ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА РАДИАЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к устройствам прямого преобразования потоков жидкостей и газов в трубопроводах в электрическую энергию и может быть использована для питания датчиков и приборов, установленных на трубопроводах в труднодоступных для централизованного энергоснабжения и удаленных районах нефтедобычи и нефте-газо-перекачки и передачи информации по измеряемым параметрам. Электрическая машина радиального движения (ЭМРД) вырабатывает электроэнергию на основе использования магнитогидродинамического (МГД) эффекта, возникающего при взаимодействии потока воды, электролитов, проводящей жидкости с внешним магнитным полем.
Уровень техники.
МГД-генератор (МГДГ) - энергетическая установка, в которой энергия потока рабочего тела (электропроводящей среды), движущегося во внешнем магнитном поле, преобразуется непосредственно в электрическую энергию.
Суть явления заключается в том, что при движении среды в магнитном поле, в нем индуцируется (наводится) электрический ток. Это проявление эффекта отклонения траектории движения заряженных частиц в магнитном поле под действием силы Лоренца, представляющей собой произведение величины заряда q на векторное произведение скорости потока частиц ν на величину магнитной индукции поля В и описываемую формулой:
При этом заметно проявляется эффект Холла с параметром β, плотность тока j согласно обобщенному закону Ома будет задаваться уравнением:
е
е
е
е
где σ - удельная электрическая проводимость среды, β=ωτ - безразмерный параметр Холла; ω - циклотронная частота вращения электрона в магнитном поле В; τ - время между его соударениями с другими частицами.
В простейшем кондукционном МГД-генераторе верхняя и нижняя стенки канала - проводящие электроды, боковые стенки - непроводящие. Магнитная система, состоящая из катушек, создает в канале поперечное магнитное поле В. Если электроды замкнуты на пассивную электрическую цепь с омической нагрузкой, а рабочее тело движется в канале за счет внешнего воздействия (напр. потока электролита), на проводящих электродах появляется электродвижущая сила (ЭДС), подобная той, которая возникает в электромеханическом генераторе при движении проводника в поперечном магнитном поле. Под действием ЭДС через нагрузку течет электрический ток. Такой МГДГ называют фарадеевским генератором со сплошными электродами. [Специальные электрические машины: учеб. пособие для вузов / под ред. А.И. Бертинова; изд. Букинист, 1982. - 552 с.].
x
н
Но в отличие от обычных электрических машин в кондукционном МГДГ может проявляться эффект Холла (β≥1), заключающийся в том, что в поперечном магнитном поле вектор плотности электрического тока поворачивается на некоторый угол θ по отношению к вектору электрической напряженности и он становится малоэффективным, поскольку вектор j по мере увеличения β все больше поворачивается к оси канала. Его продольная составляющая j замыкается через электроды и оказывается бесполезной. Поэтому при β≥1 рациональнее использовать линейный канал, состоящий из проводящих взаимно изолированных рамок, со сдвигом Δ соединенных диагональными перемычками. Первая и последняя рамки замкнуты через нагрузку R. При движении проводящей среды в канале при β≥1 появляется продольный холловский ток, который с помощью рамок на входе и выходе также замыкается через нагрузку.
Хорошими рабочими характеристиками в этом случае обладает диагональный МГДГ [Специальные электрические машины: учеб. пособие для вузов / под ред. А.И. Бертинова; изд. Букинист, 1982, стр. 510, рис. 12.5, 12.6].
В нем проводящие рамки наклонены под некоторым углом θ к оси канала. Наклон перемычек характеризуется углом
ν
где h - высота канала. Магнитное поле В (рис. 12.5) создается электрообмотками и направлено горизонтально на рис. 12.5 и в чертеж на рис. 1.2.6, а поток электропроводной массы (ЭПМ) проходит со скоростью ν внутри канала (слева направо на рис. 12.6), возникающий кондукционный ток J течет между электродами снизу вверх на рис. 12.6 и через крайние разнополярные электроды замыкается на нагрузку R. Каждый поперечный слой канала является элементарным генератором, в котором ток совпадает по направлению с поперечным наведенным электрическим полем E=ν×В. При этом кулоновское электрическое поле Е будет очевидно направлено перпендикулярно наклонным плоскостям рамок, поскольку они являются эквипотенциальными поверхностями и полное электрическое поле определяется суммой Е'=Е+ν×В.
Меняя угол наклона θ рамок, можно менять направления Е, Е' и j. При некотором оптимальном значении угла θ плотность тока j в ЭПМ имеет только поперечную составляющую.
Это позволяет получить на выходе канала значительно большие напряжения, чем у фарадеевского МГДГ.
Действительно, для кондукционного диагонального МГДГ с длиной канала .
z
nm
а для фарадеевского МГДГ, U=E·h, т.е. при tgθ=tgθ=β напряжение диагонального МГДГ в  раз выше, чем у фарадеевского.
