Солнечный электромагнитный двигатель (варианты)
SOLAR ELECTROMAGNETIC MOTOR (OPTIONS)

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к двигателям постоянного тока с постоянным магнитом, использующим солнечный фотоэлектрический генератор для питания электрических обмоток.
Известен солнечный магнитный двигатель Мендосино, содержащий ротор с осью вращения, подшипниками и электрической обмоткой, соединенной с токовыводами генератора из скоммутированных солнечных элементов с p-n переходами, размещенных на боковой поверхности ротора, а также неподвижный постоянный магнит, плоскость которого параллельна оси ротора (SolarMendocinoMotor,wwwinstuctables.com/id/solarmotor).
В известном солнечном магнитном двигателе для вращения ротора используется закон электромагнитной индукции Фарадея, электрическая энергия для питания обмоток ротора поступает от солнечного генератора.
Недостатком известного солнечного магнитного двигателя является низкий КПД использования солнечной энергии из-за затенения ротором 75% площади солнечных элементов, установленных на неосвещаемой поверхности ротора.
Другим недостатком является низкий электрический КПД солнечного магнитного двигателя из-за явления самоиндукции в обмотке ротора, которая приводит к торможению ротора при взаимодействии с магнитным полем статора.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный магнитный двигатель, содержащий ротор с осью вращения, подшипниками и электрической обмоткой, соединенной с токовыводами генератора из скоммутированных солнечных элементов с p-n переходами, размещенных на поверхности ротора, а также постоянный магнит, плоскость которого параллельна оси ротора. Ротор выполнен в виде диска из проводящего материала c осью вращения, содержащей две изолированные друг от друга полуоси ротора, одна из которых соединена с диском, а вторая с одним из токовыводов генератора, на диске с одной стороны через изолирующий слой закреплен осесимметрично генератор, постоянный магнит установлен осесимметрично с другой стороны диска и имеет площадь поверхности, соизмеримую с поверхностью диска, токовыводы генератора соединены непосредственно с полуосью ротора и с одним из контактов диска, а полуось ротора и второй контакт к диску соединены через два скользящих контакта с двумя внешними неподвижными проводниками и внешней нагрузкой (патент РФ №2684638, опубл. 11.04.2019, Бюл. №11). В варианте исполнения ротор выполнен в виде диска из проводящего материала, c осью вращения, содержащей две изолированные друг от друга полуоси ротора, одна из которых соединена с центром диска, а вторая полуось с одним из токовыводов генератора, диск состоит из изолированных криволинейных сегментов, соединенных между собой параллельно на оси и на ободе диска, границы между сегментами выполнены в виде логарифмической золотой спирали с координатами
,
где r и θ - радиус вектор и угол радиуса вектора в полярной системе координат;
– параметр золотого сечения;
α – постоянная, определяющая размер спирали и диска.
Преимуществом предлагаемого солнечного двигателя является круговая симметрия магнитного поля в диске и отсутствие потерь от вихревых токов при вращении ротора в осесимметричном магнитном поле, так как напряженность магнитного поля в роторе, в отличие от прототипа, не изменяется во времени.
Недостатком известного солнечного магнитного двигателя является низкое напряжение и большие токи в роторе, которые приводят к потерям на электрическом сопротивлении ротора. Другим недостатком являются потери энергии на скользящих контактах к ротору.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования солнечной энергии и электрического КПД солнечного магнитного двигателя.
