ЛИНЕЙНЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ

Изобретение относится к области электрических машин, преобразующих механические возвратно-поступательные движения постоянных магнитов относительно обмоток статора в переменный электрический ток, и может быть использовано в энергетике или в качестве автономного источника электрического энергии, в части интенсификации ее выработки, за счет использования нетрадиционных источников энергии (энергии ветра).
Технический результат заключается в расширении области использования, совершенствовании технологии производства, а также для получения сравнительно дешевой электроэнергии, в том числе за счет возобновляемой энергии.
Известен электрический генератор (1), представляющий собой цилиндрический корпус, в котором установлены обмотки статора, торцевые стенки и якорь, выполненный в виде кольцевого магнита, полюсные наконечники которого имеют заостренные участки для концентрации магнитных силовых линий на них. Якорь закреплен на оси с возможностью возвратно-поступательных движений внутри статорных обмоток; корпус и стенки выполнены из немагнитного материала; пространство между заостренными участками и обмотками статора заполнено магнитной жидкостью или подобным ей веществом. Якорь может быть выполнен в виде постоянного магнита или электромагнита. При движении якоря в катушках статора наводится электродвижущая сила индукции, а генератор является источником электрической энергии.
Недостатком данного устройства является ограниченный размерами катушек ход якоря, при движении которого магнитный поток пронизывает только часть витков обмотки катушек, и наличие значительного рассеивания магнитного поля. Недостатком также является сложность конструкции, требующая полюсных наконечников сложной формы.
Известна также конструкция обратимой электрической машины возвратно-поступательного движения (2), которая содержит статор с катушками и якорь, у которых попарно выступы полюсов магнитопроводов статора и якоря в исходном состоянии располагаются напротив друг друга. В каждой из упомянутых пар один из полюсов разделен на две части посредством постоянного магнита, частично формирующего выступ полюса, вектор намагниченности которого совпадает по направлению с движением якоря. В режиме генератора, за счет возвратно-поступательного перемещения якоря внешней силой, постоянные магниты с разнонаправленными векторами намагниченности попеременно попадают в зазор между полюсными выступами. В результате чего в магнитопроводах статора и якоря наводится переменное магнитное поле, вызванное магнитным полем постоянных магнитов. При этом в катушке статора наводится электродвижущая сила индукции, а генератор является источником электрической энергии.
Недостатком данного устройства является еще более ограниченный ход якоря, кроме того, поскольку магниты расположены ребром к полюсным наконечникам, для достижения заявленной в зазоре магнитной индукции между полюсными выступами, необходимы магниты с большими массогабаритными характеристиками, что увеличивает массу, размеры и стоимость генератора и снижает его КПД. Недостатком так же является сложность конструкции, требующая применения магнитопроводов сложной формы.
Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в повышении интенсификации процесса производства электрической энергии за счет применения постоянных магнитов, ориентированных таким образом, что вектор их намагниченности перпендикулярен осям катушек статора, установленным на O-образных разрезных сердечниках из ленточной трансформаторной стали, выполняющих роль сердечников катушек и их полюсных наконечников. Это минимизирует рассеивание магнитного поля постоянных магнитов, уменьшает потери в сердечнике, повышает КПД генератора, упрощает изготовление магнитопровода, делая его более технологичным. Конструкция генератора позволяет использовать его в качестве источника электрической энергии при совместном применении с автоколебательным ветродвигателем (3), повышая, тем самым, его экологичность за счет использования энергии ветра.
Поставленная техническая задача решается посредством увеличения рабочего хода якоря, оптимизацией магнитной системы, за счет применения в качестве источника магнитного поля кассеты, с уложенными в ряд магнитами, с чередующейся разнонаправленной намагниченностью, применения в качестве материала сердечников катушек и их полюсных наконечников, разрезных O-образных сердечников определенного размера, изготовленных из ленточной трансформаторной стали, использовании в качестве привода генератора автоколебательного ветродвигателя.
На фиг. 1 изображен общий вид устройства генератора электрической энергии на постоянных магнитах. Генератор состоит из основания 1, к которому крепятся направляющие 2, по которым скользят муфты 6, соединенные с кассетой 4, в которой уложены магниты. В верхней части направляющие крепятся к планке 3, которая соединена с рамой (на рисунке не показана), опирающейся на основание 1. Через отверстие в планке 3 проходит шток 5, соединенный с кассетой 4. Шток кинематически соединяется с приводным устройством (например, автоколебательным ветродвигателем), передовая возвратно-поступательные движения на кассету с магнитами. Статор 7, в виде катушек с разрезными O-образными сердечниками закреплен на немагнитной панели (на рисунке не показана), которая крепится к раме генератора.
Магнитная система генератора в сечении А-А представлена на фиг. 2.
Отличительной особенностью конструкции магнитной системы является то, что кассета с магнитами 4 движется между катушками 9 с установленными в них сердечниками статора 8, которые образуют двойную симметричную систему, относительно полюсов магнитов. Это позволяет минимизировать рассеивание магнитных полей магнитов и более полно использовать рабочий объем магнитной системы.
Магниты имеют форму параллелепипедов и расположены в кассете таким образом, что их полюса последовательно чередуются. Ширина магнита «а» равна ширине сердечника статора. Если расстояние «b» между внутренними частями сердечников будет равно b=2an, где n=1, 2, 3, то направление магнитных полей в различных частях магнитопровода и катушках будет согласовано при любом положении магнитов относительно катушек статора. Катушки генератора можно соединять последовательно, параллельно, смешано - в зависимости от требуемого напряжения и тока нагрузки. При подключении к генератору диодного моста с конденсатором соответствующей емкости, он будет источником постоянного электрического тока.
Генератор работает следующим образом: при соединении штока генератора 5 с приводным устройством, кассета 4 начинает совершать возвратно-поступательные движения. Чем больше магнитов уложено в ряд и чем больше их размер «а», тем на большую амплитуду колебаний может быть рассчитан генератор. При движении магнитов относительно катушек 9, магнитный поток, пронизывающий их витки, изменяется по величине и направлению. В соответствии с законом электромагнитной индукции на концах катушек возникает электродвижущая сила индукции, пропорциональная скорости изменения магнитного потока и количеству витков в катушках. При подключении к катушкам генератора нагрузки - в цепи возникает индукционный ток. Наличие магнитопровода 8 способствует уменьшению рассеивания магнитного поля и концентрирует его внутри катушек. Для уменьшения потерь в сердечниках, магнитопровод изготовлен путем навивания и склейки трансформаторной ленты на формирующем каркасе соответствующей формы, с последующим его распиливанием и шлифованием торцов.
Использование данного генератора представляется целесообразным при проектировании и строительстве электростанций малой мощности, для систем локального энергоснабжения, в том числе, с использованием возобновляемых источников энергии, особенно в местах удаленных от систем централизованного энергоснабжения.
Источники информации:
1. Патент РФ на полезную модель №2173499 - Приоритет от 10 сентября 2001 г.
2. Патент РФ на полезную модель №2494521 - Приоритет от 27 сентября 2013 г.
3. Патент РФ на полезную модель №143620 - Приоритет от 19 марта 2014 г.