ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР ПОПЕРЕЧНОЙ СХЕМЫ
CROSS SCHEME LINEAR POWER GENERATOR

Изобретение относится к области электрических машин, а более конкретно - к электрогенераторам. Известен тип электрогенератора с линейным продольным относительным движением статора и ротора (см. например патент РФ №2304341 или журнал «Популярная механика» №4, 2010 г., стр. 89). Один из них, статор или ротор, конструктивно представляет собой постоянный магнит или набор постоянных магнитов в стальной оправке, или электромагнит. Другой элемент представляет собой одну или несколько катушек индуктивности. Иногда катушки располагаются на железных сердечниках. В любом случае продольные оси магнитов и катушек совмещены и магнитный поток от магнитов направлен вдоль общей продольной оси. При относительном движении магнитов и катушек изменяется пронизывающий катушки магнитный поток, и в них наводится электродвижущая сила индукции пропорциональная скорости изменения потока (см. «Элементарный учебник физики» под редакцией Г.С. Ландсберга, том 2, Москва 1971, стр. 377). При замыкании катушек на нагрузку через нее протекает индуцированный электрический ток.
В таких генераторах для возбуждения движения необходимо приложить к подвижному элементу в направлении движения, совпадающим с направлением вектора напряженности магнитного поля, механическую силу, преодолевающую силу инерции подвижного элемента, силу трения между ним и его направляющими и силу сопротивления движению, созданную генерируемым электрическим током. Выполняется эта задача внешним приводом, который может механически соединяться с подвижным элементом генератора специальным узлом, но принципиально в состав генератора не входит, поэтому один и тот же генератор может работать с разными приводами. Затраты механической силы на движение подвижного элемента снижают эффективность работы, или к.п.д., генератора.
Задача настоящего изобретения заключается в повышении эффективности действия линейного электрогенератора.
Техническим результатом изобретения будет линейный электрогенератор новой, «поперечной», схемы, свободный от зазоров и трения между статором и ротором, с пониженным требуемым для генерации электроэнергии значением прикладываемой к подвижному элементу силы и, в конечном счете, с повышенным к.п.д.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что магнит совместно с последовательно соединенными с ним сердечниками, на которых установлены катушки индуктивности, образуют имеющий разрыв магнитопроводящий контур, в разрыве контура установлен на магнитопроводящих маломоментных опорах со свободой линейного движения поперек магнитного потока контура подвижный магнитопроводящий сердечник, совместно с опорами замыкающий контур и механически связанный с узлом присоединения внешнего привода Линейные генераторы, подобные предлагаемому, неизвестны. Поэтому назовем его в соответствии с его отличительной особенностью «линейный электрогенератор поперечной схемы», т.к. рабочее движение в нем происходит поперек направления возбуждающего магнитного потока в отличие от классической схемы, где движение происходит вдоль потока.
За прототип предлагаемого изобретения можно принять выше упомянутые линейные генераторы по а.с. 2304341 и приведенный в журнале «Популярная механика №4, 2010 г. Недостатки этих генераторов состоят в довольно низкой эффективности, что, в частности, вызвано технологическим несовершенством конструкции, приводящим к электрическим потерям. Для уменьшения электрических потерь целесообразно свести к минимуму зазор, трение и биение между статором и ротором. Еще одним недостатком можно считать необходимость для получения единицы электрической мощности, значительной, движущей силы.
В предлагаемом генераторе эти недостатки либо полностью устранены, либо уменьшены.
На рис. 1 показана структура линейного электрогенератора поперечной схемы.
Генератор состоит из. статора в виде магнита-1, последовательно жестко соединенных с ним сердечников - 2, 3 с установленными на них катушками индуктивности - 4, 5 и ротора в виде подвижного магнитопроводящего сердечника-6, установленного в зазоре между сердечниками - 2, 3 на магнитопроводящих маломоментных опорах - 7, например на стальных шариках, со свободой движения поперек направления магнитного потока в зазоре, и механически соединенного с узлом - 8 присоединения внешнего привода.
В свободном состоянии продольная ось сердечника - 6 совмещена силами магнитного притяжения с вектором напряженности магнитного поля в зазоре между свободными торцами сердечников - 2, 3.
Предлагаемый генератор может работать с различными приводами. Например, он мыслится для работы в составе ветроэлектростанции с линейным возвратно-поступательным движением ветроэнергетического преобразователя (см. патент РФ №2338923). В этой структуре подвижный элемент преобразователя должен быть механически соединен с узлом - 8 присоединения внешнего привода. При обдувании ветроэнергетического преобразователя потоком среды (воздух или вода) его подвижный элемент совершает линейные колебания и приводит присоединенный сердечник - 6 в линейные колебания поперек магнитного потока в зазоре между сердечниками - 2, 3. В результате перемещения подвижного сердечника - 6 изменяются магнитная проводимость и магнитный поток в зазоре. Эти изменения синхронно индуцируют электродвижущие силы в катушках - 4, 5 и, если катушки замкнуты на нагрузку, то порожденные в них электродвижущими силами токи поступают на нее.
В предлагаемом генераторе импульс силы, необходимый со стороны привода, гораздо меньше по отношению к генерируемому току, чем импульс силы в обычном линейном генераторе по отношению к такому же току. Это объясняется тем, что, как известно из опыта, магнит, притянувшийся к металлической поверхности, оторвать от нее в направлении перпендикулярно поверхности, т.е. в направлении вектора магнитного потока, гораздо труднее, чем двигать его по поверхности перпендикулярно вектору магнитного потока. Поскольку в предлагаемом генераторе рабочее движение именно такое, получается выигрыш в требуемой для движения силе, в тоже время необходимое для возникновения э.д.с. изменение магнитного потока обеспечивается.
Дополнительный выигрыш обеспечивает установка подвижного сердечника на магнитопроводящих маломоментных опорах. Поскольку трение в этих опорах мало, мала и необходимая для его преодоления внешняя сила.
Повышению производительности предлагаемого генератора способствует и устранение зазора, несоосности и биения ротора относительно статора, т.к. в данной схеме статор и ротор жестко соединены.
Эти технические решения обеспечивают значительное повышение эффективности работы линейного генератора, выражающейся в более высокой электрической производительности, или, что то же самое, - в повышении к.п.д. генератора.
Разрывов в контуре может быть несколько и соответственно - несколько соединенных с приводом подвижных сердечников. Вопрос решается опытным путем. Привод сердечника может быть любым, единственное требование - возвратно-поступательное движение соединенного с сердечником элемента.