ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
HEAT-GENERATING ELECTROMECHANICAL CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться для промышленных, сельскохозяйственных и бытовых нужд.
Известен водонагреватель, содержащий сетевую обмотку, магнитопровод и нагревательный элемент в виде вращающейся вторичной обмотки, имеющей форму полого электропроводящего цилиндра с герметичным основанием (ПМ №9114 РФ, МПК Н05В 6/10).
Существует электронагреватель, содержащий каркас и охлаждаемый вентилятором нагревательный элемент, причем каркас образован магнитопроводом с расположенной на нем первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока через встроенный регулятор частоты питающего первичную обмотку электронагревателя напряжения, а нагревательный элемент выполнен в виде вращающейся самоохлаждающейся вторичной обмотки, состоящей из короткозамкнутых стержней, установленных на подвижной опоре (свидетельство на ПМ №7266 РФ, МКИ Н05В 3/06).
Общим недостатком этих устройств является низкая производительность, связанная с высоким гидравлическим сопротивлением теплогенератора.
7
Наиболее близким по технической сущности является электромеханический преобразователь, содержащий первичную обмотку, магнитопровод и вращающуюся короткозамкнутую вторичную обмотку, выполненную в виде полого цилиндра, отделенную от магнитопровода дополнительным теплоизолирующим элементом из антифрикционного неэлектропроводящего материала, выполняющего функцию радиального и/или упорного подшипника скольжения и составляющего единое целое с магнитопроводом и первичной обмоткой, а на внутренней поверхности вторичной обмотки сформированы и жестко связаны с ней напорные лопасти (ПМ №65335 РФ МПК Н05В 6/10, F25В 29/00).
Недостатком этого устройства является низкий коэффициент полезного действия (КПД), обусловленный высокими механическими потерями из-за трения перемещающихся деталей.
Задачей заявляемого изобретения является повышение КПД за счет уменьшения механических потерь электромеханического преобразователя.
Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в снижении коэффициента трения между подвижной и неподвижными частями теплогенерирующего электромеханического преобразователя (ТЭП) вследствие применения полимерного композиционного материала (ПКМ) для изготовления дополнительного неподвижного теплоизолирующего элемента.
Такой технический результат является следствием использования дополнительного неподвижного элемента из антифрикционного неэлектропроводящего материала, выполняющего функции радиального и/или упорного подшипника скольжения, из полимерного композиционного материала на основе эпоксидно-диановой смолы с наполнителем из порошка фторопласта-4 и рубленого стекловолокна, что позволяет уменьшить коэффициент трения между дополнительным неподвижным элементом и вращающейся короткозамкнутой обмоткой.
Сущность предлагаемого изобретения поясняет фигура 1.
Теплогенерирующий электромеханический преобразователь состоит из магнитопровода 1 с размещенной на нем сетевой обмоткой 2 и вращающейся короткозамкнутой вторичной обмотки 3, выполненной в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформированы и жестко связаны с ней напорные лопасти. Вращающаяся вторичная обмотка и магнитопровод разделены дополнительным неподвижным теплоизолирующим элементом 4 из антифрикционного неэлектропроводящего материала, выполняющего функцию радиального и/или упорного подшипника скольжения и составляющего единое целое с магнитопроводом и первичной обмоткой. Антифрикционный неэлектропроводящий материал состоит из композиционного полимера на основе эпоксидно-диановой смолы с наполнителем из порошка фторопласта-4 и рубленого стекловолокна (например, в весовом соотношении: 75…90% - эпоксидно-диановая смола, 8…24% - фторопласт-4 и остальное - рубленое стекловолокно). При этом эпоксидно-диановая смола и рубленое стекловолокно обеспечивают большую прочность, малую усадку, хорошую адгезию, низкую водопоглощаемость, а фторопласт-4 - высокую износостойкость, низкий коэффициент трения и высокую электроизоляцию.
Теплогенерирующий электромеханический преобразователь работает следующим образом.
На сетевую обмотку 2 подается напряжение от сети переменного тока. Проходящий при этом по обмотке ток создает намагничивающую силу и переменное магнитное поле, наводящее на основании закона электромагнитной индукции во вторичной обмотке электродвижущую силу и обусловленный ею вторичный ток, взаимодействующий с магнитным полем и приводящий к возникновению вращающего момента. Так как между внутренней поверхностью магнитопровода и внешней поверхностью обмотки расположен дополнительный неподвижный теплоизолирующий элемент 4, выполненный из антифрикционного материала и представляющий собой радиальный и/или упорный подшипник скольжения, обмотка приходит во вращение со скоростью, определяемой параметрами ТЭП. При вращении обмотки 3, выполненной в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформированы и жестко связаны с ней напорные лопасти, нагреваемая среда перемещается по пути с минимальным гидравлическим сопротивлением.
3
тр
Количество теплоты, выделяемое вторичной обмоткой 3, и ее производительность (т.е. количество нагреваемой и/или перемещаемой среды в единицу времени, м/с) зависит от величины вторичного тока и скорости вращения обмотки 3. Использование дополнительного теплоизолирующего элемента 4, выполненного из ПКМ и представляющего собой радиальный и/или упорный подшипник скольжения, обеспечивает малый коэффициент трения и соответственно низкие потери на трение в узле скольжения. Потери на трение P определяются по выражению
а
где f - коэффициент трения; p - давление; V - скорость вращения.
тр
а
а
Из выражения (1) видно, что потери Р прямо пропорциональны коэффициенту трения f и уменьшаются с его снижением. Влияние компонентов, входящих в состав материала, образующего дополнительный неподвижный теплоизолирующий элемент, на эксплуатационные характеристики ТЭП показано на фигурах 2 и 3. На фигуре 2 приведены графики изменения коэффициента трения f от номинального давления р для скоростей скольжения V 1-2 м/с; 2-4 м/с; 3-6 м/с. На фигуре 3 представлены графики изменения коэффициента трения f от скорости скольжения V для давления р 4-5 МПа; 5-7,5 МПа; 6-10 МПа; 7-12 МПа. Полученные зависимости подтверждают обоснованность применения элемента 4, так как коэффициент трения f в пределах давлений 2,5…15 МПа, скоростей скольжения 2…6 м/с и температуры 30…100°С, т.е. в номинальных режимах работы ТЭП снижается и составляет от 0,03 до 0,12, что на 70…40% ниже коэффициентов трения, присущих традиционным конструкциям. Анализ результатов показывает способность полимерного композиционного материала (например, в весовом соотношении: 75…90% - эпоксидно-диановая смола, 8…24% - фторопласт-4 и остальное - рубленое стекловолокно) обеспечивать низкое трение без ухудшения прочностных характеристик.
Таким образом, использование композиции, например, в весовом соотношении: 75…90% - эпоксидно-диановая смола, 8…24% - фторопласт-4 и остальное - рубленое стекловолокно, в качестве материала, образующего дополнительный неподвижный теплоизолирующий элемент, представляющий собой радиальный и/или упорный подшипник скольжения, позволяет уменьшить механические потери на трение и повысить КПД теплогенерирующего электромеханического преобразователя.