Электротрансформатор для работы в резонансном режиме, а также в составе статора электрогенератора
ELECTRIC TRANSFORMER FOR OPERATION IN RESONANT MODE, AS WELL AS AS PART OF THE STATOR OF AN ELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к трансформаторам и генераторам электрической энергии.
Из уровня техники широко известны DC/DC преобразователи, работа которых основана на использовании ЭДС самоиндукции дросселя, входящего в состав преобразователя.
Из уровня техники широко известны трансформаторы, содержащие по меньшей мере один броневой (Ш-образный) или стержневой (в контексте массово применяемых - П-образный), или тороидальный (О-образный), или трёхфазный (Е-образный) магнитопровод (термин по ГОСТ 18311-80, статус стандарта - действующий), а также первичную и вторичную обмотки (терминология по ГОСТ 16110-82, статус стандарта - действующий), охватывающие или пространственно разнесённые участки или совместно охватывющие один из участков магнитопровода. Магнитопроводы стыковых магнитных систем (терминология по ГОСТ 16110-82) трансформаторов могут быть выполнены сформированными из мелкодисперсного железа высокой чистоты, из ферритов; магнитопроводы стыковых или шихтованных магнитных систем (терминология по ГОСТ 16110-82) трансформаторов могут быть изготовлены из прямоугольных, Ш, Е, Г, О, С - подобных, в плане, пластин, а также из П-образно изогнутых прямоугольных пластин, сфабрикованных из горячекатанной или холоднокатанной (магнитно текстурированной) электротехнической стали; магнитопроводы навитых магниных ситем (термины по ГОСТ 16110-82) трансформаторов могут быть выполнены сформированными навивкой из ленты, сфабрикованной из электротехнической стали, или из стальной проволоки с высоким содержанием кремния.
При этом в книге Р.Х.  Бальяна «Трансформаторы малой мощности», Государственное Союзное издательство судостроительной промышленности, Л., 1961, стр. 95, указано, что торцы прямоугольных пластин, нарезанных вдоль текстуры холоднокатанной стали, должны быть скошенными на угол 45°. Данное требование объясняется необходимостью согласования (насколько это возможно) направлений магнитного потока и текстуры в углах магниопровода, формируемого из таких пластин. Несоблюдение данного требования ведёт к 30…50% росту потерь в собранном из упомянутых пластин магнитопроводе, по сравнению с потерями, характерными для материала.
6
о
Из материалов к патенту RU 2292110, МПК H03В 29/00, опубл. 20.01.2007, автор О.Ф. Меньших, известен генератор электромагнитного шума, содержащий источник постоянного тока и соединённый с ним проводник электрического тока, выполненный в виде изолированной проволоки, которая многократно сложена под углами 180 таким образом, что все её изгибы расположены на одной плоскости в тесном соприкосновении друг с другом. На стр. 6 описания, см. pdf-версию публикации, указано, что на изгибах проводника, при помещении его в криостат, было отмечено формирование электромагнитного тормозного излучения низкой частоты, что данное явление полностью согласуется с законом Фарадея об электромагнитной индукции, согласно которому всякое ускоренное (замедленное) движение заряженной частицы вызывает электромагнитное излучение. При этом данная страница также содержит упоминание о том, что скорость движения свободных электронов в проводнике пропорциональна плотности тока, протекающего по проводнику, и зависит, в том числе, от молярной массы и плотности материала проводника.
В книге Л.Л. Тир «Трансформаторы для установок индукционного нагрева повышенной частоты», Государственное энергетическое издательство, М., Л., 1961, см. стр. 27, упоминается о том, что «индуктивные сопротивленя играют бóльшую роль, чем активные, в выборе током пути в металле. Это проявляется в первую очередь в следующих известных явлениях: «поверхностном эффекте» - вытеснение тока в поверхностные слои проводника; «кольцевом эффекте» - концентрация тока в проводнике, согнутом в кольцо или спираль, на внутренней части его сечения; «эффекте близости» - концентрация тока, текущего в противоположном направлении по двум расположенным рядом проводникам, на обращённых друг к другу поверхностях проводников».
Существо упомянутых в выше расположенном абзаце эффектов объясняется в книге Д.Х. Базиева «Основы единой теории физики», М.: «Педагогика», 1994, см. §§ 19 и 20, где сказано, что движение единичного электрино вдоль проводника происходит по винтовой линии переменного радиуса и шага, ортогональный к продольной оси проводника, вектор которой характеризует орбитальное движение электрино в электрическом поле проводника, а параллельный к продольной оси проводника вектор - шаговое движение электрино вдоль проводника (см. нижний абзац стр. 331); что частота прохождения электрино вдоль проводника через данное сечение зависит от амплитуды тока (см. стр. 341 формулы 19.53…19.55, стр. 331 формулу 19.1); что нагрузочная способность проводника ограничена модулем его упругости (см. стр. 352 формула 19.118); что удельное сопротивление проводника зависит от линейных размеров атомов и от межатомных расстояний материала проводника (см. стр.358 формулу 20.10); что удельная проводимость проводника пропорциональна ширине межатомных расстояний в образующем проводник материале и обратно пропорциональна квадрату амплитуды нулевого колебания его атомов (см. стр. 360 второй снизу абзац). При этом в данной книге объявляется и утверждается, см. стр. 2 и стр. 332, что элементарным материальным носителем как магнитного поля, так и электрического тока является одна и та же частица – электрино, что вихревой пакет, см. стр. 334, является неотъемлемым свойством вихревого магнитного поля проводника, что напряжённость магнитного поля (электринного поля) и индукция, при неизменных значениях тока и напряжения линии, зависят от свойств электропроводящих материалов, см. стр. 339, формулу 19.44, что основой как напряжения линии, так и тока, является кольцевой ток и не может быть никакого противопоставления между электрическим током и магнитным полем, ибо они представляют собой лишь неотъемлемые свойства вихревого электринного поля вокруг проводника, обладающего отрицательным статическим потенциалом, см. стр. 350.
Согласно ГОСТ 22622-77 «Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных электрофизических параметров», введён 01.07.1978, статус стандарта - действующий, - под термином «дырка» (см. п. 14) понимается «Незаполненная валентная связь, которая проявляет себя как положительный заряд, численно равный заряду электрона».
