ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА
DIRECT CURRENT GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве генератора постоянного тока или датчика угловой скорости оси вращения в каком-либо механическом устройстве.
Известны генераторы постоянного тока, преобразующие механическую энергию вращающегося вала двигателя или турбины в постоянный электрический ток, на основе коллекторных электрогенераторов [1-2].
Недостатком известных электромагнитных генераторов постоянного тока является использование в их составе коллекторов и скользящих контактов в виде щеток - угольных или медно-угольных, что снижает надежность и долговечность работы таких генераторов, связанных с износом ламелей коллекторов и щеток, в частности, от их искрения.
Указанные недостатки устранены в заявляемом техническом решении.
Целью изобретения является построение генераторов постоянного тока без коллекторов.
Указанная цель достигается в генераторе постоянного тока, содержащем вращающийся ротор с осью вращения и неподвижный статор, отличающемся тем, что ротор состоит из кольцевой трубки из немагнитного материала, закрепленной осесимметрично траверсами с осью вращения, с тороидальной обмоткой, равномерно (например, виток к витку) намотанной на кольцевой трубке, выводы которой соединены со скользящими контактами, установленными на оси вращения, а статор представляет полый цилиндрический постоянный магнит с продольным разрезом в плоскости расположения траверс, причем магнитные полюсы которого расположены на его торцах, внутри полого цилиндрического постоянного магнита вращается указанная кольцевая трубка с тороидальной обмоткой, а ось вращения ротора приводится во вращательное движение от двигателя.
Достижение поставленной цели в заявляемом устройстве объясняется исключением из его состава коллектора. В обмотке ротора при его вращении возбуждается э. д. с., величина которой пропорциональна числу и длине витков, размещаемых внутри полого цилиндрического магнита, линейной скорости движения кольцевой трубки и напряженности магнитного поля внутри полого цилиндрического магнита, связанного с витками обмотки.
Устройство понятно из представленных рисунков.
На рис.1 представлена схема заявляемого генератора постоянного тока, содержащая следующие элементы и узлы:
1 - кольцевую трубку из немагнитного материала,
2 - тороидальную обмотку, равномерно намотанную на кольцевой трубке 1,
3 - полый цилиндрический постоянный магнит с продольным разрезом в плоскости расположения траверс 4,
4 - траверсы механической связи кольцевой трубки с осью вращения 5,
5 - ось вращения ротора устройства,
6 - устройство измерения э. д. с. индукции, возникающей на концах тороидальной обмотки 2 при вращении ротора,
7 - двигатель, например электрический или какой-либо иной, с осью вращения 5,
8 - подшипник оси вращения 5,
9 и 10 - скользящие контакты, изолированно установленные на оси вращения 5 и подключенные к выводам тороидальной обмотки 2 (выводы ее проходят внутри траверс).
На рис.2 рассматривается идея генерирования постоянного тока в «бесконечном» соленоиде - тороидальной обмотке 2, выполненной на кольцевой трубке 1 из немагнитного материала. Вдоль оси соленоида движется со скоростью V намагниченный по плоским торцам полый цилиндрический постоянный магнит 3. При этом использован принцип взаимности - движение обмотки соленоида 2 заменено в опыте на движение полого цилиндрического постоянного магнита 3, что эквивалентно.
На рис.3 представлена схема заявляемого устройства (вид сверху). Кольцевая трубка из немагнитного материала 1 радиуса R (скрыта тороидальной обмоткой 2) вращается с угловой скоростью со внутри полого цилиндрического магнита 3 с магнитными полюсами (S и N) на его торцах, так что вектор магнитного поля с напряженностью Н ортогонален плоскостям расположения витков тороидальной обмотки 2. При этом проводники этих витков тороидальной обмотки движутся с линейной скоростью V=ω R поперек магнитного поля полого цилиндрического магнита 3 с напряженностью магнитного поля Н.
На рис.4 показан вид сбоку на полый цилиндрический магнит 3 с продольным разрезом для пропуска через него траверс 4, вращающихся на оси вращения 5. Траверсы закреплены на кольцевой трубке 1 с выполненной на ней тороидальной обмоткой 2.
Рассмотрим сначала действие узла-эквивалента заявляемого генератора (рис.2)
Согласно закону об электромагнитной индукции М.Фарадея на проводник с током, помещенным в скрещенное к проводнику магнитное поле, действует сила, ортогональная к проводнику и вектору напряженности магнитного поля, величина которой пропорциональна произведению длины проводника, тока в нем и напряженности магнитного поля. Под действием этой силы проводник стремится двигаться в направлении действия этой силы, что определяется так называемым «правилом левой руки». С другой стороны, если в указанном магнитном поле двигать проводник в скрещенном к нему магнитном поле, то в проводнике возникает э. д. с. (протекает постоянный ток для замкнутой электрической цепи), величина которой пропорциональна длине проводника, скорости его движения в скрещенном магнитном поле и напряженности магнитного поля, что отвечает «правилу правой руки» (режим генерирования тока).
