Система автоматического регулирования генератора постоянного тока
AUTOMATIC CONTROL SYSTEM FOR A DIRECT CURRENT GENERATOR

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для автоматического поддержания величины генерируемого напряжения постоянного тока при вариации величины тока нагрузки, например, при непрерывном подзаряде аккумуляторной батареи электромобиля.
Известны системы подзаряда аккумуляторной батареи автомобиля от генератора постоянного тока, ротор которого приводится во вращательное движение от работающего бензинового двигателя автомобиля. Поддержание требуемого напряжения в пределах от 12,6 до 13,8 Вольт осуществляется с помощью реле-регулятора напряжения.
Недостатком известной системы является необходимость периодического подзаряда аккумуляторной батареи от источника постоянного тока, подключаемого к сети 220 вольт, при достаточно длительном хранении автомобиля в гараже, например, зимой.
При построении электромобилей подзаряд высокоемкой аккумуляторной батареи, например, литий-ионного или графенового типа, приходится производить от внешних источников - станций подзаряда, что представляет определенные неудобства.
Указанный недостаток устранен в заявляемом техническом решении.
Целью изобретения является автоматическое поддержание генерируемого напряжения постоянного тока при вариации тока подзаряда аккумуляторной батареи непрерывно во времени, то есть, главным образом, и при неработающем двигателе автомобиля.
Указанная цель достигается в заявляемой системе автоматического регулирования генератора постоянного тока, содержащей источник вращения генератора постоянного тока, аккумуляторную батарею и регулятор напряжения, отличающейся тем, что источник вращения состоит из двух соосно ориентированных одноименными магнитными полюсами магнитных тороидов с встречным косокруговым намагничиванием, один из которых закреплен с ротором генератора постоянного тока, а другой закреплен в устройстве механической его подачи к вращающемуся магнитному тороиду с регулируемым по величине магнитным зазором в функции тока подзаряда аккумуляторной батареи, а регулятор напряжения выполнен в виде тягового электромагнита с двумя соленоидальными отмотками - силовой, включенной последовательно между генератором постоянного тока и аккумуляторной батареей, и управляющей, подключенной к выходу усилителя постоянного тока, и ферромагнитного сердечника, с одной стороны механически связанного штоком с не вращающимся магнитным тороидом, установленным вместе с элементами тягового электромагнита в направляющей немагнитной трубке, а с другой - с упорной пружиной, другой конец которой связан с регулировочным винтом подстройки напряжения на выходе генератора постоянного тока при отсутствующей нагрузке, причем сигнал регулирования на входе усилителя постоянного тока формируется сравнением напряжения на аккумуляторной батарее с опорным напряжением с последующим интегрированием разностного напряжения (или его фильтрацией в инерционном RC-звене).
Достижение поставленной цели изобретения обеспечивается возникновением постоянно действующего вращательного момента в двух соосно установленных магнитных тороидах с встречным косокруговым намагничиванием [1], ориентированных друг к другу с некоторым регулируемым зазором одноименными магнитными полюсами. При уменьшении указанного магнитного зазора вращательный момент возрастает, что необходимо при увеличении тока подзаряда аккумуляторной батареи при сохранении величины напряжения на выходе генератора постоянного тока в заданных пределах или, что то же самое, угловой скорости вращения ротора последнего в допустимом интервале угловых скоростей. Регулирование величины магнитного зазора достигается с помощью тягового электромагнита, механически связанного штоком с не вращающимся магнитным тороидом, соосное перемещение которого относительно вращающегося магнитного тороида осуществляется в направляющей диэлектрической трубке.
Система представлена на рис. 1 и содержит следующие элементы и узлы:
1 - генератор постоянного тока,
2 - аккумуляторную батарею,
3 - вращающийся магнитный тороид с косокруговым намагничиванием, закрепленный на оси ротора генератора 1,
4 - перемещаемый поступательно не вращающийся магнитный тороид с встречным косо-круговым намагничиванием,
5 - направляющую диэлектрическую (или мелаллическую немагнитную) трубку, соосную с осью ротора генератора 1,
6 - ферромагнитный сердечник тягового электромагнита со штоком связи с не вращающимся магнитным тороидом 4,
7 - первую силовую обмотку тягового электромагнита,
8 - вторую управляющую обмотку тягового электромагнита,
9 - упорную пружину ферромагнитного сердечника 6,
10 - регулировочный винт для упорной пружины 9,
11 - устройство сравнения напряжения на выходе генератора 1 с эталоном,
12 - источник опорного напряжения (эталона),
13 - интегратор астатической системы авторегулирования (или инерционное RC-звено статической системы авторегулирования),
14 - усилитель постоянного тока, подключенный ко второй управляющей обмотке 8 тягового электромагнита.