1
В книге А.А. Эйхенвальда «Электричество», издание 5, М.-Л., Государственное издательство, 1928 г., автор пишет: «По воззрениям Фарадея (Майкла), все наблюдаемые нами электромагнитные силы нужно приписать той среде, где проходят лини сил, и передача сил этою средою происходит непрерывно от одной точки поля к другой, подобно передаче сил в каком-либо упругом теле. Но в упругих телах эта передача сил происходит при посредстве особых упругих напряжений, а именно натяжений или давлений, действующих между смежными частями упругого тела». Сообразно с этим Фарадей сделал гипотезу, что все линии сил, как электрические, так и магнитные, тоже как бы натянуты, и этим напряжением обуславливается взаимное притяжение разноименных полюсов, соединённых друг с другом линиями сил. Однако одного этого предположения недостаточно. Действительно, при взгляде на любой чертёж линий сил неоднородного поля… легко видеть, что, если бы существовало одно только натяжение, то все линии сил должны были бы выпрямиться, как натянутые струны, и обратиться в прямые линии, соединяющие полюсы между собою. Существование же кривых линий заставило Фарадея предположить, что кроме натяжения, между отдельными линиями существуют ещё силы, отодвигающие их друг от друга, т.е. давления. И вот при помощи этих двух гипотез, при помощи гипотезы натяжения вдоль линий сил и гипотезы давления в направлениях, к ним перпендикулярных, Фарадей объяснял все электрические, магнитные и электромагнитные взаимодействия.
1
– Не нужно эти упругие напряжения смешивать с напряжениями Е и М электрического и магнитного поля. Упругое напряжение равно силе, отнесённой к единице площади, тогда как напряжение поля равно силе, отнесённой к единице заряда» (см. стр. 298 цитируемого издания). В следующем параграфе, см. стр. 299 и 300, А.А. Эйхенвальд даёт аналитическую оценку величин фарадеевских напряжений на основании которой приходит к выводу: - «как натяжение, так и давление равны плотности электрической или магнитной энергии в данной точке поля».
Из интернет-ресурсов: http://www.softelectro.ru/scirocco.html и https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B5%D1%80%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D1%84%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%80, просмотрены 16.12.2020, известны высокочастотные фильтры, образованные магнитными системами (терминология по ГОСТ 16110-82, статус стандарта - действующий), сформированными либо в виде колец, либо в виде снабжённых сквозным каналом цилиндров или прямых параллелепипедов, изготовленных из феррита. Упомянутые магнитные системы могут быть выполнены как изготовленными зацело, так и составными, сформированными с возможностью охвата магнитной системой либо участка оболочки многожильного кабеля, либо участка оболочки одножильного изолированного провода. Магнитная система, установленная на участке одиночного провода, в зависимости от марки феррита, может работать или как индуктивность (при этом часть мощности ВЧ-волны отражается обратно в кабель), или как поглотитель (часть мощности ВЧ-волны рассеивается в феррите), или в смешанном режиме. Магнитная система, установленная на участке многожильного кабеля, формирует на этом участке синфазный трансформатор, пропускающий противофазные (полезные) сигналы и отражающий (не пропускающий) синфазные помехи – так объясняет ресурс https://ru.wikipedia... Ресурс http://www.softelectro... уточняет: «Ферритовое кольцо хорошо проводит высокочастотный сигнал. ВЧ-сигнал, проходя по каналу связи, захватывается ферритовым кольцом и крутится в нём, пока полностью не преобразует свою волновую энергию в тепло».
В примере с упомянутым выше фильтром следует обратить внимание на дистанцирование (диэлектрическое отделение) магнитной системы от электропроводящего компонента одиночного провода или от электропроводящих компонентов кабеля, а также на формальное соответствие фильтра замкнутому электропроводящему контуру, расположенному ортогонально и коаксиально, относительно электропроводящего компонента (электропроводящих компонентов) одиночного провода (кабеля).
Известно правило Ленца – Индукционные токи всегда направлены так, чтобы противодействовать тому движению, которым они воспроизводятся, цитируется по вышеупомянутой книге А.А. Эйхенвальда, см. стр. 253, при этом стр. 222 той же книги содержит следующее описание: «Производя опыты с подвижным проводником, по которому течёт электрический ток, например с вертикально подвешенной мишурою, мы заметим, что мишура отклоняется под действием магнитного поля только тогда, когда линии сил магнитного поля образуют с направлением тока некоторый угол. Если же линии сил направлены вдоль по проводнику, то никаких отклонений не замечается; сильнее же всего отклонения бывают тогда, когда магнитное поле перпендикулярно проводнику».
Интернет-ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%82%D0%BE%D0%BA, просмотрено 21.01.2021, сообщает, что электрический ток это направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда. Такими носителями могут являться: в металлах — электроны, в газах — ионы и электроны, в вакууме при определённых условиях — электроны, в полупроводниках — электроны или дырки.
а
Согласно закону Джоуля-Ленца мощность тепловых потерь (P) в проводнике с активным сопротивлением (R) пропорциональна силе протекающего тока (I) и приложенному напряжению (U):
2
2
а
P = I U = I R = U / R
э
Сопротивление излучению (R), обусловленное образованием электромагнитных волн вокруг проводника, для одиночного прямолинейного проводника, длина которого (L) значительно меньше длины излучаемой им электромагнитной волны (λ), по которому протекает ток одного направления и силы, определяется выражением:
э
R = 3200 ( L/ λ )
Исходя из приведённого выше следует, что электрическое и магнитное поля, это всё-таки вихревое движение материальных тел (согласно терминологии Д.Х.Базиева – электрино) преимущественно по-над (через тело и над телом) проводником, иначе - движение физических тел по криволинейной траектории.
Модель (фр. modеle от лат. Modulus «мера, аналог, образец») — система, исследование которой служит средством для получения информации о другой системе; представление некоторого реального процесса, устройства или концепции. Модель есть абстрактное представление реальности в какой-либо форме (например, в математической, физической, символической, графической или дескриптивной), предназначенное для представления определённых аспектов этой реальности и позволяющее получить ответы на изучаемые вопросы – из интернет-ресурса https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8C, просмотрен 07.12.2020.
