МАГНИТОТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель - магнитотепловой двигатель, предназначенный для преобразования магнитотепловой энергии в механическую и/или электрическую, относится к области энергетики и может быть использовано в авиации для создания двигателей и генераторов электрической энергии, в том числе систем автономного энергообеспечения.
Известен магнитотепловой двигатель (Патент РФ на полезную модель №118369, 2012 г.), который содержит статор, выполненный в виде двух параллельных неподвижных дисков из неметаллического материала, магнитную систему из двух разнополюсных постоянных магнитов, закрепленных на краях неподвижных дисков статора с образованием межполюсных зазоров, вал, соосно соединенный со статором через подшипники и установленный перпендикулярно статору, ротор в виде двух дисков, размещенных между полюсами магнитов, один диск выполнен сплошным, а второй - в виде кольца, при этом сплошной диск неподвижно закреплен на валу, а активные элементы - ферромагнитные пластины установлены на сплошном диске ребрами, при этом их внутренние торцы направлены к валу, а расстояние между пластинами составляет S=0,2÷20 мм, кольцевой диск закреплен на ферромагнитных пластинах, трубка для подачи горячей воды расположена напротив межполюсного зазора постоянных магнитов, а трубка для подачи холодной воды - под углом 15°÷330° от постоянных магнитов по направлению вращения дисков ротора,
Недостатком известного устройства является малая его мощность преобразования магнитотепловой энергии в механическую и/или электрическую из-за неоправданно большого межполюсного зазора постоянных магнитов, который приходится устанавливать из-за биения тонкого сплошного диска ротора, в результате чего уменьшается сила воздействия полюсов постоянного магнита на ферромагнитные пластины, что ограничивает область применения магнитотеплового устройства.
Задачей данной полезной модели является увеличение суммарной механической или электрической мощности магнитотеплового двигателя путем уменьшения межполюсного зазора постоянного магнита за счет установки ферромагнитных пластин своим концом на торец сплошного диска по всему его периметру, а также за счет увеличения толщины сплошного диска до размера, равного ширине ферромагнитных пластин, благодаря чему снижается его биение за счет улучшения жесткости диска и лучшей его балансировки.
Поставленная задача решается тем, что в известном магнитотепловом двигателе, содержащем статор, выполненный в виде двух параллельных неподвижных дисков из неметаллического материала, магнитную систему из двух разнополюсных постоянных магнитов, закрепленных на краях неподвижных дисков статора с образованием межполюсных зазоров, вал, соосно соединенный со статором через подшипники и установленный перпендикулярно статору, ротор в виде двух дисков, размещенных между полюсами постоянных магнитов, один диск выполнен сплошным, а второй - в виде кольца, при этом сплошной диск неподвижно закреплен на валу, а активные элементы - ферромагнитные пластины установлены на сплошном диске ребрами, при этом их внутренние торцы направлены к валу, а расстояние между пластинами составляет S=0,2÷20 мм, кольцевой диск закреплен на ферромагнитных пластинах, трубка для подачи горячей воды расположена напротив межполюсного зазора постоянных магнитов, а трубка для подачи холодной воды - под углом 15°÷330° от постоянных магнитов по направлению вращения дисков ротора, согласно полезной модели активные элементы - ферромагнитные пластины непождвижно установлены своим концом на торец сплошного диска по всему его периметру, при этом сплошной диск имеет толщину, равную ширине ферромагнитных пластин, дополнительно введен еще один кольцевой диск, закрепленный на свободной стороне ферромагнитных пластин, при этом ширина каждого из двух кольцевых дисков составляет b=(0,5÷0,75)L, где L - длина ферромагнитной пластины, трубки для подачи горячей и холодной вод установлены с наружной стороны сплошного диска ротора и закреплены на неподвижном диске статора.
Поставленная задача решается также за счет того, что согласно полезной модели в сплошном диске ротора для снижения его массы выполнены сквозные отверстия.
Предлагаемый магнитотепловой двигатель позволяет увеличить суммарную механическую или электрическую мощность и расширить область его применения.
На фиг.1 приведена схема магнитотеплого двигателя.
На фиг.2 приведен разрез в сечении А-А
Магнитотепловой двигатель содержит неподвижные диски 1 и 2 статора, диски 3, 4 ротора, вал 5, активные элементы - ферромагнитные пластины 6, полюса постоянных магнитов 7, подшипник 8, трубу для подвода горячей воды 9, трубу для подвода холодной воды 10 и отвертстия 11 для облегчения диска.
Статор выполнен в виде двух неподвижных дисков 1 и 2 из неметаллического материала, установленных параллельно друг другу. Постоянные магниты 7 закреплены на краях неподвижных дисков 1 и 2 статора с их тыльной стороны с образованием межполюсных зазоров, а вал 5 соосно соединен с неподвижными дисками 1 и 2 статора через подшипники 8. Ротор состоит из сплошного диска 3, в котором выполнены сквозные отвертсия 11, и двух кольцевых дисков 4, установленных с обеих сторон феррогмагнитных пластин 6 и размещенных между полюсами постоянных магнитов 7. Сплошной диск 3 ротора неподвижно закреплен на валу 5, а активные элементы - ферромагнитные пластины 6 установлены ребрами и прикреплены своим концом к торцу сплошного диска 3 по всему периметру, при этом расстояние между ферромагнитными пластинами 6 составляет S=0,2÷20 мм. Трубки для подачи горячей 9 и холодной 10 вод установлены с наружной стороны сплошного диска 3 ротора и закреплены на неподвижном диске 1 статора, при этом трубка 9 для подачи горячей воды расположена напротив межполюсного зазора постоянных магнитов 7, а трубка 10 для подачи холодной воды - под углом 15°÷330° от постоянных магнитов 7 по направлению вращения дисков 3 и 4 ротора.