Выход генератора 1 соединен последовательно с аккумуляторной батареей 2 через первую силовую обмотку 7 тягового электромагнита на элементах 6, 7 и 8.
На рис. 2 представлена картина косокругового намагничивания ферромагнитного тороида. На рис. 3 и 4 показаны два соосно совмещенных ферромегнитных тороида 3 и 4 с встречным косокруговым намагничиванием для объяснения получения вращательного момента. В частности, на рис. 4 представлены тороиды 3 и 4, а также их связи:
15 - ось, неподвижно закрепленная с не вращающимся магнитным тороидом 4,
16 - траверсы крепления вращающегося тороида 3 к оси 15 через подшипник 17.
Рассмотрим действие заявляемой системы (рис. 1).
о
о
2
14
2
-6
3
Известно, что домены магнитожесткого ферромагнетика выстраиваются вдоль векторов внешнего магнитного поля. Намагничение таких ферромагнетиков в насыщающих магнитных полях приводит к их остаточной намагниченности, и такие ферромагнетики становятся постоянными магнитами. Их внутренняя энергия W определяется создаваемой ими напряженностью магнитного поля Н и объемом V ферроматериала такого магнита согласно выражению W=μμН V/2, где μ=1,256*10  Гн/м - магнитная постоянная вакуума, μ - относительная магнитная проницаемость ферроматериала. Неодимовые магниты (магниты из неодима) на сегодняшний день являются наиболее мощными из редкоземельных постоянных магнитов, и они по праву лидируют среди прочих магнитов по магнитной силе и сроку службы. Данные магниты практически полностью заменили собой традиционные ферритовые магниты. Так, изготовлены неодимовые магниты NdFeB с удельной энергией 50 МгсЭ (400 кДж/м). Эта энергия сохраняется в магните практически неограниченно долго при непрерывных силовых взаимодействиях с другими ферромагнетиками, если магнит не ударять и не сильно нагревать (вблизи точки Кюри), сохраняя тем структуру заданной ориентации магнитных доменов при намагничивании.
Известен процесс левитации постоянного магнита, расположенного над другим магнитом, когда обращенные друг к другу их магнитные полюсы одноименны и возникает отталкивающая сила, равная весу левитирующего магнита, И такой процесс длится, неограниченно долго, поскольку запасенная в этих магнитах энергия не расходуется. Это обстоятельство указывает на возможность построения преобразователя этой не расходуемой энергии в механическую энергию вращательного движения, при котором соблюдаются законы сохранения центра инерции и момента импульса при неизменном расположении магнитов друг относительно друга и кажущемся нарушении закона сохранения энергии. Это достигается от использования пары соосно располагаемых магнитных тороидов с встречным косокруговым намагничиванием впервые предложенным автором.
Процесс косокругового намагничивания осуществляется суперпозицией внешних аксиального насыщающего магнитного поля и насыщающего.кругового магнитного поля, действующего внутри магнитных торойдов. Изготавливаемый тороид при этом имеет винтообразную обмотку, намотанную на тел: тороида и последовательно соединенную с другой обмоткой соленоидального типа, и через эти обе обмотки пропускают ток магнитного насыщения для ферроматериала тороида. В зависимости от соотношения ампер-витков этих обмоток результирующие векторы намагничивания оказываются наклоненными по кругу тороида относительно его плоских граней под некоторыми углами в том или ином направлении по кругу тороида в зависимости от соединения друг с другом этих обмоток: либо по правилу «начало-конец - начало-конец» или по правилу «начало-конец - конец-начало», как это видно на рис. 2. Два таких тороида, обращенные друг к другу одноименными магнитными полюсами (рис. 3 и 4), например, южными, создают отталкивающие силы - аксиальную и круговую. Аксиальная составляющая силы отталкивает магниты один от другого вдоль их оси симметрии z, а касательные составляющие круговой, из каждой из точек на магнитных полюсов направлены по криволинейной (круговой) координате у, как показано на рис. 2 для двух точек k и m. Эти касательные силы их интегрированием по всем точкам на поверхности магнитных полюсов эквивалентны касательной силе F, лежащей в плоскости ху и перпендикулярной радиусу R некоторой соосной тороиду окружности, определяемому наружным D и внутренним d диаметрами тороидов по формуле R=(D+d) / 2, образуют вращательный момент М=F R одного тороида относительно другого. Если один магнитный тороид жестко закрепить относительно подвижного, как это показано на рис. 4, то последний под действием вращательного момента М будет вращаться в том или ином направлении с угловой скоростью ω, величина которой определяется присоединенной механической нагрузкой на вращающийся магнитный тороид с учетом трения качения, линейно возрастающего с ростом угловой скорости вращения. Такое вращение будет продолжаться практически неограниченно долго, поскольку при этом тороидальные магниты не теряют своей магнитной энергии, как и в случае левитации от действия аксиальной силы.