В учебном пособии Э.Д. Бондаревой и М.П. Клековкиной «Изыскания и проектирование автомобильных дорог», МО и науки РФ Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2012 г., часть 1, стр. 42, см. рис. 3.4. упомянуто, что при переходе с прямолинейного участка на криволинейный на автомобиль (материальное тело) начинает действовать центробежная сила, что скорость нарастания центробежной силы и её величина зависит от траектории движения автомобиля, задаваемой архитектурой дороги – фрагмент страницы с рисунком приведена на Фиг. 1.
Если в качестве модели проводника (магнитопровода) принять ленту, а в качестве модели вихревого движения электрино над лентой и вдоль ленты принять визуальное отображение движения электрино на ленту, можно отметить как продольную, так и тангенциальную составляющие перемещения электрино вдоль ленты. Последняя характеризует собой периодическое смещение электрино в сторону того или иного боковых краёв ленты. Интервал смещения определяется физическими свойствами материала, из которого изготовлен проводник, и амплитудой протекающего по проводнику тока. Из упомянутого в выше расположенном абзаце учебного пособия и принятых в данном абзаце моделей следует, что наличие участков, сформированных трассированием или формообразованием проводника/ленты, изменяющих направление вектора продольного движения электрино от прямолинейного к радиальному или от радиального к прямолинейному, способствует ускоренному движению электрино на этих участках. Модель и характеризующая решение по патенту RU 2292110 цитата, в совокупности с другими, приведёнными выше аргументами, показывают, почему сформированные из ленты П-образные, со скруглёнными гранями, магнитопроводы трансформаторов обладают меньшими потерями, по сравнению со сформированными из ленты О-образными магнитопроводами.
9
В частности, из книги В.С. Попова, С.А. Николаева «Общая электротехника с основами электроники», М.: Энергия, 1972, стр. 69 известно, что два параллельно расположенных (в вакууме) проводника длина которых значительно больше расстояния между ними, взаимодействуют с силой, величина которой прямо пропорциональна произведению длины проводников и токов, идущих по проводам, и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками. В книге С.Г. Калашникова «Электричество», М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003, указано, что в качестве единицы электрического заряда в системе СИ принят кулон, или заряд, проходящий за 1 сек через сечение проводника, в котором имеется неизменяющийся ток силой 1А (см. стр. 17); что два точечных заряда величиной 1 Кл, удалённых друг от друга на расстояние 1 м, взаимодействуют (в вакууме) с силой 9х10Н (см. стр. 18).
Из брошюры В.А. Ацюковского «12 экспериментов по эфиродинамике», г. Жуковский, издательство «Петит», 2003, известны эксперименты «Передача энергии между обмотками в трансформаторе», см. стр. 13…15, и «Проверка зависимости коэффициента трансформации от расположения обмоток», см. стр. 16…18. Первый эксперимент обеспечен броневым магнитопроводом, сформированным с использованием Ш-образных пластин, первичной и вторичной идентичными обмотками, аксиально расположенными на центральном стержне (термин по ГОСТ 16110-82) магнитопровода, а также сигнальной обмоткой, расположенной на центральном же стержне магнитопровода эквидистантно между первичной и вторичной обмотками. Где сигнальная обмотка содержит два встречно включённых витка, расположенных в непосредственной близости друг к другу. В результате эксперимента отмечено, что при увеличении тока в цепи вторичной обмотки происходит пропорциональное величине тока увеличение напряжения на сигнальной обмотке, а также увеличение активной составляющей тока, протекающего в первичной обмотке, на основании чего делается вывод о том, что передача энергии из первичной обмотки во вторичную происходит через изменение градиента напряжённости магнитного поля (по Д.Х. Базиеву – плотности вихря электрино), создаваемого током, протекающим в первичной обмотке.
Второй эксперимент обеспечен трансформатором с О-образным магнитопроводом и двумя идентичными обмотками, одна из которых расположена на магнитопроводе неподвижно, а другая с возможностью перемещения, с последующей фиксацией, по кольцу магнитопровода. Отмечено уменьшение коэффициента трансформации при увеличении расстояния между обмотками и делается вывод о существовании взаимоиндукции проводников, а не контуров; в случае необходимости разнесения обмоток трансформатора предлагается увеличивать число витков вторичной обмотки по сравнению с числом витков, рассчитанным обычным способом.
6
Из патента RU 2418333, МПК H01F 30/10, 27/28, опубл. 10.05.2011, автор А.А. Степанов, известен трансформатор, содержащий шихтованный магнитопровод, первичную обмотку, коаксиально охватывающую стержень магнитопровода, расположенную с приближением к магнитопроводу, коаксиальную, относительно первичной, вторичную обмотку, расположенную дистанцированно от первичной, и резонансный конденсатор, включённый параллельно с первичной обмоткой. Дистанцирование вторичной обмотки от первичной обеспечивает уменьшение паразитного влияния вторичной обмотки на процессы, протекающие в первичной обмотке. Введение первичной цепи трансформатора в резонанс токов обеспечивает увеличение намагничивающей силы первичной обмотки, что сохраняет её влияние на процессы, протекающие в дистанцированной вторичной обмотке. По мнению автора патента получение технического результата изобретения возможно, в частности, при симметричном удалении вторичной обмотки трансформатора от стержня его магнитопровода.
3
Из патента SU 1086467, МПК H01F 19/04, опубл. 15.04.1984, авторы Н.А. Нестеров и Н.Н. Соловьева, известен высоковольтный трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена продольно секционированной, причём любая из секций выполнена расположенной с эксцентриситетом, относительно продольной геометрической оси стержня магнитопровода трансформатора, где любые две соседних секции расположены со смещением векторов их эксцентриситета на угол не менее 90°. По мнению авторов, данное техническое решение, в частности, позволяет увеличить КПД трансформатора.