Технический результат заключается в более полном использовании энергии солнечных элементов и увеличении их напряжения, а также в снижении потерь энергии на сопротивлении ротора и скользящих контактах к ротору.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом солнечном электромагнитном двигателе, содержащем ротор, выполненный в виде диска с осью вращения, фотоэлектрический генератор из скоммутированных солнечных элементов с p-n переходами, соединённый с электрическими катушками, статор и постоянный магнит, согласно изобретению, на краю диска ротора установлены n электрических катушек, n = 1, 2, 3… m натуральный ряд чисел, оси симметрии электрических катушек перпендикулярны плоскости диска, на статоре напротив каждой катушки установлены попарно с зазором 2n постоянных магнитов, где n = 1, 2, 3… m натуральный ряд чисел, в каждой паре магнитов плоскости сторон, содержащих северный и южный полюсы, параллельны друг другу и радиусу диска и ориентированы друг к другу противоположными полюсами с величиной зазора между магнитами 1-6 мм, одна из сторон каждой катушки ротора установлена в зазоре между магнитами в каждой паре магнитов, высота катушек ротора на 0,5-3 мм меньше величины зазора между магнитами, фотоэлектрический генератор из скоммутированных солнечных элементов установлен на роторе и соединён через диод, ёмкость и устройство импульсной коммутации с электрическими катушками ротора, устройство импульсной коммутации содержит датчик контроля расположения катушки ротора в зазоре магнитов статора и коммутатор подачи импульсного тока и напряжения на электрические катушки ротора от фотоэлектрического генератора.
В варианте солнечного электромагнитного двигателя катушки ротора соединены последовательно.
В другом варианте солнечного электромагнитного двигателя катушки ротора соединены параллельно.
Ещё в одном варианте солнечного электромагнитного двигателя катушки ротора соединены последовательно в секции, а секции соединены параллельно.
В варианте солнечного электромагнитного двигателя датчик контроля расположения катушки ротора в зазоре магнитов статора выполнен в виде датчика Холла.
В другом варианте солнечного электромагнитного двигателя датчик контроля расположения стороны катушки в зазоре магнитов статора выполнен в виде светодиода с отражателем и фотоприёмника.
Технический результат достигается также тем, что в солнечном электромагнитном двигателе, содержащем ротор, выполненный в виде диска с осью вращения, фотоэлектрический генератор из скоммутированных солнечных элементов с p-n переходами, соединённый с электрическими катушками, статор и постоянный магнит, согласно изобретению, на краю диска с двух сторон установлены попарно 2n постоянных магнитов, где n = 1, 2, 3… m натуральный ряд чисел, в каждой паре магнитов плоскости сторон, содержащих северный и южный полюсы, параллельны друг другу и радиусу диска, перпендикулярны плоскости диска и ориентированы друг к другу противоположными полюсами с величиной зазора между магнитами 1-6 мм, статор содержит n катушек, оси симметрии которых перпендикулярны плоскости диска, высота катушек меньше величины зазора между магнитами на 0,5-3 мм, одна из сторон каждой катушки статора установлена в зазоре между магнитами в каждой паре магнитов, фотоэлектрический генератор из скоммутированных солнечных элементов установлен на статоре и соединён через диод, ёмкость и устройство импульсной коммутации с электрическими катушками, устройство импульсной коммутации содержит датчик контроля расположения катушки статоров зазоре магнитов ротора и коммутатор подачи импульсного тока и напряжения на электрические катушки статора от фотоэлектрического генератора.
В варианте солнечного электромагнитного двигателя катушки статора соединены последовательно.
В другом варианте солнечного электромагнитного двигателя катушки статора соединены параллельно.
Ещё в одном варианте солнечного электромагнитного двигателя катушки статора соединены последовательно в секции, а секции соединены параллельно.
В варианте солнечного электромагнитного двигателя датчик контроля расположения стороны катушки в зазоре магнитов ротора выполнен в виде датчика Холла.
В другом варианте солнечного электромагнитного двигателя постоянного тока датчик контроля расположения стороны катушки в зазоре магнитов ротора выполнен в виде светодиода с отражателем и фотоприёмника.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на где на фиг. 1 представлен солнечный электромагнитный двигатель с электрическими катушками на роторе и постоянными магнитами на статоре, на фиг. 2 - солнечный электромагнитный двигатель с электрическими катушками на статоре и постоянными магнитами на роторе, на фиг. 3 - расположение одной пары постоянных магнитов на роторе, вид с торца, на фиг. 4 - расположение одной пары постоянных магнитов на роторе, вид сбоку.
