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 изобретение №2167338, 2001 г.), который содержит статор, магнитную систему из двух разнополюсных постоянных магнитов, вал, установленный перпендикулярно статору, ротор в виде двух дисков, размещенных на валу с возможностью вращения вокруг своей оси, активные элементы, выполненные в виде ферромагнитных пластин и размещенные на дисках ротора по их периметру, и трубки для подвода горячей и холодной вод.
Недостатком известного устройства является малая его мощность преобразования магнитотепловой энергии в механическую и/или электрическую из-за невозможности размещения на дисках ротора большого числа активных элементов в связи с их расположением на периферии дисков плашмя, что ограничивает область применения магнитотеплового устройства.
Задачей данной полезной модели является увеличение суммарной механической или электрической мощности магнитотеплового двигателя путем увеличения количества ферромагнитных пластин, размещенных в межполюсном зазоре постоянных магнитов магнитной системы, за счет их установки на сплошном диске ротора ребрами.
Поставленная задача решается тем, что в известном магнитотепловом двигателе, содержащем статор, магнитную систему из двух разнополюсных постоянных магнитов, вал, установленный перпендикулярно статору, ротор в виде двух дисков, активные элементы, выполненные в виде ферромагнитных пластин и размещенные на дисках ротора по их периметру, и трубки для подвода горячей и холодной вод, согласно полезной модели статор выполнен в виде двух неподвижных дисков из неметаллического материала, установленных параллельно друг другу, разнополюсные постоянные магниты закреплены на краях неподвижных дисков с их тыльной стороны с образованием межполюсных зазоров, вал соосно соединен со статором через подшипники, ротор состоит из двух дисков, размещенных между полюсами постоянных магнитов, один диск выполнен сплошным, а второй - в виде кольца, 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 пластинах, трубки для подачи горячей и холодной вод установлены внутри кольцевого диска и закреплены на неподвижном диске статора, при этом 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.
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
На фиг.3 изображен магнитотеплой двигатель со стороны размещения постоянных магнитов магнитной системы.
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.
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 и кольцевого диска 4, размещенных между полюсами постоянных магнитов 7. Сплошной диск 3 ротора неподвижно закреплен на валу 5, а активные элементы - ферромагнитные пластины 6 установлены на сплошном диске 3 ребрами, при этом их внутренние торцы направлены к валу 5, а расстояние между ферромагнитными пластинами 6 составляет S=0,2÷20 мм. Кольцевой диск 4 ротора закреплен на ферромагнитных пластинах 6, а трубки для подачи горячей 9 и холодной 10 вод установлены внутри кольцевого диска 4 и закреплены на неподвижном диске 2 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 к сплошному диску 3 ротора ребрами, 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) и как следствие выталкиваются из межполюсного пространства магнитов 7 с силой, прямо пропорциональной скачку намагниченности активных элементов 6 и величине градиента намагниченности магнитного поля в межполюсном зазоре магнитов 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 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.
Таким образом, при установке ферромагнитных пластин 6 на сплошном диске 3 ротора ребрами увеличивается число пластин (и, следовательно, их суммарная масса), расположенных в межполюсном зазоре магнитов 7, подпадающих под область действия магнитного поля (постоянных магнитов 7), вследствие чего возрастает угловая 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 состояние 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 расстояния между соседними ферромагнитными пластинами 6 объясняется тем, что при расстоянии S<0,2 мм снизится температура нагрева ферромагнитных пластин 6, расположенных в межполюсном пространстве постоянных магнитов 7 из-за растекания тепла по другим соседним пластинам, в результате температура нагрева ферромагнитных пластин 6 может не достичь температуры, при которой ферромагнитные пластины 6 переходят в парамагнитное состояние (теряют свои магнитные свойства).
При расстоянии S>20 мм между соседними ферромагнитными пластинами 6 ослабнет воздействие магнитного поля на соседнюю (ненагретую) пластину, в результате магнит не притянет к себе эту пластину и вращение ротора прекратится. Кроме того, при большом зазоре уменьшается количество ферромагнитных пластин 6, размещенных между полюсами постоянных магнитов 7, что приведет к снижению их суммарной массы, от которой в том числе зависит угловая скорость вращения диска 3 ротора.
Расположение трубки 10 подачи холодной воды к постоянным магнитам 7 ближе, чем под углом 15° приведет к снижению температуры нагрева ферромагнитных пластин 6, находящихся в межполюсном зазоре, в результате они не достигнут температуры, при которой ферромагнитные пластины 6 переходят в парамагнитное состояние (теряют свои магнитные свойства).
Расположение трубки 10 подачи холодной воды к постоянным магнитам 7 дальше, чем под углом 330° приведет к тому, что ферромагнитные пластины 6 не успеют охладиться и восстановить свои магнитные свойства.
Использование полезной модели позволит увеличить механическую или электрическую мощзность магнитотеплового двигателя и расширить область его применения, что даст, несомненно, экономический эффект.