УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ

Полезная модель относится к области электротехники, и может быть использована в автономных системах отопления и горячего водоснабжения, а также для нагрева различных сред, используемых в технологическом процессе.
Известно устройство для преобразования механической энергии в тепловую (патент РФ №2097946, Н05В 6/10, Елшин А.И., Казанский В.М., Карманов Е.Д., Михеев В.И.).
Известно устройство для нагрева жидкости (патент РФ №2303861, Н05В 6/10, Поляков В.Г., Афанасьев А.А., Нестерин В.А., Никифоров В.Е., Афанасьев В.В., Николаев А.В.).
Прототипом является устройство для преобразования механической энергии в тепловую (патент РФ №89316, Н05В 6/10, Толмачева А.В., Иванов А.В., Бичков А.В.).
Недостатками прототипа являются: низкие значения коэффициента мощности и КПД, повышенные инерционность ротора и износ подшипников.
Задачей полезной модели является повышение значений коэффициента мощности и КПД, понижение инерционности ротора и износа подшипников.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для преобразования механической энергии в тепловую, состоящем из статора, с расположенной на нем обмоткой возбуждения, представляющего собой емкость, выполненную в виде двух вставленных один в другой полых ферромагнитных цилиндров между которыми находится теплоноситель, и коаксиально размещенного внутри статора ротора, состоящего из цилиндра с зубчатой поверхностью и вала, согласно полезной модели в статоре внутренняя поверхность внутреннего цилиндра выполнена из высокопроводящего немагнитного материала, а в роторе между цилиндром и валом установлен диск или спицы из немагнитного материала.
Сущность полезной модели пояснена чертежами.
На фиг.1 показаны продольное и поперечное сечения одного из вариантов реализации заявляемой полезной модели.
Здесь: 1 - ротор;
2 - статор;
3 - обмотка возбуждения;
4 - вал;
5 - диск;
6 - Н-образный цилиндр;
7 - зубец;
8 - паз;
9 - внутренний цилиндр емкости;
10 - внешний цилиндр емкости;
11 - медное покрытие.
На фиг.2 - кривая распределения магнитного потока в воздушном зазоре;
Устройство для преобразования механической энергии в тепловую (фиг.1) содержит ротор 1, статор 2, обмотку возбуждения 3. Ротор 1 включает в себя вал 4 с коаксиально напрессованным на него диском 5, выполненным из легкого немагнитного материала, и коаксиально закрепленный на ободе диске 5 полый массивный ферромагнитный цилиндр 6, имеющий в продольном сечении Н-образную форму. Причем на внешних выступающих поверхностях Н-образного цилиндра 6, по всей окружности, выполнены продольные зубцы 7 (пазы 8). Роль статора 2, выполняет, образованная двумя коаксиально расположенными массивными ферромагнитными полыми цилиндрами 9, 10 емкость, причем на внутреннюю поверхность цилиндра 9 нанесено медное покрытие 11. Ротор 1 коаксиально размещен внутри внутреннего цилиндра 9, на внутренней омедненной поверхности которого в пазе центральной части Н-образного цилиндра 6, коаксиально, охватывая ротор 1, закреплена сосредоточенная обмотка возбуждения 3.
0
max
min
max
min
max
min
min
max
0
m
max
min
m
m
m
Устройство для преобразования механической энергии в тепловую работает следующим образом. Сосредоточенная обмотка возбуждения 3 подключается к источнику постоянного тока. В результате протекания тока по виткам обмотки возникает униполярное магнитное поле с величиной магнитного потока Ф=Ф+Ф/2, замыкающегося по магнитной цепи, показанной на фиг.1, где Ф - значение магнитного потока в медном покрытии 11 и в воздушном зазоре между внутренней поверхностью цилиндра 9 и центром зубца 7; Ф - значение магнитного потока в медном покрытии 11 и в воздушном зазоре между внутренней поверхностью цилиндра 9 и центром паза 8 (фиг.2). При вращении ротора 1, посредством механической связи вала 4 с приводным устройством, в воздушном зазоре между внутренней поверхностью цилиндра 9 и зубчатыми поверхностями ротора 1 возникает непостоянство магнитной проводимости. Изменение магнитного потока от максимального значения Ф под центром зубца 7 до минимального Ф под центром паза 8, и наоборот, от Ф до Ф; приводит к возникновению в зазоре и в медном покрытии 11 пульсирующего магнитного поля (изменяющегося по величине, но постоянного по направлению), состоящего из постоянной Ф и переменной Ф=Ф-Ф/2 составляющих, где Ф - амплитуда переменной составляющей (фиг.2). Переменная составляющая Ф, синхронно вращаясь с ротором 1, проходя через воздушный зазор и медное покрытие 11, замыкается по внутренней поверхности цилиндра 9. Под действием переменного магнитного поля (переменной составляющей Ф), под каждой зубчатой поверхностью ротора 1, в медном покрытии 11 и на внутренней поверхности цилиндра 9 наводятся ЭДС и соответственно вихревые токи.