Для типичных значений β=1÷2,  эта разница может быть более чем десятикратной. К другим преимуществам диагонального МГДГ следует отнести простоту внешней электрической цепи и устойчивую работу из-за отсутствию поперечных электромагнитных сил.
Удельная мощность будет:
Таким образом, мощность генератора увеличивается с ростом р. Выбор угла наклона перемычек (рамок) обеспечит максимальную эффективность. Генератор подобен набору элементарных источников тока, соединенных последовательно с помощью диагональных перемычек.
Известно устройство (аналог) по патенту РФ №2456735 С1, МПК Н02К 44/08, Н02К 44/12, 2011.28.01 «Магнитогидродинамический генератор». Технический результат известного устройства достигается благодаря тому, что МГДГ с каналами для электропроводящей среды, выполненными в виде сопел, обращенных перпендикулярно к оси генератора, и магнитной полюсной системой, обеспечивающей магнитный поток в зоне каналов, отличающийся тем, что число каналов кратно четырем, каналы соединены последовательно, причем расширяющиеся и суживающиеся области каналов расположены симметрично относительно оси МГДГ и направлены к этой оси поочередно суживающейся и расширяющейся частью.
К недостатку аналога относится низкая эффективность вследствие неоднородности магнитного поля, устранение которой за счет расширяющейся и суживающейся областей каналов резко увеличивает гидродинамическое сопротивление электропроводящей среды.
Известно устройство (прототип) по патенту РФ №2346378 С1, МПК Н02К 44/02, Н02К 44/08, Н02К 44/12, 23.10.2007 «Электрическая машина радиального движения жидкости» автора Курбасова А.С.
Данная электрическая машина радиального движения (ЭМРД) состоит из корпуса, выполненного из двух участков труб - внутренней и наружной, охватывающего двенадцать каналов, сужающихся от наружной трубы к внутренней. Между каналами расположены постоянные магниты, создающие в каналах магнитный поток. В результате взаимодействия протекающего через каналы тока с потоком жидкого металла в каналах наводится ЭДС.
По формуле изобретения ЭМРД, содержащая цилиндрический индуктор для создания магнитного потока и канал с электропроводящей подвижной массой, в которой электромагнитные и электродвижущие силы создаются во взаимодействии с магнитным полем, отличается тем, что каналы радиально расположены между источниками магнитного поля индуктора и выполнены сужающимися по направлению к оси машины.
Прототип обладает недостатком, заключающимся в низкой эффективности ЭМРД, сложности конструкции из-за большого числа постоянных магнитов, сложным образом расположенных с целью формирования каналов потока жидкости.
Недостатки аналога и прототипа могут быть устранены внесением в конструкцию ряда изменений.
Как это следует из формулы (2) плотность генерируемого ЭМРД тока j пропорциональна проводимости электропроводящей подвижной массы σ, которая в свою очередь пропорциональна концентрации носителей зарядов. Следовательно, необходимы конструктивные изменения, повышающие их концентрацию. Введение в рабочие каналы ЭМРД полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью позволит повысить концентрацию носителей зарядов, а переменное сечение полимерного материала повысит трибоэлектрический эффект.
Задачей полезной модели является разработка электрической машины радиального движения (ЭМРД), в которой устранены недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности ЭМРД, упрощение конструкции и расширение диапазона ее работы на проточные жидкости с более низкими проводимостями повышением концентрации носителей зарядов.
Технический результат достигается тем, что в электрической машине радиального действия (ЭМРД), содержащей корпус, постоянные магниты и рабочие каналы с электропроводящей подвижной массой с числом каналов более двух, в которых электромагнитные и электродвижущие силы создаются во взаимодействии с постоянным магнитным полем, при этом рабочие каналы радиально расположены между постоянными магнитами и выполнены сужающимися по направлению к центральной оси машины, причем рабочие каналы с электродами снабжены внешними перемычками, соединяющими их последовательно, согласно полезной модели, корпус имеет форму цилиндрического магнитопровода с входным и выходным отверстиями для электропроводной подвижной массы, при этом постоянные магниты выполнены в форме двух кольцевых и одного дискового постоянных магнитов, и расположены внутри корпуса с возможностью размещения между ними рабочих каналов, причем с внутренней стороны каждого рабочего канала наклонно расположены электроды, изолированные между собой изолирующими вставки из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением.
Сущность полезной модели поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, где изображены конструкция предлагаемой электрической машины радиального движения в разных проекциях и сектор конструкции двух встречных рабочих каналов.