Солнечный электромагнитный двигатель нафиг. 1 содержит ротор 1, выполненный в виде диска 2 с осью вращения 3, фотоэлектрический генератор 4 из скоммутированных солнечных элементов с p-n переходами, соединённый с электрическими катушками 5, статор 6 и постоянный магнит 7. На краю диска 2 ротора 1установлены n электрических катушек 5, n = 1, 2, 3… m натуральный ряд чисел, оси симметрии 8 электрических катушек 5 перпендикулярны плоскости диска 2, на статоре 6 напротив каждой катушки 5 установлены попарно с зазором 2n постоянных магнитов 7 и 9, где n = 1, 2, 3… m натуральный ряд чисел, в каждой паре магнитов 7 и 9 плоскости сторон, содержащих северный 10 и южный 11 полюсы, параллельны друг другу и радиусу 12 диска 2 и ориентированы друг к другу противоположными полюсами 10 и 11 с величиной зазора 13 между магнитами 7 и 9 1-6 мм, одна из сторон 14 каждой катушки 5 ротора 1 установлена в зазоре 13 между магнитами 7 и 9 в каждой паре магнитов, высота 15 катушек 5 ротора 1 на 0,5-3 мм меньше величины зазора 13 между магнитами 7 и 9, фотоэлектрический генератор 4 из скоммутированных солнечных элементов установлен на роторе 1 и соединён через диод 16, ёмкость 17 и устройство 18 импульсной коммутации с электрическими катушками 5 ротора 1, устройство импульсной коммутации 18 содержит датчик контроля 19 расположения катушки 5 ротора 1 в зазоре 13 магнитов 7 и 9 статора 6 и коммутатор 20 подачи импульсного тока и напряжения на электрические катушки 5 ротора 1 от фотоэлектрического генератора 4.
В солнечном электромагнитном двигателе постоянного тока на фиг. 1 катушки 5 ротора 1 соединены последовательно, а датчик контроля 19 расположения стороны катушки 5 в зазоре 13 магнитов 7 и 9 статора 6 выполнен в виде датчика Холла.
В солнечном электромагнитном двигателе на фиг. 2 на краю диска 21 ротора 22 с двух сторон установлены попарно 2n постоянных магнитов 23 и 24, где n = 1, 2, 3… m натуральный ряд чисел, в каждой паре магнитов 23 и 24 плоскости сторон, содержащих северный 25 и южный 26 полюсы, параллельны друг другу и радиусу 27 диска 21, перпендикулярны плоскости диска 21 и ориентированы друг к другу противоположными полюсами 25 и 26 с величиной зазора 28 между магнитами 23 и 24 1-6 мм, статор 29 содержит n катушек 30, оси симметрии 31 которых перпендикулярны плоскости диска 21, высота 32 катушек 30 меньше величины зазора 28 между магнитами 23 и 24 на 0,5-3 мм, одна из сторон 33 каждой катушки 30 статора 29 установлена в зазоре 28 между магнитами 23 и 24 в каждой паре магнитов, фотоэлектрический генератор 34 из скоммутированных солнечных элементов установлен на статоре 29 и соединён через диод 35, ёмкость 36 и устройство импульсной коммутации 37 с электрическими катушками 30, устройство импульсной коммутации 37 содержит датчик 38 контроля расположения катушки30 статора29 в зазоре 28 магнитов23 и 24 ротора22 и коммутатор 39 подачи импульсного тока и напряжения на электрические катушки30 статора29 от фотоэлектрического генератора 34.
В солнечном электромагнитном двигателе на фиг. 2 катушки 30 статора 29 соединены последовательно, а датчик 38 контроля расположения стороны катушки 30 в зазоре 28 магнитов ротора 22 выполнен в виде светодиода с отражателем и фотоприёмника.
На фиг. 3 постоянные магниты 23 и 24 установлены на краю диска 21 ротора 22 с зазором 28 разноимёнными полюсами 25 и 26 друг к другу с зазором 28 между магнитами.
