Электрический генератор с подвижным цилиндром двигателя внутреннего сгорания
ELECTRIC POWER GENERATOR WITH THE GAS ENGINE TRAVELLING BARREL

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам двигатель-генератор.
Известна система двигатель-генератор [1], в которой для возбуждения ЭДС в силовых обмотках статора якорь совершает вращательно движение. Чаще всего в этой системе в качестве привода используют двигатель внутреннего сгорания [2]. Недостатком такой системы является сложность преобразования с помощью кривошипно-шатунного механизма возвратно-поступательного движения поршней двигателя во вращательное движение коленчатого вала, подсоединенного к якорю генератора.
Известен поршневой двигатель [3], работающий по двухтактному циклу, содержащий пару неподвижных установленных на одной оси напротив друг друга поршней и гильзу, выполненную с возможностью совершения возвратно-поступательного движения относительно этих неподвижных поршней. Недостатком такого двигателя является сложность преобразования возвратно-поступательного движения цилиндра во вращательное движение приводного вала электрического генератора.
Известен также электрический генератор переменного тока [4], являющийся наиболее близким к предлагаемому техническому решению, содержащий цилиндр двигателя внутреннего сгорания, выполненный из немагнитного материала и снабженный клапанами, свечами и электрическими обмотками, а также свободно размещенный в цилиндре поршень в виде постоянного магнита.
Недостатком этого генератора, принятого за прототип, является отсутствие уплотнений поршня и низкая износостойкость выполненного из немагнитного материала цилиндра, что ухудшает работу поршня в цилиндре и снижает срок службы электрического генератора.
Целью изобретения является повышение ресурса работы электрического генератора. Указанная цель достигается тем, что электрический генератор размещается на двигателе внутреннего сгорания с подвижным цилиндром, а сам подвижный цилиндр выполнен из магнитного материала.
Новым в электрическом генераторе с подвижным цилиндром двигателя внутреннего сгорания является размещение электрической обмотки снаружи средней части цилиндра. При этом электрическая обмотка содержит кольцевые магниты, обращенные друг к другу разноименными полюсами. Новым в электрическом генераторе с подвижным цилиндром двигателя внутреннего сгорания является также то, что подвижный цилиндр выполнен из магнитного материала, сердечники электрической обмотки выполнены кольцевыми двутаврового сечения, а кольцевые магниты охватывают цилиндр и расположены по обеим сторонам сердечников. Также новым в электрическом генераторе является использование в качестве материала кольцевых магнитов сплава из неодим-железо-бора, а также то, что длина прорезей двутавровых сердечников электрической обмотки равна длине канавок цилиндра и толщине кольцевых магнитов, а толщина полок сердечников электрической обмотки равна толщине выступов цилиндра; прорези кольцевых сердечников электрической обмотки у цилиндра заполнены немагнитным материалом.
Электрический генератор (ЭГ) с подвижным цилиндром двигателя внутреннего сгорания содержит подвижный цилиндр, снабженный клапаном и электрической обмоткой, а также поршни с образованием камеры сгорания и камеры предварительного пуска заряда. Электрическая обмотка установлена снаружи средней части подвижного цилиндра и содержит кольцевые магниты, обращенные друг к другу разноименными полюсами. Подвижный цилиндр выполнен из магнитного материала, сердечники электрической обмотки выполнены кольцевыми двутаврового сечения. Кольцевые магниты охватывают цилиндр и расположены по обеим сторонам сердечников. На подвижном цилиндре выполнены кольцевые канавки, заполненные немагнитным материалом.
ЭГ характеризуется тем, что в качестве материала кольцевых магнитов использован неодим-железо-бор.
ЭГ характеризуется тем, что длина прорезей двутавровых сердечников электрической обмотки равна длине канавок цилиндра и толщине кольцевых магнитов, а толщина полок сердечников электрической обмотки выполняется равной толщине выступов цилиндра.
ЭГ характеризуется тем, что прорези кольцевых сердечников электрической обмотки подвижного цилиндра заполнены немагнитным материалом.
На фиг. 1 представлен поперечный разрез ЭГ с подвижным цилиндром двигателя внутреннего сгорания при положении подвижного цилиндра в нижней мертвой точке (НМТ). На фиг. 2 изображена электрическая обмотка ЭГ.
ЭГ содержит расположенные в корпусе 1 верхний 2 и нижний 3 неподвижные поршни. Подвижный цилиндр 4 содержит две цилиндрические части, разделенные перегородкой 5 с перепускным клапаном 6. Подвижный цилиндр 4 вместе с верхним 2 и нижним 3 поршнями образуют камеру предварительного впуска заряда 7 и камеру сгорания 8. На подвижном цилиндре 4 предусмотрены канал впуска 9 и канал выпуска 10. В корпусе 1 снаружи средней части подвижного цилиндра 4 установлена электрическая обмотка 11.