6
Из патента RU 2625162, МПК H01F 21/08, 29/14, 1/44, опубл. 12.07.2017, автор Н.В. Нихотина, известен регулируемый трансформатор, содержащий первичную и вторичную обмотки, а также магнитную систему, сформированную полыми магнитопроводами, выполненными с возможностью заполнения полостей магнитопроводов ферромагнитной жидкостью, а также с возможностью слива ферромагнитной жидкости. Автор поясняет: - При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения по ней потечет ток, образуя переменный магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводам, который создает электродвижущие силы в обеих обмотках; изначально магнитопроводы заполнены ферромагнитной жидкостью. Слив ферромагнитной жидкости из полостей части магнитопроводов уменьшает площадь поперечного сечения магнитной системы, что ведёт к пропорциональному уменьшению магнитного потока и, следовательно, к снижению электродвижущей силы вторичной обмотки трансформатора, при этом происходит уменьшение напряжения, индуцируемого во вторичной обмотке трансформатора. Сливом / наполнением ферромагнитной жидкости осуществляют регулировку вторичного напряжения.
6
Из патента RU 2674009, МПК H01F 29/14, 30/06, опубл. 04.12.2018, автор М.И. Парамонов, известен параметрический ортогонально-потоковый трансформатор, содержащий по меньшей мере одну входную и по меньшей мере одну выходную обмотки, а также магнитную систему, образованную первым и вторым замкнутыми магнитопроводами. При этом ярмо (термин по ГОСТ 16110-82) первого магнитопровода и ярмо второго магнитопровода пересекаются друг с другом под углом 90° и имеют общий участок; входная обмотка расположена на стержне первого магнитопровода, а выходная на стержне второго магнитопровода. Автор поясняет, что изменение величины тока, протекающего во входной обмотке, изменяет магнитную проницаемость общего для первого и второго магнитопроводов участка и магнитное сопротивление второго магнитопровода, как следствие, величину индуктивности выходной обмотки. Пересечение ярм магнитопроводов, обеспечивает возможность управления в широких пределах энергетическими характеристиками входной и выходной обмоток, а ортогональное расположение входной и выходной обмоток исключает их взаимное влияние друг на друга.
Известно, что трансформаторы в режиме холостого хода могут быть достаточно легко введены в резонанс, что резонанс срывается при замыкании вторичной обмотки на нагрузку и тем легче, чем больше индуктивность вторичной обмотки и протекающий по ней ток.
Из патента US 1999446, МПК F22В 1/28, Н05В 6/02, опубл. 30.04.1935, автор Delano K James, известен трансформатор индукционного нагревателя, содержащий шихтованный магнитопровод на одном стержне которого расположена первичная обмотка, а на другом стержне – обмотка нагревателя, выполненная в виде трубки. Витки трубки могут быть выполнены последовательно расположенными, однонаправленными и короткозамкнутыми посредством двух радиально разнесённых шунтирующих перемычек или сформированными в виде двух аксиальных последовательно расположенных секций витки которых выполнены разнонаправленными, при этом выводы секций выполнены также шунтироваными. В последнем варианте решения магнитное поле, созданное одной секцией, равно и направлено противоположно магнитному полю, созданному другой секцией, что приводит к взаимной нейтрализации магнитных полей секций. Решение по цитируемому патенту, особенно в первом варианте его исполнения, предъявляет высокие требования к величине электрического сопротивления мест соединения витков трубки и шунтирующей перемычки.
Из авторского свидетельства SU 140925, МПК H05B 6/10, F27D 15/00, опубл. 26.10.1961, бюл № 17, авторы Я.И. Дробин, М.Г. Резин, известно устройство для подогрева жидкого чугуна, выполненное в виде трансформатора, содержащего шихтованный магнитопровод, а также расположенные на разнесённых стержнях магнитопровода первичную обмотку и полый, изготовленный из диамагнитного материала, тороид, снабжённый оппозитно расположенными входным и выходным патрубками. Где тороид и патрубки выполнены с возможностью протекания через них жидкого металла и с образованием в полости тороида короткозамкнутого кольца из жидкого чугуна.
6
6
Из патента US 3267406, МПК H01C 1/01, 3/02, опубл. 16.08.1966, автор Davis Richard, известен безиндуктивный электрический резистор, содержащий изолятор, сформированный в виде ленты Мёбиуса, на противолежащие поверхности которого нанесены и соответственно соединены электропроводники. Диаметрально противоположные точки электропроводников снабжены электрическими выводами. Данный резистор представляет собой два параллельно расположенных контура токи в которых, при подключении к источнику питания, протекают во взаимно противоположных направлениях, что обеспечивает взаимную компенсацию электромагнитных полей, генерируемых в каждом из контуров. При этом из заявки WO 2013184038, СРС H05B 6/108, авторы А.М. Самбук, В.М. Ивахненко, С.М. Марков, заявитель В.М. Шипилов, приоритетные заявки RU2012123351, МПК H05B 6/10, опубл. 20.12.2013, авторы В.М. Шипилов, А.М. Самбук, В.М. Ивахненко, RU 2013125924, МПК H05B 6/10, опубл. 10.12.2014, авторы В.М. Шипилов, С.М. Марков, известно устройство для преобразования электрической энергии в тепловую, выполненное в виде трансформатора, содержащего шихтованный магнитопровод, расположенные на стержне магнитопровода первичную обмотку, а также коаксиальные, относительно сетевой, первую и вторую, радиально дистанцированные, подобные обмотки нагревателя. Где любая из обмоток нагревателя сформирована с образованием электрического замкнутого контура выполненного в виде односторонней поверхности Мёбиуса. При этом обмотки нагревателя выполнены интегрироваными в компонентный состав теплообменника, сформированного с возможностью циркуляции через него нагреваемой жидкости.
Из пояснений авторов - решение по заявке WO 2013184038 обеспечивает эксплуатацию трансформатора в максимально нагруженном режиме, а также возможность работы устройства на повышенных частотах переменного тока, что обусловлено пониженной реактивной составляющей токов обмоток нагревателя.
