках статора якорь совершает вращательное движение. Зачастую в этой системе в качестве двигателя используют двигатель внутреннего сгорания [Мировое судовое дизелестроение. Конструкции конструирования, анализ международного опыта: Учебн. пособие / Г.А. Конкс, В.А. Лешко. - М.: Машиностроение, 2005. 512 с.].
Недостатком такой системы является сложность преобразования с помощью кривошипно-шатунного механизма возвратно-поступательного движения поршней двигателя во вращательное движение коленчатого вала, присоединенного к якорю генератора.
Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь тепловой энергии в электрическую с двигателем Стирлинга [Уокер Г. Двигатели Стирлинга. М.: Машиностроение., 1985, с.215-217, рис.9.13]. Указанный преобразователь содержит герметичный цилиндр с рабочим поршнем из постоянного магнита, вытеснительным поршнем и рабочей средой, обмоток возбуждения, нагревателя, регенератора, холодильника и функциональных элементов, необходимых для работы преобразователя.
Недостатками этого устройства является низкая надежность рабочего поршня из магнитного материала и малая экономичность преобразователя вследствие отсутствия органов управления параметрами системы и ее функциональными внутренними и внешними связями, обеспечивающими преобразование тепловой энергии в электрическую.
Целью изобретения является повышение надежности и экономичности работы преобразователя тепловой энергии в электрическую.
Указанная цель достигается тем, что электрический генератор переменного тока (ЭГПТ) с двигателем Стирлинга, содержащий цилиндр, разделяемый подвижным вытеснительным поршнем на холодную и горячую полости, рабочий поршень, подвижно установленный в холодной полости, холодильник, регенератор и нагреватель, последовательно расположенные и соединяющие холодную и горячую полости, а также кольцевую электрическую обмотку на цилиндре, отличающийся тем, что рабочий поршень жестко соединен со штоком, выполненным из магнитного материала, сердечники электрической обмотки имеют двутавровое сечение, по обеим сторонам сердечников, вдоль оси штока расположены кольцевые магниты, обращенные друг к другу разноименными полюсами, на штоке поршня выполнены кольцевые канавки, заполненные немагнитным материалом, а на цилиндре у вытеснительного поршня установлен датчик положения поршня, последовательно электрически соединенный через микропроцессор с регулировочным клапаном на трубопроводе между нагревателем и холодной полостью. В качестве материала кольцевых магнитов использован сплав из неодим-железа-бора. Длина прорезей двутавровых сердечников электрической обмотки равна длине канавок штока поршня и толщине кольцевых магнитов, а толщина полок сердечников электрической обмотки выполняется равной толщине выступов штока поршня, при этом прорези кольцевых сердечников электрической обмотки у штока поршня заполнены немагнитным материалом.
ЭГПТ с двигателем Стирлинга характеризуется тем, что в качестве материала кольцевых магнитов использован сплав из неодим-железа-бора.
На фиг.1 представлена схема ЭГПТ с двигателем Стирлинга, на фиг.2 - вид А в разрезе.
ЭГПТ содержит цилиндр 1, разделяемый подвижным вытеснительным поршнем 2 на холодную полость 3 и горячую полость 4, рабочий поршень 5, подвижно установленный в холодной полости 3, нагреватель 6, регенератор 7 и холодильник 8, последовательно расположенные и соединяющие горячую полость 4 и холодную полость 3. ЭГПТ имеет также кольцевую электрическую обмотку 9 на цилиндре 1.
Согласно изобретению рабочий поршень 5 жестко соединен со штоком 10, выполненным из магнитного материала. Кольцевые сердечники 11 (фиг.2) электрической обмотки 9 имеют двутавровое сечение, по обеим сторонам сердечников 11 вдоль оси штока 10 расположены кольцевые магниты 12, обращенные друг к другу разноименными полюсами, на штоке 10 выполнены кольцевые канавки 13, заполненные немагнитным материалом. На цилиндре 1 у вытеснительного поршня 2 установлен датчик 14 положения поршня (фиг.1), последовательно электрически соединенный через микропроцессор 15 с регулировочным клапаном 16 на трубопроводе между холодильником 8 и холодной полостью 3. Прорези кольцевых сердечников 11 и штока 10 имеют соответственно кольцевые вставки 17 и 13 (фиг.2), выполненные из немагнитного материала.
