Магнитоэлектрический генератор
MAGNETOELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам с постоянными магнитами и солнечными модулями.
Известен электромагнитный генератор Фарадея, содержащий электропроводящий ротор, который приводится во вращение между полюсами постоянного магнита и двух скользящих контактов, которые расположены на торцах ротора (Суханов Л.А., Сафиуллина Р.К., Бобков Ю.А. Электрические униполярные машины. М., ВНИИЭМ, 1964, С. 8-12). Магнитный генератор Фарадея является обратимой электрической машиной, при подаче напряжения на скользящие контакты магнитный генератор превращается в магнитный двигатель Фарадея. Известный магнитный генератор имеет равномерное не изменяющееся во время работы магнитное поле в роторе, что снижает потери на вихревые токи и ЭДС самоиндукции.
Недостатком известного электромагнитного генератора являются большой ток и низкое напряжение генератора, что приводит к потерям электрической энергии в скользящих контактах и проводах.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности преобразования магнитной энергии в электрическую и КПД магнитоэлектрического генератора.
Технический результат заключается в более полном использовании энергии магнитного поля и снижении потерь энергии на сопротивлении скользящих контактов за счёт увеличения напряжения, уменьшения расстояния между полюсами постоянных магнитов и уменьшения толщины изолированных ленточных проводников.
Технический результат достигается тем, что в магнитоэлектрическом генераторе, содержащем ротор с осью вращения с двумя скользящими контактами и постоянные магниты, согласно изобретению, ротор выполнен в виде цилиндра из электроизоляционного материала, на цилиндрической поверхности ротора параллельно его оси закреплены n секций из m изолированных плоских двойных ленточных проводников, плоскости которых перпендикулярны плоскости осевого сечения ротора, каждый изолированный плоский двойной ленточный проводник в секции состоит из двух изолированных друг от друга плоских ленточных проводников, соединенных последовательно и расположенных параллельно друг к другу в одной плоскости, и установленных в плотном контакте между торцами постоянных магнитов, которые ориентированы по отношению друг к другу противоположными парами полюсов, ширина a и длина l каждого постоянного магнита равна ширине a и длине l плоского двойного ленточного проводника с соотношением ширины a плоского двойного ленточного проводника к его толщине b, равного а/b = 10 – 100, все m изолированных плоских двойных ленточных проводников в n секциях соединены последовательно и образуют электрическую обмотку ротора, выводы электрической обмотки ротора присоединены к скользящим контактам, установленным вокруг оси ротора на его торце.
В другом варианте магнитоэлектрического генератора двойные ленточные проводники выполнены из меди толщиной b = 0,05 – 5 мм.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, 4, где на фиг. 1 представлена общая схема магнитоэлектрического генератора.
На фиг. 2 – поперечное сечение секции магнитоэлектрического генератора.
На фиг. 3 – осевое сечение секции магнитоэлектрического генератора.
На фиг. 4 – направление токов и вектора магнитной индукции в изолированных ленточных проводниках магнитоэлектрического генератора.
Магнитоэлектрический генератор на фиг. 1 содержит пластиковый цилиндрический ротор 1 с металлической осью вращения 2 и скользящими контактами 3, 4, установленные вокруг оси вращения 2 на концах ротора 1. На цилиндрической поверхности ротора 1 параллельно его оси 2 закреплены n секций 5 изолированных двойных ленточных проводников 6 шириной а и толщиной b соотношением ширины к толщине а/b = 10 – 100 и длиной l, равной длине ротора 1.
На фиг. 2 плоскости изолированных двойных ленточных проводников 6 перпендикулярны плоскости осевого сечения ротора 1. Каждый изолированный двойной ленточный проводник 6 состоит из двух изолированных друг от друга с зазором d плоских ленточных проводников 7 и 8, расположенных рядом параллельно друг другу в одной плоскости. Каждый изолированный двойной ленточный проводник 6 размещён между торцами 9 двух прямоугольных магнитов 10 и 11 шириной а и длиной l, равными ширине а и длине l изолированного двойного ленточного проводника 6. Торцы 9 постоянных магнитов 10 и 11 размещены с двух сторон изолированного двойного ленточного проводника 6 и ориентированы по отношению друг к другу противоположными парами полюсов S и N. Таким образом, плоские ленточные проводники 7 и 8 в каждом изолированном двойном ленточном проводнике 6 размещены между торцами 9 магнитов 10 и 11 с противоположной полярностью полюсов S и N. Секции 5 между изолированными двойными ленточными проводниками 6 установлены с зазором С, равным ширине изоляции 12 между изолированными ленточными проводниками в соседних секциях.
На фиг. 3 все m изолированных плоских двойных ленточных проводников в секции 5 соединены последовательно перемычками по торцам постоянных магнитов, плоскости которых параллельны поперечному сечению ротора 1. Все n секций соединены последовательно перемычками 13 и образуют электрическую обмотку 14 ротора 1. Выводы 15 и 16 электрической обмотки 14 ротора 1 присоединены к скользящим контактам 3 и 4.
1
2
1
2
1
2
На фиг. 4 векторы  и  магнитной индукции в двух рядом расположенных изолированных ленточных проводниках 7 и 8 направлены в противоположные стороны из-за разной полярности полюсов на торцах 9 постоянных магнитов 10 и 11. Вектор  скорости перемещения изолированных ленточных проводников 7 и 8 направлен по касательной к цилиндрической поверхности ротора 1 и ортогонален векторам  и . При вращении ротора 1 в изолированных ленточных проводниках 7 и 8 на электроны воздействует сила Лоренца , которая ортогональна векторам  и  и равна векторному произведению векторов  и , умноженному на заряд электрона q:
1
= q[ • ]
2
= q[ • ]
-19
q = 1.6 • 10 К.