В статье «Открытие», автор А.А. Мельниченко, размещена на интернет ресурсе http://izob.narod.ru/p0008.html, просмотрен 22.01.2021, указано:
- «…С тех пор как в 1831г. Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции, никаких существенных добавлений к нему не было сделано. В частности, все магнитные поля магнитных цепей рассматривались жёстко связанными с проводами как односвязанная система. Например, в простейшем случае намагничивания ферромагнетиков считалось, что всё магнитное сцеплено с контуром тока, обмоткой намагничивания. Однако уже в простейшем случае магнитной цепи, состоящей из двух-трех ферромагнитных объёмов разделённых немагнитным зазором могут возникать магнитные поля не образующие потокосцепления с обмоткой намагничивания, замкнутые вне контура с током»;
- «…работа источника тока, затраты электроэнергии на создание магнитного поля в магнитной цепи равны энергии магнитного поля сквозь обмотку с током. При этом, та энергия магнитного поля системы, что замкнута вне витков намагничивающей катушки не влияет на установление тока в катушке и не требует на своё образование затрат электроэнергии от источника тока, батарей, генератора и пр. Например, если мы намагнитим железный (ферромагнитный) брусок, а рядом расположим ещё один, отделив его небольшим воздушным зазором, при этом второй магнитный брусок также намагнитится, но кроме общего магнитного поля брусков возникнет вокруг второго бруска своё магнитное поле, замкнутое только вокруг него и не участвующее в магнитном взаимодействии двух ферромагнитных объёмов. Это магнитное поле я назвал вторичным. Это поле не имеет никакой индуктивной связи с обмоткой намагничивания на первом железном бруске, а самое главное не требует на своё образование никакой электроэнергии от источника тока на намагничивание. Вторичное магнитное поле обладает некоторой энергией, которую можно преобразовать в полезную электроэнергию. Для этого, при размагничивании (отключении, убывании тока в катушке на первом стержне) на втором ферромагнитном объёме (стержне, бруске) расположена съёмная специальная обмотка, которая подключается к нагрузке только при размагничивании (не участвует в намагничивании)».
К сказанному уместно вспомнить, что слово «Fer» в латинском языке означает «Нести».
Из справочника под. ред. Ю.Н. Зорина «Сварка в машиностроении», том. 4, М.: «Машиностроение», 1979, стр. 166 и 167 текст, а так же рис. 3, известны трансформаторы для машин контактной сварки, содержащие шихтованную или стыковую магнитные системы, а также первичную и вторичную (один, реже два витка) обмотки.
Шихтованные магнитные системы, см. рис. 3, фигуры а, б, трансформаторов для машин контактной сварки могут быть образованы шихтованным стержневым или броневым магнитопроводом, сформированным с использованием, соответственно, Г или Ш – подобных, в плане, пластин. Стыковые магнитные системы, см. рис. 3, фигуры в, г, трансформаторов для машин контактной сварки могут быть выполнены кольцевыми (торообразными) или броневыми; в первом случае- содержащими два шихтованных С образных (полукольцевых) магнитопровода, во втором – содержащими четыре шихтованных П-образно изогнутых (в книге - витых) магнитопровода.
Недостатком большинства массово используемых трансформаторов, является взаимное влияние обмоток, затрудняющее введение первичной обмотки в режим резонанса.
Задачей изобретения было создание трансформатора, обеспечивающего (делающего возможным) резонансный режим работы его первичной обмотки при существенной, относительно первичной обмотки, индуктивности его вторичной обмотки, а также возможность использования такого трансформатора в качестве компонента статора электрического генератора.
При этом:
1
1
- Из патента на полезную модель RU 195975, МПК H02K 1/12, H02K 1/22, опубл. 12.02.2020, авторы М.М. Панков, В.В. Краснобаев, Р.А. Губайдуллин, известен генератор, включающий в себя первый и второй аксиально разнесённые статоры*, а также установленные с возможностью механического синхронного вращения первый и второй аксиально разнесённые роторы*. Любой из статоров генератора, по цитируемому патенту, содержит О-образный, в поперечном сечении, сформированный по образу полого цилиндра, магнитопровод и распределённые вдоль радиусных поверхностей магнитопровода кольцеобразные обмотки; роторы генератора, по цитируемому патенту, выполнены расположенными в полостях магнитопроводов соответствующих статоров коаксиально, относительно продольной геометрической оси генератора.
*1 - В электротехнике термином якорь обозначают компонент электрических машин с рабочей обмоткой, а также подвижную часть магнитопроводов электромагнитов и реле. ГОСТ 27471-87 (статус стандарта - действующий) термином якорь обозначает часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины переменного тока, в которой индуктируется ЭДС и протекает ток нагрузки, а термином индуктор - статор или ротор синхронной машины, на котором размещены постоянные магниты или обмотка возбуждения. В соответствии с данными определениями, якорь и индуктор вращающейся электрической машины могут являться как её ротором, так и статором. При этом ГОСТ 27471-87 термином статор обозначает часть электрической машины, которая включает в себя неподвижный магнитопровод с обмоткой, а термином ротор - вращающуюся часть электрической машины. В целях обозначения неподвижной части электрической машины/аппарата здесь и далее использован термин статор, а подвижной части - термин ротор. При этом известно, что в устройствах, работа которых основана на использовании принципа электромагнитной индукции, подвижная часть может быть выполнена не только с возможностью вращения, но и с возможностью возвратно-поступательного движения.
Обмотки первого статора выполнены поперечно охватывающими магнитопровод первого статора, а обмотки второго статора – расположенными на обращённой к ротору стороне второго статора, причём второй статор может быть выполнен как явно полюсным, так и неявно полюсным.
Любой из роторов выполнен с возможностью формирования магнитных полей, ометающих при вращении ротора расположенные со стороны ротора поверхности статора.
2
- Из авторского свидетельства SU 753372, МПК H02K 44/00, опубл. 30.07.1980 / US 3927329, МПК H02K 44/00, H02P 9/04, F01C 1/063, опубл. 16.12.1975, авторы Fawcett Sherwood L; Anno James N, известен генератор, магнитная система которого включает в себя статор и ротор. Статор содержит изготовленный из магнитотвердого материала ʗ-образный, магнитопровод, сформированный с образованием супротивно расположенных полюсов и межполюсного (рабочего) зазора*, а также расположенную на магнитопроводе, поперечно охватывающую магнитопровод, кольцевую обмотку.
*2 - зазоры между полюсами магнитопроводов магнитных систем можно разделить на технологические, обусловленные особенностями конструктива и технологии изготовления машин/аппаратов, и рабочие, обеспечивающие работоспособность машин/аппаратов, в частности – вариативность магнитной проницаемости различных участков магнитной системы и/или взаимную подвижность составных частей магнитной системы.