O
O
Представляет интерес оценка касательной силы F, которая определяется величинами аксиальной силы F*, магнитного зазора h между магнитными полюсами и углом β наклона векторов суммарной магнитной индукции относительно плоских граней магнитных тороидов с косокруговым намагничиванием. Значение искомой силы F не имеет простого аналитического решения и может быть найдено, исходя из опытных данных по силе отрыва F магнита от стальной гладкой плиты для магнитов с аксиальной намагниченностью. Из рис. 2 видно, что аксиальная сила F* и касательная сила F связаны с силой отрыва F аксиально намагниченного тороида следующими соотношениями:
O
где Н - толщина каждого из одинаковых магнитных тороидов, откуда находится решение для функции F(h) при прочих известных величинах F и Н и заданном значении угла β, легко определяемого экспериментально, имеющее вид:
O
Значение силы отрыва F экспериментально вычисляется на этапе изготовления магнита с аксиальным намагничиванием. Для расчета этой силы имеется компьютерная программа «Калькулятор силы на отрыв магнита», входными данными для которой являются значения D, d и Н тороида, а также марка его материала, например, для неодимовых магнитов марки N45, работающих нормально в диапазоне температур до 90°С.
O
Так, при использовании тороида, для которого D=80 мм, d=25 мм, Н=8 мм имеем силу F=41,85 кГ, и при значении угла β=π/4 (при этом F=Mod F*) функция F(h) может быть представлена следующей таблицей.
Сила 1кГ=9,81 н (СИ)
При этом полный ход ферромагнитного сердечника 6 в тяговом электромагните с обмотками 7 и 8 составляет всего 20 мм.
MAX
Если полагать, что скорость вращения ротора генератора постоянного тока должна быть равной n=50 об /сек, то есть круговая частота вращения составит 314 рад/сек, то мощность вырабатываемого электрического тока без учета малых потерь будет изменяться согласно выражению Р=2 π n М в пределах от 78,5 Вт до 13954 Вт. При заряде в такой системе аккумуляторной батареи с рабочим напряжением 120 В зарядный ток варьирует соответственно от 0,65 А до 116,3 А. При емкости аккумуляторной батареи в 1800 А* час и при среднем токе заряда 80 А полностью разряженная батарея полностью зарядится за 22 часа 30 минут (меньше, чем за сутки). При этом мощность тягового двигателя электромобиля принимаем равной, например, N=72 кВт (98 л.с), при которой максимальный рабочий ток в нем составляет I=72000 / 120=600 А, и при этом запаса электроэнергии хватает на 3 часа пути с максимально возможной скоростью в 160 км/час или в среднем на пробег до 400…450 км, чего обычно вполне достаточно и комфортно. Кроме того, следует отметить, что что мощность заявляемого устройства с данным примером реализации, равная 13954 Вт, соответствует мощности почти 19 л.с. Это означает, что такой электромобиль будет способен постоянно работать и без дорогостоящей аккумуляторной батареи, хотя и при сравнительно малых его динамических характеристиках (как у «Запорожца»).