Кольцевые сердечники 11 имеют прорези длиной ”h” и полки толщиной ”K”. Длина кольцевых канавок 13 на штоке 10 равна "H". Толщина кольцевых магнитов 12 составляет величину ”c”. Длина прорезей ”h” кольцевых двутавровых сердечников 11 равна длине канавок ”H” штока 10 и толщине ”c” кольцевых магнитов 12, а толщина полок ”k” кольцевых сердечников 15 соответствует толщине выступов ”m” штока 10.
ЭГПТ с двигателем Стирлинга работает следующим образом. При действии механизма привода (не показан) в цилиндре 1 перемещается рабочий поршень 5 и вытеснительный поршень 2 со сдвигом по фазе относительно друг друга. При резком (быстром) движении рабочего поршня 5 от НМТ к ВМТ и замедленном движении вытеснительного поршня 2 в этом же направлении происходит процесс сжатия рабочего тела, находящегося в холодной полости 3 цилиндра 1.
Затем происходит процесс подвода теплоты к рабочему телу. При этом рабочий поршень 5 совершает замедленное движение, приближаясь к своей верхней мертвой точке (ВМТ), а вытеснительный поршень 2 совершает быстрое перемещение к своей нижней мертвой точке (НМТ). За счет этого рабочее тело перемещается из холодной полости 3 через холодильник 8, регенератор 7, нагреватель 6 в горячую полость 4 цилиндра 1. При этом рабочее тело в нагревателе 6 интенсивно нагревается. Избыточное давление рабочего тела действует на рабочий поршень 5, который интенсивно перемещается к своей НМТ. При этом совершается такт расширения-рабочий ход.
Затем вытеснительный поршень 2 быстро перемещается к своей ВМТ. За счет этого рабочее тело перемещается из горячей полости 4 через нагреватель 6, регенератор 7 и холодильник 8 в холодную полость 3. При этом рабочее тело охлаждается до исходной температуры. Система приходит в исходное состояние, и цикл повторяется.
При движении рабочего поршня 5 от НМТ к ВМТ происходит холостой ход и от ВМТ к НМТ рабочий ход. Вследствие этого перемещения магнитные потоки кольцевых магнитов 12 и кольцевых сердечников 11 (фиг.2) генерируют ЭДС в электрической обмотке 9, снимаемую с электрических разъемов (на фиг.1 не обозначены). Генерирование ЭДС происходит в тот промежуток времени, когда выступы ”m” штока 10 находятся вблизи полок ”k” кольцевых сердечников 11 (на фиг.2 магнитные силовые линии показаны пунктиром).
Для регулирования рабочих положений поршней на цилиндре 1 с помощью датчика 14 (емкостного, магнитного и т.п.) определяется положение вытеснительного поршня 2. Результирующий сигнал подается на вход микропроцессора 15, где сравнивается с заданным значением, а затем соответствующий сигнал поступает на регулировочный клапан 16, который регулирует количество рабочего тела в холодной полости 3. Это обеспечивает оптимальные выходные характеристики преобразователя тепловой энергии в электрическую.
Для надежного уплотнения шток 10 выполняется цилиндрическим с заполнением кольцевых канавок 13 немагнитным материалом, например алюминиевым сплавом.
В качестве материала кольцевых магнитов 12 может использоваться сплав неодим-железо-бор, обладающий высокими магнитными свойствами. Наличие кольцевых магнитов 12, охватывающих шток 10, позволит повысить надежность уплотнения между штоком 10 и цилиндром 1 использованием магнитной смазки.
Для повышения надежности кольцевой электрической обмотки 9 (фиг.1) прорези кольцевых сердечников 11 у штока 10 имеют кольцевые вставки 17 (фиг.2), выполненные из немагнитного материала, например из алюминиевого сплава.