Ротор образован ферромагнитными элементами, установленными с возможностью поочерёдного прохождения через межполюсный (рабочий) зазор магнитопровода статора, а именно - набором последовательно и с интервалом (по меньшей мере в районе позиционирования статора) расположенных сфероидов, размещённых, с возможностью циркуляции, в полости открытого (кольцевого) тороида, сформированного из материала с низкой магнитной проницаемостью. При этом магнитопровод статора выполнен установленным с радиальным, относительно образующей упомянутого тороида, расположением полюсов его магнитопровода.
Совершенно очевидно, что в генераторах электроэнергии, предназначенных для работы в иных обстоятельствах, но с использованием принципа, применённого в патентах US 3927329 / SU 753372, количество ферромагнитных элементов ротора может быть иным, например, равным одному (на чертежах цитируемых патентов показано большее количество ферромагнитных элементов), количество статоров, на чертежах цитируемых патентов показан один, может быть также иным, большим единицы, при этом ротор генератора может иметь иное исполнение, например, быть сформированным по образу диска, конуса, кольца, или звезды - в любом случае - ротор может быть (известно из уровня техники) выполнен и установлен с возможностью периодического изменения магнитной проницаемости межполюсного (рабочего) зазора статора.
3
4
5
6
Исходя из дуплексного (лат. - duplex «двойной) характера требований, предъявляемых к заявляемому решению, в качестве прототипа трансформатора принят трансформатор с закольцованной*, иначе - одноконтурной*, стыковой магнитной системой, приведённой на фигуре «в» рис. 3 цитированного выше справочника Ю.Н.Зорина «Сварка в машиностроении», образованной первым и вторым * неподвижно установленными магнитопроводами, каждый из которых содержит первый и второй полюсы*, где второй полюс (термин по ГОСТ 18311-80) первого магнитопровода выполнен супротивно расположенным относительно первого полюса второго магнитопровода, а второй полюс второго магнитопровода выполнен супротивно расположенным относительно первого полюса первого магнитопровода, а также первичную и вторичную обмотки, охватывающие часть магнитной системы трансформатора.
*3 – от слова кольцо, одно из значений данного термина – то, что образует замкнутую линию, см. «Толковый словарь русского языка» под ред. Д.В. Дмитриева, М.: Астель АСТ, 2003, стр. 478, п. 6 к термину кольцо.
*4 - Контур - от франц. contour, из ср.-лат. contornare «огибать»; в теории графов — путь, начальная и конечная вершины которого совпадают; в механической и тепловой технике — замкнутая система; в теории управления — замкнутая цепь звеньев системы управления, в которой посредством прямой и обратной связи соединены субъект и объект управления.
*5 - нумерация магнитопроводов условна - контекстуально связана с направлением циркуляции магнитного потока вдоль периметра магнитной системы.
*6 - нумерация полюсов условна – контекстуально связана с направлением циркуляции магнитного потока вдоль периметра магнитной системы.
Опорным решением по использованию заявляемого трансформатора в качестве компонента статора электрического генератора принят генератор по патенту SU 753372 магнитная система которого содержит статор, содержащий первый и второй супротивно расположенные дистанцированные, с образованием рабочего зазора, полюсы, а также ротор, сформированный и установленный с возможностью периодического изменения магнитной проницаемости рабочего зазора
Задача решается в трансформаторе, содержащем стыковую магнитную систему, образованную первым и вторым неподвижно установленными магнитопроводами, каждый из которых содержит первый и второй полюсы, где второй полюс первого магнитопровода выполнен супротивно расположенным относительно первого полюса второго магнитопровода, второй полюс второго магнитопровода выполнен супротивно расположенным относительно первого полюса первого магнитопровода, а также первичную и вторичную обмотки, охватывающие часть магнитной системы трансформатора.
Задача решается тем, что:
- каждый из магнитопроводов выполнен пространственно изогнутым, в плане S-образно, содержащим линейные и радиусные участки или радиусные участки различной кривизны,
- магнитная система выполнена сформированной первым и вторым магнитопроводами, установленными с образованием одного магнитно замкнутого контура, подобного, в плане, образу лемнискаты Берулли, иначе – образу цифры 8, первого и второго окон магнитной системы, а также технологического зазора, расположенного между полюсами разноимённых магнитопроводов со стороны второго окна, и рабочего зазора, расположенного между полюсами разноимённых магнитопроводов со стороны первого окна,
- первичная обмотка выполнена охватывающей часть магнитной системы трансформатора с трассированнием обмотки через первое окно магнитной системы, вторичная обмотка выполнена охватывающей часть магнитной системы трансформатора с трассированнием обмотки через второе окно магнитной системы.
Трансформатор может быть выполнен интегрированным в состав генератора электрической энергии, включающего в себя статор, содержащий магнитную систему статора и обмотку статора, а также ротор, содержащий магнитную систему ротора, где
- магнитная система статора выполнена сформированной неподвижными, изогнтыми, в плане S-образно, магнитопроводами трасформатора, установленными с образованием технологического зазора, расположенного между полюсами разноимённых магнитопроводов трансформатора на удалении от ротора генератора, и рабочего зазора, расположенного между полюсами разноимённых магнитопроводов со стороны ротора генератора,
- магнитная система ротора генератора выполнена сформированной с возможностью периодического изменения магнитной проницаемости рабочего зазора между магнитопроводами трансформатора,
- магнитопроводы трасформатора и ротор выполнены расположенными с образованием одноконтурной, с изменяемой при вращении ротора магнитной проводимимостью, магнитной системы генератора, подобной, в плане, образу лемнискаты Берулли, иначе – образу цифры 8, а таже первого и второго окон магнитной системы генератора,
- обмотка статора генератора выполнена сформированной первичной и вторичной обмотками трансформатора, охватывающими часть магнитной системы статора, при этом первичная обмотка выполнена уложенной на магнитопроводах трансформатора с трассированнием обмотки через первое окно магнитной системы генератора, а вторичная обмотка с трассированнием обмотки через второе окно магнитной системы генератора.