Направление действия силы Лоренца определяется по «правилу левой руки». Силы Лоренца   и  направлены в противоположные стороны вдоль рядом расположенных изолированных ленточных проводников 7 и 8. При последовательном соединении m изолированных двойных ленточных проводников  напряжение в секции  в 2m раз превышает напряжение двойных ленточных проводников при их параллельном соединении. В электрической обмотке 14 ротора 1 напряжение на выводах 15 и 16 электрической обмотки 14 ротора 1 суммируется и в 2n • m раз превышает напряжение изолированных двойных ленточных проводников при их параллельном соединении и в 2n • m раз превышает напряжение в известном электромагнитном генераторе Фарадея, где n – число двойных последовательно соединенных секций 5 изолированных двойных ленточных проводников 6 в роторе 1.
При соединении выводов электрической обмотки 14 ротора 1 через скользящие контакты 3 и 4 с нагрузкой возникает электрический ток , направление которого в изолированных ленточных проводниках 7 и 8 показано на фиг. 4 знаками ς – ток от наблюдателя, знаками ⁄ – ток в сторону наблюдателя.
В электротехнике принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов. Сила Лоренца, действующая на электроны, противоположна направлению силы Лоренца, действующей на положительные заряды и на направление тока в изолированном ленточном проводнике.
Величина силы Лоренца определяется по формуле
л1
1
1
F = qVBsinα,
л2
2
2
F = qVBsinα,
1
2
где α и α – угол между векторами ,  и , .
1
2
л1
л2
В предложенном электромагнитном генераторе α = 90°, α = - 90° и F = - F.
Изолированные двойные ленточные проводники 6 имеют малую толщину ленточного проводника b = 0,05 ÷ 5 мм, находятся в плотном контакте с двух сторон с торцами 9 мощных постоянных редкоземельных магнитов 10 и 11 и экранированы от воздействия внешних магнитных полей других постоянных магнитов ротора 1. Зазор С равен ширине изоляции 12 между соседними двойными изолированными ленточными проводниками.
Магнитоэлектрический генератор работает следующим образом (фиг. 4). При вращении ротора 1, под воздействием магнитного поля полюсов на торцах 9 постоянных магнитов 10 и 11 на электроны в изолированных ленточных проводниках 7 и 8 действует сила Лоренца , перпендикулярная вектору  магнитной индукции и вектору  скорости электрона в изолированном ленточном проводнике 5. Поскольку полярности постоянных магнитов и векторы  магнитной индукции в соседних ленточных проводниках 7 и 8 в изолированном двойном ленточном проводнике 6 противоположны, силы Лоренца в соседних изолированных ленточных проводниках 7 и 8 приводят к смещению электронов в противоположных направлениях. При последовательном соединении секций 5 изолированных ленточных проводников перемычками 13 напряжение на выводах 15 и 16 электрической обмотки 14 ротора 1 будет равно сумме напряжений, возникающих во всех изолированных ленточных проводниках 7 и 8.
Электрическая энергия из электрической обмотки 14 ротора 1 через скользящие контакты 3 и 4 передаётся на нагрузку (на фиг. 1 не показана).
Пример выполнения магнитоэлектрического генератора.
макс
3
Магнитоэлектрический генератор на фиг. 1 имеет ротор 1 из стеклотекстолита диаметром 200 мм длиной 100 мм с осью вращения 2 из стали. На цилиндрической поверхности ротора 1 параллельно оси 2 закреплено n = 40 секций 5, каждая из которых состоит из трёх постоянных магнитов с двумя (n = 2) изолированными двойными ленточными проводниками 6 между ними. Размер постоянных магнитов 100 х 10 х 10 мм. Каждый магнит N52 имеет магнитную индукцию В = 1,45 Тл и максимальную энергию Вн = 400 кДж/м. Размеры изолированных двойных ленточных проводников из меди 100 х 10 х 0,6 мм, ширина одного ленточного проводника из меди равна 4 мм, толщина b = 0,2 мм, толщина изоляции ленточного проводника со стороны торцов постоянных магнитов 0,2 мм. Зазор d между проводниками 7 и 8 в каждом двойном ленточном проводнике составляет 2 мм, зазор c между секциями 5 мм.
Диаметр контактных колец скользящих контактов 3 и 4 – 165 мм.
Магнитоэлектрический генератор соединён с приводным двигателем (на фиг. 1 не показан). При скорости вращения ротора 1 электромагнитного генератора 3000 об/мин. напряжение на скользящих контактах 3 и 4 составляет 48 В, ток 2 А, электрическая мощность на нагрузке 96 Вт.
2
2
Напряжение магнитоэлектрического генератора превышает напряжение известного электромагнитного генератора Фарадея в 2n • m раз, где n – число последовательно соединенных секций 5 изолированных двойных ленточных проводников 6 в электрической обмотке 14 ротора 1, а m – число двойных ленточных проводников в секции 5. В 2n • m раз снижается ток, протекающий через скользящие контакты 3 и 4 и в 4nm раз снижаются потери электрической энергии на сопротивлении скользящих контактов.
Магнитоэлектрический генератор имеет низкие потери на вихревые токи в немагнитном роторе  из электроизоляционного материала и высокую эффективность использования энергии магнитного поля благодаря малой толщине двойных ленточных проводников в зазоре между торцами магнитов и высокой индукции редкоземельных магнитов.