Используя более энергетически емкие магнитные тороиды 3 и 4 (рис. 1), следуя указанной выше логике, можно создать высокоэффективные преобразователи неисчеза-ющей магнитной энергии в энергию электрического тока, с целью повышения мощности рабочего электродвигателя и более длительной его ежедневной работы без использования аккумуляторных батарей сверхбольшой емкости. Такое устройство может также служить надежным автономным источником электроэнергии для различных бытовых и промышленных целей, вытесняя источники энергии, основанные на использовании различного рода топлив (нефти, газа, угля и т.д.). Существенным преимуществом таких источников энергии является их экологическая чистота, что особенно важно в условиях перенаселения в ряде стран мира (Япония, Китай и др.).
O
Кратко поясним работу системы авторегулирования напряжения U, вырабатываемого генератором постоянного тока 1 (рис. 1). При подзаряде аккумуляторной батареи в зависимости от степени ее подзаряженности ток заряда изменяется от некоторого максимального до практически весьма малого. При этом напряжение U (t) в аккумуляторной батарее по мере ее заряда повышается от некоторого ее минимума до напряжения U, соответствующего полному заряду. Напряжение k U(t), где к <<1 - постоянный множитель, сравнивается в блоке 11 с опорным напряжением k U источника опорного напряжения 12 и полученная разность k [Uo - U(t)] интегрируется во времени в интеграторе 13 для астатической системы авторегулирования с нулевой остаточной ошибкой регулирования или фильтруется в инерционном RC-звене с постоянной времени τ=RС для статической системы авторегулирования с ненулевой остаточной ошибкой. Поступающий на вход усилителя постоянного тока 14 сигнал ошибки усиливается по току, поступающему в управляющую обмотку 8 тягового электромагнита, точно корректируя положение ферромагнитного сердечника 6 в диэлектрической трубке 5, внутри которой смонтированы соленоиды 6 и 7 тягового электромагнита. «Грубая» установка ферромагнитного сердечника 6 вдоль оси симметрии магнитных тороидов 3 и 4 производится током нагрузки (заряда аккумуляторной батареи 2) на выходе генератора постоянного тока 1, который протекает через силовую обмотку 7 тягового электромагнита. Сила удержания ферромагнитного сердечника 6, жестко связанного с не вращающимся магнитным тороидом 4, изменяется упорной пружиной 9 с помощью регулировочного винта 10 на этапе начальной калибровки устройства. В частности, при отключенной нагрузке генератора 1 регулировочным винтом 10 подбирается на выходе генератора 1 напряжение его «холостого хода», равное напряжению Uo, при котором токи в обмотках 7 и 8 тягового электромагнита отсутствуют, и ферромагнитный стержень занимает крайнее левое положение внутри диэлектрической трубки 5. Для приведенного выше примера это соответствует магнитному зазору h=25 мм.
В начале заряда полностью разряженной аккумуляторной батареи 2 ток заряда может достигать своего максимального значения (для рассмотренного выше примера он равен 116,3 А). Этим током, протекающем в силовой обмотке 7 тягового электромагнита, «грубо» устанавливается положение ферромагнитного сердечника 6, соответствующее магнитному зазору между магнитными тороидами 3 и 4, равному h=5 мм, с дополнительным уточнением этого положения с помощью петли авторегулирования с управляющей обмоткой 8 тягового электромагнита.
Модификацией заявляемой системы может быть включение в ее состав реле выключения генератора 1 от аккумуляторной батареи 2 при достижении ее полного заряда. Это убережет последнюю от вредного перезаряда, поскольку минимальный ток на выходе генератора 1 при этом для рассмотренного примера равен 0,65 А, то есть не нулевой. Работа этого реле отключения управляется с выхода усилителя постоянного тока 14 при достижении минимального (нулевого) управляющего напряжения на его входе.
Использование заявляемого устройства представляет особую ценность как источника даровой энергии специфическим использованием энергии магнитного поля в постоянных магнитах, не расходуемой при работе устройства с практически неограниченным сроком службы. Такие генераторы энергии могут найти широкое применение в бытовых и промышленных экологически чистых и компактных установках. Принципы действия такого «беззатратного» получения энергии (механической и электрической) должны быть объяснены физиками-теоретиками. Одной из гипотез автора может быть использование энергии «вакуумного поля» Вселенной, например, путем энергетической инверсии бозонов Хиггса, населяющих повсеместно окружающее нас пространство.
Литература
1. О.Ф. Меньших, Способ косокругового намагничивания ферромагнитного тороида, Патент РФ №2392681, опубл. в бюлл. №17 от 20.06.2010.