Изобретение иллюстрируется рисунками:
- Фиг. 1, где приведён фрагмент страницы из учебного пособия Э.Д. Бондаревой и М.П. Клековкиной «Изыскания и проектирование автомобильных дорог», показывающий эпюру сил, действующих на автомобиль при переходе с прямолинейного участка на криволинейный – модель движения носителей магнитного поля вдоль магнитопровода переменной кривизны.
- Фиг. 2, где показан эскиз заявляемого трансформатора - общий вид.
- Фиг. 3, где показан эскиз заявляемого трансформатора - вид в плане.
- Фиг. 4, где показан эскиз заявляемого трансформатора, применительно к Фиг. 3, - вид сверху.
Изобретение может быть реализовано в трансформаторе, содержащем первичную 1 и вторичную 2 обмотки и, предпочтительно, стыковую магнитную систему, формируемую первым 3 и вторым 4 шихтованными, неподвижно установленными магнитопроводами.
Каждый из магнитопроводов трансформатора выполнен содержащим линейные и радиусные чередующиеся участки или чередующиеся радиусные участки различной кривизны, а также первый и второй полюсы. Каждый из магнитопроводов трансформатора выполнен пространственно изогнутым, в плане - S-образно. При этом первый и второй магнитопроводы выполнены изогнутыми исходя из возможности последующего формирования мгнитопроводами одноконтурной магнитной системы трансформатора, подобной, в плане, образу лемнискаты Берулли или образу цифры 8, где второй полюс первого магнитопровода выполнен супротивно расположенным относительно первого полюса второго магнитопровода, а второй полюс второго магнитопровода выполнен супротивно расположенным относительно первого полюса первого магнитопровода.
Из двух предыдущих абзацев явно следует, что магнитная система трансформатора выполнена одноконтурной, при этом содержащей, в плане, первое 5 и второе 6 окна магнитной системы. К сказанному о магнитной системе остлось добавить, что формирующие её магнитопроводы выполнены установленными с образованием технологического зазора (на Фиг. 2, 3, 4 не показан), расположенного между полюсами разноимённых магнитопроводов со стороны второго окна, и рабочего зазора 7, расположенного между полюсами разноимённых магнитопроводов со стороны первого окна. При этом, в зависимости от назначения трансформатора, технологический и рабочий зазоры могут быть выполнены идентичными.
7
В целях использования трансформатора в качестве компонента статора электрогенератора рабочий зазор трансформатора должен быть выполнен с возможностью рециркуляции*, через формирующее рабочий зазор межполюсное пространство магнитной системы трансформатора, элементов магнитной системы ротора электрогенератора (не показаны), которая, в свою очередь, должна быть выполнена с возможностью периодического, в процессе рециркуляции, изменения магнитной проницаемости рабочего зазора.
*7 – рециркуляция - многократное возвращение, см. «Современный словарь иностранных слов», М.: «Русский язык», 1993, см. стр. 532.
При этом из уровня техники известно, что возможность периодического, в процессе рециркуляции, изменения магнитной проницаемости рабочего зазора магнитной системы, в данном случае трансформатора, может быть обеспечена рециркуляцией магнитомягких или магнитотвердых элементов/компонентов, входящих в состав магнитной системы ротора электрогенератора.
Первичная обмотка 1 трансформатора выполнена охватывающей чсть магнитной системы трансформатора с трассированнием обмотки через первое окно  5 магнитной системы, вторичная обмотка 2 выполнена охватывающей чсть магнитной системы трансформатора с трассированнием обмотки через второе окно 6 магнитной системы.
Любая из обмоток может быть выполнена как однослойной, так и многослойной, а также разделённой на однослойные или многослойные катушки (терминология по ГОСТ 16110 - 82).
Любая из обмоток трансформатора может быть выполнена размещённой или с охватыванием расположенного в пределах соответствующего окна участка только одного из магнитопроводов, или с охватыванием расположенных в пределах соответствующего окна участков и первого и второго магнитопроводов, включая и сформированный между ними зазор.
При этом первичная 1 и вторичная 2 обмотки могут быть выполнены размещёнными на магнитопроводах как с параллельным или близким к параллельному расположением их хорд (для дугообразно сформированных обмоток) или их геометрических осей (для обмоток, сформированных в виде полого цилиндра или кольца), так и с ортогональным или близким к ортогональному расположением упомянутого.
В случае интегрирации трансформатора в состав статора генератора  (не показан) первичная обмотка 1 или секции первичной обмотки трансформатора должна (должны) быть выполнена (выполнены) уложенной (уложенными) исключительно на магнитопроводах трансформатора с трассированнием обмотки через первое окно 5 магнитной системы генератора. В данном варианте использования трансформатора его первичная 1 обмотка исользована в функции обмотки возбуждения генератора (не показан).
Исходя из предназначения трансформатора для работы в резонансном режиме его первичная обмотка должна быть выполнена шунтированной резонансно настроенным конденсатором (не показан).
Контекстуально к заявляемому решению:
- В генераторах с возбуждением от постоянных магнитов (с магнитной системой ротора, сформированной с использованием элементов / компонентов, изготовленных из магнитотвёрдого материала) наличие конденсатора и рециркуляции магнитотвёрдых элементов / компонентов ротора (не показаны) в рабочем зазоре 7 магнитной системы трансформатора являются достаточным условием возбуждения генератора.
- Генераторы с электромагнитным возбуждением (с магнитной системой ротора, сформированной с использованием элементов/компонентов, изготовленных из магнитомягкого материала), а также трансформаторы нуждаются в подпитке, с заданной скважностью, их первичной обмотки 1 от источника напряжения (не показан). Длительность подпитывающих импульсов и пауз между ними зависит от длительности резонансных явлений, протекающих в колебательном контуре, образованном первичной обмоткой 1 трансформатора и шунтиующим её конденсатором (не показан), и может быть задана, для трансформатора - посредством электронного коммутатора, а для генератора - посредством электронного коммутатора, управляемого ротором генератора.
Методы формирования питающих импульсов и пауз между ними, а также методы управления скважностью известны из уровня техники и не имеют отношения к заявляемому. Принцип работы устройств, основанных на использовании явлений электромагнитной индукции, многократно описан в учебной литературе.