Заявляемый магнитотепловой двигатель работает следующим образом.
Так как активные элементы - ферромагнитные пластины 6 установлены ребрами и прикреплены своим концом к торцу сплошного диска 3 ротора, то в межполюсном зазоре постоянных магнитов 7 одновременно расположены несколько ферромагнитных пластин 6. Горячая вода через трубку 9 под небольшим напором подается в межполюсное пространоство постоянных магнитов 7. В результате этого активные элементы - ферромагнитные пластины 6, расположенные в межполюсном зазоре постоянных магнитов 7, нагреваются до температуры, при которой ферромагнитные пластины 6 переходят в парамагнитное состояние (теряют свои магнитные свойства). Тогда постоянный магнит притягивает к себе соседнюю ферромагнитную пластину 6, не подвергшуюся еще нагреву от воздействия горячей воды, вследствие этого размагниченные пластины 6 выталкиваются из межполюсного пространства постоянного магнита 7 с силой, прямо пропорциональной скачку намагниченности активных элементов 6 и величине градиента намагниченности магнитного поля в межполюсном зазоре постоянного магнита 7.
Так как нагретые ферромагнитные пластины 6 жестко прикреплены к диску 3 ротора, то ротор, закрепленный на подвижном валу 5, совершает вращательное движение за счет полученного от пластин 6 импульса, в результате в межполюсной зазор магнитов 7 становятся другие (соседние) пластины, не подвергшиеся еще нагреву горячей водой, и цикл повторяется.
Зона охлаждения ферромагнитных пластин 6 охватывает область, находящуюся за постоянными магнитами 7 (вне области действия магнитных сил), что значительно облегчает с помощью холодной воды осуществление эффективного теплосъема с нагретых пластин 6 до температуры, при которой они полностью восстанавливают свое первоначальное магнитное состояние.
Все активные элементы - ферромагнитные пластины 6 в каждом из циклов их раздельного, поочередного нагрева - охлаждения приобретают механический импульс, сообщаемый ими диску 3 ротора магнитотеплового двигателя в направлении его вращения. Угловая скорость вращения диска 3 ротора определяется действующей на него результирующей силой, величина которой прямо пропорциональна градиенту магнитного поля на единицу длины магнитов 7 в рабочем межполюсном зазоре, суммарной массе активных элементов - ферромагнитных пластин 6, одновременно подпадающих под область действия магнитного поля, величине скачка намагниченности ферромагнитных пластин 6, практически реализуемой в цикле нагрев - охлаждение, скорости фазового перехода из ферромагнитного состояния в парамагнитное и обратно.
Так как толщина диска 3 равна ширине установленных ребрами ферромагнитных пластин 6, то увеличивается жесткость диска и появляется возможность его балансировки, благодаря чему можно существенно уменьшить его биение и установить минимальный зазор между полюсами постоянных магнитов, что увеличивает угловую скорость вращения диска 3 ротора.
Подбор конкретного материала ферромагнитных пластин 6 обусловлен выбором нагревателя и охладителя, то есть значением температуры фазового перехода (точки Кюри) ферромагнетика из ферромагнитного состояния в парамагнитное. При выбранных нагревателе и охладителе (горячая и холодная вода) в качестве материала для пластин 6 лучше всего подходит гадолиний Gd, который имеет температуру фазового перехода (точку Кюри), близкую к комнатной (20°С). При использовании гадолиниевой пластины нет необходимости нагревать воду до высоких температур (до 80°С).
Выбранный диапазон значения ширины каждого из двух кольцевых дисков 4 объясняется тем, что при ширине кольцевого диска b<0,5L, где L - длина ферромагнитной пластины 6, уменьшится жесткость кольцевого диска 4 и ферромагнитные пластины 6 при вращении сплошного диска 3 ротора из-за вибрации будут задевать полюса постоянных магнитов, что повлечет за собой снижение скорости вращения сплошного диска 3 или его остановке.
При ширине кольцевого диска b>0,75L уменьшатся скорости истечения струй горячей и холодной вод из объемов, образованных зазорами между соседними ферромагнитными пластинами 6. Это приведет к уменьшению скорости фазового перехода из ферромагнитного состояния в парамагнитное (и обратно) из-за снижения температуры нагрева ферромагнитных пластин 6, находящихся в межполюсном зазоре, а также из-за ухудшения их охлаждения, что повлечет к снижению угловой скорости вращения диска 3 ротора.
Выбранный диапазон значения расстояния между соседними ферромагнитными пластинами 5 (зазоры) объясняется тем, что при расстоянии S<0,2 мм из-за слишком узкого зазора увеличится гидравлическое сопротивление струи горячей воды, в результате чего протекание жидкости через зазор ухудшится, что отразится на нагрев платин, т.е. на работу двигателя.
При расстоянии S>20 мм между соседними ферромагнитными пластинами 5 ослабнет воздействие магнитного поля на соседнюю (ненагретую) ферромагнитную пластину, в результате чего магнит 6 не притянет к себе эту пластину и вращение ротора прекратится.
Выбор диапазона значения угла подачи холодной воды 15°-330° связан с тем, что при углах меньше 15° и больше 330° от постоянных магнитов 7 по направлению вращения дисков 3 и 4 ротора произойдет частичное попадание в межполюсной зазор холодной воды, что охладит феррогмагнитнее пластины, расположенные в нем, в результате вознинкут силы, противдействующие вращению ротора диска.
Снижение массы сплошного диска 3 ротора за счет организации сквозных отверстий 11 способствует увеличению угловой скорости вращения диска 3.
Использование полезной модели позволит увеличить механическую или электрическую мощность магнитотеплового двигателя и расширить область его применения, что даст, несомненно, экономический эффект.