Поскольку полый цилиндрический постоянный магнит 3 намагничен так, что магнитные полюсы его расположены на его плоских торцах, как указано на рис.2 и 3, то векторы напряженности его магнитного поля, в первом приближении, расположены внутри тороидальной обмотки 2 коллинеарно относительно оси симметрии соленоида 3, витки проводника которого ортогональны этой оси симметрии, то есть находятся в скрещенном магнитном поле с напряженностью Н. Отсюда следует, что движение магнита 3 со скоростью V (указана жирной стрелкой на рис.2) относительно соленоида 2 приводит к возбуждению э. д. с. на его выводах, что индицируется измерительным прибором 6, например вольтметром. Согласно принципу относительности движения вместо движения магнита 3 относительно соленоида 2 можно двигать последний относительно неподвижного магнита 3. Эффект будет аналогичным, но с заменой знака э. д. с. на противоположный. Этот очевидный по результатам эксперимент был опытно исследован заявителем. Возникающая э. д. с. одного знака полярности длится до тех пор, пока движется вдоль соленоида постоянный магнит, выполненный в виде намагниченного по торцам тороида. Однако невозможно создать «бесконечный» линейный соленоид. Поэтому такой «бесконечный» по достигаемому эффекту соленоид можно создать в виде кольцевой трубки из немагнитного материала с намоткой на нее соленоида - тороидальной обмотки 2 (рис.1 и 3).
Рассмотрим теперь действие заявляемого устройства, представленного на рис.1.
O
O
O
-6
В этом устройстве движение тороидальной обмотки 2 происходит по окружности радиуса R с угловой скоростью ω. При этом линейная скорость протяжки тороидальной обмотки внутри полого цилиндрического магнита 3 равна V=ω R. Продольную длину полости этого магнита 3 обозначим как L, и на этой длине укладывается n витков тороидальной обмотки 2. Средний радиус витков этой обмотки обозначен как r. Тогда полная длина проводника l из n витков оказывается равной l=2 π r n, и такой проводник в любой произвольный момент времени движется со скоростью V=ω R в поперечном магнитном поле с напряженностью Н. Следовательно, в таком проводнике, а значит, и на концах тороидальной обмотки 2 будет возникать э. д. с., равная Е=2 π µω R r n Н. При однорядной обмотке виток к витку диаметром проводника d на длине магнита L помещается n=L/d витков, поэтому имеем окончательно Е=2 π µ Н ω R r L/d, где µ=1,256·10 Гн/м - абсолютная магнитная постоянная, а э. д. с. Е имеет размерность Гн·А/с=В (Вольт).
Из указанного соотношения для э. д. с. усматривается возможность использования заявляемого устройства не только в качестве генератора постоянного тока, но также и в качестве измерителя угловой скорости вращения оси 5, которая может быть присоединена к какому-то вращающемуся объекту, вместо таких приборов, как тахогенераторы [3].
Для увеличения э. д. с. по окружности кольцевой трубки можно разместить несколько эквидистантно расположенных полых цилиндрических постоянных магнитов с продольными прорезями на расстояниях, исключающих их магнитное взаимодействие между ними.
Ширина прорезей в полых цилиндрических постоянных магнитах 3 должна быть несколько больше диаметра или соответствующего вертикального размера траверс 4, чтобы обеспечить их свободное вращение между прорезями.
Рассмотрим пример реализации устройства.
-6
4
2
Пусть Н=50 кА/м=625 Э, ω-314 рад/с (50 об/с), r=0,02 м, n=100, R=0,1 м. Тогда получим Е=2·3,14·1,256·10·5·10·314·0,02·10·0,1≈25 В.
Модификацией заявляемого технического решения является объединение на одной оси вращения группы из пар «ротор-статор», указанных на рис.1, при последовательном или параллельном, а также смешанном соединении выводов каждого из соленоидов каждой пары. Это позволит увеличить общую мощность генерируемого постоянного тока.
Такого рода устройства характеризуются существенно повышенными надежностью и долговечностью работы по сравнению с коллекторными генераторами постоянного тока.
Литература
1. Справочник по средствам автоматики. Под ред. В.Э.Низэ и И.В.Антика. М.: Энергоатом-издат, 1983, стр.353-358.
2. В.В.Хрущев. Электрические микромашины автоматических устройств. Л.: Высшая школа, 1976, 384 с.
3. В.Н.Крывой. Тахогенераторы постоянного тока с ограниченным углом поворота. Электротехническая промышленность. Электрические машины, вып.8 (90), 1978, с.16-20.