Работу одноконтурной магнитной системы, подобной, в плане, лемнискате Бернулли поясним дополнительным, к показанному в преамбуле описания, умозрительным экспериментом:
Представим вертикально расположенный прямолинейный керн, полюсы которого замкнуты в бесконечности. На керне последовательно и с интервалом расположим первичную (один-два витка) и вторичную (один-два витка) обмотки. Зададим направление тока в первичной обмотке и в соответствии с принятыми правилами определим направление магнитного потока, формируемого в керне. Исходя из направления магнитного потока, сформированного в керне, по известным правилам определим направление тока во вторичной обмотке. Направления токов в первичной и вторичной обмотках будут сонаправленными.
Теперь мысленно изогнём керн П-образно, а также с условием параллельного расположения первичной и вторичной обмоток и с сохранением изначальных направлений токов в первичной и вторичной обмотках. В данном случае направления вращения полей, создаваемых вокруг смежных участков первичной и вторичной обмоток, будут встречными. Указанное объясняет срыв протекающих в первичной обмотке явлений резонанса при росте амплитуды тока, протекающего во вторичной обмотке.
Теперь мысленно изогнём керн N-образно, с условием параллельного расположения первичной и вторичной обмоток, с расположением наклонной полки керна между первичной и вторичной обмотками и с сохранением изначальных направлений токов в первичной и вторичной обмотках. В данном случае направления вращения полей, создаваемых вокруг смежных участков первичной и вторичной обмоток, будут синфазными. При этом поля, создаваемые вокруг смежных участков первичной и вторичной обмоток, будут разделены наклонной полкой керна. N-образное исполнение керна уменьшает степень влияния токов, протекающих во вторичной обмотке, на процессы, происходящие в первичной обмотке.
Одноконтурная магнитная система, подобная, в плане, лемнискате Бернулли являет собой контур, образованный двумя N-образными, в плане, кернами, один из которых развёрнут на 180°, каждый из которых выполнен сглаженным до подобия букве S.
Междуфокусные участки такой магнитной системы (на Фиг. 3 – перекрещивающиеся участки магнитопроводов) подобны двум проводникам, по которым протекают токи (электрические/магнитные) одинакового направления. Для уменьшения взаимного влияния такие участки должны быть выполнены дистанцированными (см. Фиг. 4) и, предпочтительно, с взаимным угловым расположением (см. Фиг.2 и 3), идеально – ортогонально расположенными.
Выполнение магнитной системы трансформатора с отсутствием явно выраженных углов способствует уменьшению паразитных потоков рассеивания. Выполнение магнитной системы трансформатора, содержащей линейные и радиусные чередующиеся участки или чередующиеся радиусные участки различной кривизны обеспечивает изменение направлений векторов продольного движения магнитных токов что, способствует, в соответствии с законом Фарадея об электромагнитной индукции, выделению энергии на этих участках.
В целях дополнительного уменьшения влияния вторичной обмотки на процессы, протекающие в первичной обмотке трансформатора, подобная, в плане, лемнискате Бернулли магнитная система трансформатора, в том числе, входящего в состав статора генератора, может быть выполнена снабжённой дополнительным кольцеобразно замкнутым магнитопроводом 8, сформированным из магнитомягкого материала, расположенным во втором окне 6 магнитной системы трансформатора дистанцировано от первого 3 и второго 4 магнитопроводов. При этом вторичная обмотка 2 трансформатора выполнена, предпочтительно, охватывающей и часть магнитной системы трансформатора и соответственно обмотке расположенный (ые) участок (участки) дополнительного магнитопровода 8.
Магнитные системы трансформаторов могут быть выполнены с минимально возможными зазорами между магнитопроводами. Так называемые беззазорные магнитные системы обладают малым магнитным сопротивлением и обеспечивают создание трансформаторов с относительно небольшим количеством ампер-витков в их обмотках.
Магнитные системы трансформаторов могут быть выполнены с немагнитными зазорами, которые увеличивают магнитное сопротивление магнитной системы. Наличие немагнитного зазора снижает вероятность введения магнитопроводов магнитных систем в режим насыщения, который приводит к резким снижению индуктивных сопротивлений обмоток и возрастанию протекающего по ним тока, обеспечивает малую зависимость индуктивностей обмоток от величины протекающего по ним тока.
Исходя из того, что плотность вихревого потока пакетов электрино по-над магнитопроводом выше плотности вихревого потока пакета электрино по-над проводниками обмоток, можно предположить, что заполнение зазора материалом проводника или, например, кремний содержащим материалом, может служить ускоренному движению электрино на соответствующем зазору участке его траектории, что будет способствовать компенсации некоторой части потерь, неизбежно имеющих место в магнитной системе.
Полюсы магнитопроводов могут быть выполнены снабжёнными диэлектрическим покрытием, в частности, покрытием из оксида алюминия.
7
6
Из патента на изобретение RU 2241076, МПК C25D11/02, опубл. 27.11.2004, авторыВ.Н. Кусков, К.В. Кусков, известно, что покрытия из оксида алюминия обладают высокой механической прочностью сцепления со стальной основой изделия. Из патента на изобретение RU 2360043, МПК C25D 11/34, опубл. 27.06.2009, авторыЖ.И. Беспалова, В.А. Клушин, И.В. Смирницкая, И.А. Пятерко, известно, что покрытия из оксида алюминия обладают высокой механической прочностью сцепления со стальной основой изделия, достаточно высокой коррозионной стойкостью, высокой износостойкостью и небольшим коэффициентом трения. Из статьи М.М. Филяк, О.Н. Каныгиной «Электрофизические свойства анодного оксида алюминия», опубликованной в Вестнике ОГУ № 9 (158)/сентябрь 2013 (вестник Оренбургского государственного университета), стр. 240…244, в частности, см. рис. 3, известно, что покрытия из оксида алюминия обладают высокой диэлектрической прочностью. Диэлектрическое разделение образующих магнитопровод стержней исключает возможность контурной циркуляции постоянной составляющей тока, наводимого в магнитопроводе трансформатора.
Магнитопроводы целесообразно изготавливать в виде проклеенных пакетов холоднокатаной кремний содержащей проволоки, изготовленных с заданным формообразованием.