Цифрами на фиг. 1, 2 и 3 обозначены:
1 - корпус,
2 - входное отверстие для электропроводной подвижной массы,
3 - выходное отверстие для электропроводной подвижной массы,
4, 5 - два кольцевых постоянных магнита,
6 - дисковый постоянный магнит,
7, 8 - рабочие каналы,
9 - наклонно расположенные электроды,
10 - изолирующие вставки из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением,
11 - крайние разнополярные выводные клеммы,
12 - нагрузка,
13 - внешние перемычки.
Электрическая машина радиального действия содержит корпус 1, постоянные магниты и рабочие каналы 7, 8 с электропроводящей подвижной массой (ЭПМ) с числом каналов более двух, в которых электромагнитные и электродвижущие силы создаются во взаимодействии с постоянным магнитным полем, при этом рабочие каналы 7 и 8 радиально расположены между постоянными магнитами и выполнены сужающимися по направлению к центральной оси машины, причем рабочие каналы 7 и 8 с электродами 9 снабжены внешними перемычками 13, соединяющими их последовательно.
Предлагаемая электрическая машина отличается тем, что корпус 1 имеет форму цилиндрического магнитопровода с входным 2 и выходным 3 отверстиями для электропроводной подвижной массы, при этом постоянные магниты выполнены в форме двух кольцевых 4, 5 и одного дискового 6 постоянных магнитов, и расположены внутри корпуса 1 с возможностью размещения между ними рабочих каналов 7 и 8, причем с внутренней стороны каждого рабочего канала наклонно расположены электроды 9, изолированные между собой изолирующими вставками 10 из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением.
Пример конкретного выполнения.
ЭМРД содержит ферромагнитный корпус 1 трансформаторного («горшкового») типа, входное 2 и выходное 3 отверстие для потока электропроводной подвижной массы (электролита, воды, жидкости), последовательно соединенные радиальные встречно ориентированные от центра 7 и к центру 8 рабочие каналы для потока электропроводной подвижной массы, вертикальные наклонные электроды 9 во внутренних стенках рабочих каналов 7 и 8, с изолирующими горизонтальными вставками 10 из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением, причем угол наклона электродов 9 и их число может меняться в зависимости от требуемого напряжения и тока, крайние разнополярные выводные клеммы 11, замкнутые на нагрузку 12.
Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что ЭМРД корпус 1 имеет форму цилиндрического магнитопровода с входным 2 и выходным 3 отверстиями для ЭПМ, магнитное поле создается двумя кольцевыми 4, 5 и одним дисковым 6 постоянными магнитами, между которыми попарно расположены радиальные встречно ориентированные от центра к периферии и от периферии к центру рабочие каналы 7 и 8, с внутренней стороны которых расположены наклонные электроды 9 с расположенными между ними изолирующими вставками 10 из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением, крайние разнополярные выводные клеммы 11 в рабочих каналах 7 и 8 замкнуты на нагрузку 12.
Электрическая машина радиального действия работает следующим образом.
Поток ЭПМ входит в корпус 1 через входное отверстие 2, движется по рабочим каналам 7 с внутренними наклонными электродами 9 в радиальных направлениях к периферии корпуса 1 и при этом подвергается воздействию постоянного магнитного поля, создаваемого кольцевым 4 и центральным дисковым 6 постоянными магнитами. Затем ЭПМ меняет направление потока на противоположное и по рабочим каналам 8 с внутренними наклонными электродами 9 движется от периферии к центру, подвергается воздействию постоянного магнитного поля, создаваемого дисковым 6 и кольцевым 5 постоянными магнитами. Электроды 9 в рабочих каналах 7 и 8 изолированы диэлектрическими (полимерными) вставками 10, с которых на протяжении всех каналов за счет трибоэлектрического эффекта от изолирующих вставок из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением в среду поступают дополнительные заряды, при этом на концевых крайних разнополярных выводных клеммах 11 индуцируется электрический потенциал, который замкнут на нагрузку 12. Затем ЭПМ выходит через выходное отверстие 3.
-5
Если использовать диагональный кондукционный МГДГ с длиной  м и высотой канала (расстоянием между электродами) h=0.01 м, то согласно формуле (4) при магнитном поле В=1 Тл, проводимости жидкости не менее 5·10 См·м, скорости потока ν=12 м/с, между электродами в каналах возникнет ЭДС ε=160 мВ.
При наличии же 32 радиальных рабочих каналов (16×2) в предлагаемом ЭМРД с использованием конструкции фиг. 1-3, при тех же значениях параметров рабочих каналов  м и h=0.01, постоянной эффекта Холла β=2,  и последовательном соединении электродов получим ЭДС ε=32 В. Таким образом, в более простой ЭМРД генерируемая ЭДС в 20 раз превышает значение ЭДС диагонального МГДГ при тех же параметрах.
Использование настоящей полезной модели позволит повысить эффективность ЭМРД, упростить ее конструкцию и расширить диапазон ее работы на проточные жидкости с более низкими проводимостями повышением концентрации носителей зарядов.