Протекание вихревых токов по всей толщине медного покрытия 11 и по внутренней поверхности (в поверхностном слое с толщиной равном глубине проникновения электромагнитной волны в ферромагнитную среду) цилиндра 9 приводит к выделению тепла, используемого для нагрева теплоносителя, которым заполнена емкость.
Использование предлагаемой полезной модели позволяет:
- повысить коэффициент мощности и КПД за счет покрытия внутренней поверхности внутреннего цилиндра емкости немагнитным материалом с высокой удельной электрической проводимостью (медь, алюминий и т.п.) и установки между валом и зубчатой ферромагнитной поверхностью ротора диска или спиц из немагнитного материала.
Для увеличения выходной мощности (КПД) устройства, находящейся в квадратичной зависимости от числа зубцов ротора (частоты пульсации магнитного поля) необходимо увеличивать диаметр ротора с целью выполнения на его цилиндрической поверхности большего числа зубцов (при сохранении их геометрических размеров и той же частоты вращения ротора). В прототипе это было сделать невозможно, поскольку увеличение частоты пульсаций магнитного поля приводит к резкому увеличению скорости затухания электромагнитной волны в ферромагнитной среде, и как следствие, к резкому увеличению активного сопротивления поверхностного слоя внутреннего цилиндра емкости и соответственно уменьшению величины вихревых токов. Наличие же в данной полезной модели немагнитного высокопроводящего покрытия на внутренней поверхности внутреннего цилиндра емкости позволяет использовать данное устройство на более высокой частоте, так как затухание электромагнитной волны в немагнитной среде происходит слабее, следовательно, слабее происходит уменьшение и без того очень малого электрического сопротивления немагнитного покрытия, что позволяет получить больший вихревой ток, а соответственно и большее количество тепла.
Кроме того, если в прототипе выделение тепловой мощности происходит только в тонком слое на внутренней поверхности внутреннего цилиндра емкости, где толщина слоя определяется глубиной проникновения электромагнитной волны, то в полезной модели, тепловая мощность выделяется еще и по всей толщине немагнитного покрытия.
Отсутствие потерь от вихревых токов в подшипниках за счет того, что между валом и зубчатой ферромагнитной поверхностью ротора установлен диск или спиц из немагнитного материала, также позволяет повысить КПД.
- уменьшить металлоемкость и момент инерции ротора; для получения большей мощности (КПД) необходимо увеличивать диаметр ротора с целью выполнения на его цилиндрической поверхности большего числа зубцов (при сохранении их геометрических размеров и той же частоты вращения ротора), это приводит к значительным металлозатратам и существенно повышает инерционность ротора, поэтому, если в прототипе ротор устройства был выполнен в виде единого с валом массивного зубчатого цилиндра, то, согласно конструкции полезной модели, между зубчатой ферромагнитной поверхностью ротора и валом установлен диск или спицы из легкого немагнитного материала, что уменьшает металлоемкость ротора и позволяет использовать приводное устройство с меньшим пусковым моментом.
Кроме того, в конструкции прототипа вал обязательно должен быть выполнен ферромагнитным с определенной площадью поперечного сечения, так как является частью магнитопровода ротора, для полезной модели это не критично, так как между валом и зубчатой ферромагнитной поверхностью ротора, установлен диск или спицы из немагнитного материала, и роль магнитопровода ротора в полезной модели выполняет исключительно его зубчатый ферромагнитный цилиндр, поэтому вал может быть выполнен из материала с любыми магнитными свойствами, а площадь его поперечного сечения определяется лишь прочностными характеристиками, применяемого материала;
- увеличить износоустойчивость подшипников; часть магнитного потока в прототипе, замыкаясь через подшипники, при вращении ротора приводит к возникновению в них вихревых токов, и, как следствие, к перегреву и преждевременному износу. В конструкции полезной модели, данный недостаток устранен за счет исключения вала из состава магнитопровода ротора, магнитный поток в роторе замыкается исключительно по зубчатому ферромагнитному цилиндру.