На фиг. 4 одна сторона 33 каждой катушки 30 статора 29 установлена в зазоре 28. Высота 32 катушки 30 меньше величины зазора 28 между магнитами 23 и 24 на 0,5-3 мм. Ось симметрии 31 катушек 30 перпендикулярны плоскости диска 21.
Солнечный электромагнитный двигатель работает следующим образом (фиг. 4). Фотоэлектрический генератор 4 преобразует солнечное излучение в электрическую энергию. Электрическая энергия через блокирующий диод 16 поступает и накапливается в ёмкости 17. В качестве ёмкости 17 для накопления энергии можно использовать суперконденсатор или аккумулятор. Датчик контроля 19 положения катушки 5 ротора 1 на основе датчика Холла при расположении катушки 5 в зазоре 13 пары магнитов 7 и 9 статора 6 включает коммутатор 20, который выполнен в виде твёрдотельного реле. Электрический ток от ёмкости 17 поступает во все последовательно соединённые катушки 5 ротора 1. Импульсные токи в катушках 5 ротора 1 возбуждают магнитное поле, которое ортогонально магнитному полю постоянных магнитов 7 и 9 статора 6. Взаимодействие магнитных полей ротора 1 и статора 6 приводит к вращению ротора. Длительность импульса тока через катушки 5 равно времени нахождения датчика Холла и катушки 5 в зазоре 13 пары магнитов 7 и 9 статора 6. Длительность паузы между импульсами тока и скважность импульсов определяется скоростью вращения ротора 1 и расстоянием между соседними парами магнитов 7 и 9 на статоре 6, которое равно расстоянию между катушками 5 на роторе 1. Направление вращения ротора изменяют путём изменения полярности напряжения на катушках 5 ротора 1.
Примеры выполнения солнечного электромагнитного двигателя.
2
макс
3
Пример 1. Ротор 1 (фиг. 1) выполнен в виде диска 2 из стеклотекстолита диаметром 100 мм толщиной 3 мм. На роторе 1 установлено 8 катушек 5 из провода диаметром 1 мм. Число витков в каждой катушке 5 равно 3. На статоре 6 осесимметрично установлено 8 пар постоянных магнитов 7 и 9. Каждый магнит 5 и 7 N52 имеет размеры 25 х 12 х 10 мм с магнитной индукцией В = 1,45 Тл и максимальной энергией ВН = 400 кДж/м. Фотоэлектрический генератор 4 из двух кремниевых солнечных элементов с p-n переходами с КПД 20%. Напряжение на ёмкости 17 составляет 1,2 В, импульсный ток 2А. Скорость вращения ротора 1 равна 200 об/мин.
Пример 2. На роторе 22 диаметром 100 мм (фиг. 2) через 45º установлено 8 пар постоянных магнитов 23 и 24 Nd – Fe – BN 52 размером каждый 25 х 12 х 10 мм. Зазор 28 в каждой паре постоянных магнитов 23 и 24 составляет 5 мм. На статоре 29 через 45º установлены 8 электрических катушек 30. Число витков в каждой катушке 100, диаметр провода 0,2 мм, ширина катушки 35 мм, длина 45 мм, общая длина витков составляет 16 м. Активное сопротивление катушки 230 Ом. Напряжение фотоэлектрического генератора 34 составляет 110 В, ток 4 мА, потребляемая мощность 0,44 Вт, размеры 50 х 50 мм, ёмкость 36 равна 200 мкФ. Напряжение на ёмкости 40 В, импульсный ток 25 мА. Скорость вращения ротора 22 составляет 750 об/мин.
После включения питания время остановки вращения ротора составляет 30 сек и одинаково в режиме разомкнутой цепи и в режиме короткого замыкания цепи катушек, что свидетельствует об отсутствии реакции статора на ротор и противоэдс в солнечном электромагнитном двигателе.
Достоинством предлагаемого солнечного электромагнитного двигателя является высокое напряжение и малые токи в электрических катушках, низкая потребляемая энергия и отсутствие потерь на вихревые токи, на затенение солнечных элементов и на трение в скользящих контактах.