Электрическая обмотка 11 размещена на кольцевых сердечниках 12 двутаврового сечения (фиг. 2). Кольцевые магниты 13, обращенные друг к другу разноименными полюсами, охватывают подвижный цилиндр 4 и расположены по обеим сторонам сердечников 12. На подвижном цилиндре 4 выполнены кольцевые канавки 14, заполненные немагнитным материалом, например сплавом на основе алюминия. Прорези кольцевых сердечников 12 у подвижного цилиндра 4 имеют кольцевые вставки 15, выполненные из немагнитного материала.
Кольцевые сердечники 12 имеют прорези длиной «h» и полки толщиной «k». Длина кольцевых канавок 14 подвижного цилиндра 4 составляет величину «Н». Толщина выступов подвижного цилиндра 4 равна «m». Толщина кольцевых магнитов 13 составляет величину «С». Длина прорезей «h» кольцевых двутавровых сердечников 12 равна длине канавок «Н» подвижного цилиндра 4 и толщине «С» кольцевых магнитов 13, а толщина полок «k» кольцевых сердечников 12 соответствует толщине выступов «m» подвижного цилиндра 4.
ЭГ работает следующим образом.
При положении подвижного цилиндра 4 в нижней мертвой точке (НМТ) (фиг. 1) в камере сгорания 8 начинается сгорание топлива и подвижный цилиндр 4 под действием давления газов перемещается вверх к верхней мертвой точке (ВМТ). Вследствие этого перемещения магнитные потоки кольцевых магнитов 13 генерируют ЭДС в электрической обмотке 11, снимаемую с электрических разъемов (на фиг. 1 не показаны). Генерирование ЭДС происходит в тот промежуток времени, когда выступ «m» подвижного цилиндра 4 находится вблизи полок «k» кольцевых сердечников 12 (на фиг. 2 магнитные силовые линии показаны пунктиром).
При движении к ВМТ подвижного цилиндра 4 в камеру предварительного впуска заряда 7 через канал впуска 9 поступает свежий заряд воздуха.
При движении к ВМТ подвижного цилиндра 4 открывается канал выпуска 10 и выхлопные газы начинают выходить из камеры сгорания 8. При дальнейшем движении подвижного цилиндра 4 к ВМТ давление в камере предварительного впуска заряда 7 преодолевает действие пружины (на фиг. 1 не показана) клапана 6, и он открывается. Свежий заряд из камеры предварительного впуска заряда 7 проходит через клапан 6 и поступает в камеру сгорания 8, канал впуска 9 при этом закрыт.
При движении подвижного цилиндра 4 к ВМТ клапан 6 под действием пружины закрывается.
Затем подвижный цилиндр 4 начинает движение от ВМТ к НМТ, в камере сгорания 8 начинается такт сжатия, клапан 6 закрыт, а свежий заряд поступает в камеру предварительного впуска заряда 7 через канал впуска 9. Вблизи НМТ в камеру сгорания 8 впрыскивается топливо через отверстие в нижнем поршне 3. При движении подвижного цилиндра 4 от ВМТ к НМТ магнитные потоки кольцевых магнитов 13 вновь генерируют ЭДС в электрической обмотке 11 при прохождении выступов «m» подвижного цилиндра 4 около полок «k» кольцевых сердечников 12 (фиг. 2). Затем цикл повторяется.
Для надежного уплотнения подвижного цилиндра 4 его кольцевые канавки 14 заполняются немагнитным материалом, например алюминиевым сплавом.
В качестве материала кольцевых магнитов 13 используется сплав неодим-железо-бор, обладающий высокими магнитными свойствами.
Для повышения надежности электрической обмотки 11 прорези кольцевых сердечников 12 имеют кольцевые вставки 15, выполненные из немагнитного материала, например из алюминиевого сплава.
Электрический генератор с подвижным цилиндром двигателя внутреннего сгорания может использоваться не только для производства электрической энергии, но и для привода транспортного средства и различных механизмов.
Использование предлагаемого технического решения способствует повышению ресурса работы системы двигатель-генератор электрического тока.
Литература
1. Аткинс Б. Общая теория электрических машин. Пер. с англ. И.В. Антика. Государственное энергетическое издательство. М. - Л., 1960. 272 с.
2. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта: Учеб. пособие / Г.А. Конке, В.А. Лашко. - М.: Машиностроение, 2005. - 512 с.
3. Поршневой двигатель (варианты) и транспортное средство или судно, содержащее поршневой двигатель: патент №2398119 РФ; опубл. 27.08.2010, F02B 59/00, Шеперд Г.О.
4. Электрический генератор переменного тока: патент №2046966 РФ; опубл. 27.10.1995, F02B 71/04, Памфилов Р.К.