ЛИНЕЙНЫЙ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к области проектирования электрических линейных машин и может быть использована в области автономной генерации электрической энергии.
Известен линейный свободно-поршневой электрогенератор (патент US 20130255080), содержащий цилиндр, поршень перемещающего внутри цилиндра, корпус цилиндра выполненный таким образом чтобы цилиндр генератора находился внутри него, также в конструкцию входит некоторое количество намагничивающих элементов, подвижно установленных внутри цилиндра и катушек установленных вдоль корпуса цилиндра по крайней мере по части его длины.
Недостатками свободно-поршневого электрогенератора является использование сложного по конструкции подвижного элемента, который установлен в цилиндр. На поверхности подвижного элемента наносится специальный адгезивный материал необходимый для передачи тепла от подвижного элемента в статор. Это необходимо для обеспечения допустимых температурных пределов работы постоянных магнитов, которые установлены в подвижном элементе. Так же недостатком является требование к тонкости стенок цилиндра двигателя, частью которого он является, что накладывает ограничения на материалы, из которых он изготовляется, поскольку они должны быть не ферромагнитными и достаточно жаростойкими.
Прототипом полезной модели принимается линейный вентильно-индукторный электродвигатель-генератор (патент РФ 2402861), включающий станины, группу катушек, группу преобразователей, группу статоров и группу воздушных зазоров соответствующих преобразователей и статоров, расположенную с возможностью обеспечения пересечения магнитным потоком соответствующих преобразователей и статоров, при этом магнитный поток указанных катушек сформирован с возможностью обеспечения пересечения им преобразователя и статора с замыканием его на себя, при этом преобразователи и статоры являются ферромагнитными элементами, а группа преобразователей включает в себя крайние и промежуточные преобразователи, при этом группа статоров включает в себя крайние и промежуточные статоры, а группа катушек закреплена на станинах и включает в себя группу промежуточных катушек, установленных с возможностью направления магнитного потока по их внутреннему пространству для формирования магнитодвижущей силы, дополнительной по отношению к магнитодвижущей силе, создаваемой указанными катушками, причем магнитный поток сформирован с возможностью его замыкания исключительно через станины и преимущественно перпендикулярно к воздушному зазору промежуточных статоров и преобразователей, а станины ограничены двумя крайними статорами из группы статоров либо двумя крайними преобразователями из группы преобразователей.
Недостатком такой конструкции линейного вентильно-индукторного электродвигателя-генератора является то что для увеличения интенсивности процесса генерации используются несколько статоров, групп обмоток фаз статора и подвижный элемент сложной конструкции, при этом ухудшаются массогабаритные параметры генератора, что не позволяет использовать генератор в системах генерации электрической энергии на базе приводов двигателей внутреннего сгорания.
Задачей полезной модели является разработка линейного вентильно-индукторного электрического генератора возвратно-поступательного действия с улучшенными массогабаритными параметрами для использования в системах генерации электрической энергии в приводах двигателей внутреннего сгорания.
Техническим результатом линейного вентильно-индукторного электрического генератора возвратно-поступательного действия является уменьшение массы генератора при сохранении уровня генерируемой мощности и улучшение КПД генератора, за счет расположения магнитопроводов статора.
Технический результат полезной модели достигается с помощью линейного вентильно-индукторного электрического генератора возвратно-поступательного действия, состоящего из подвижного элемента, магнитопроводов и обмоток фаз статора, при этом магнитопроводы конструктивно обособленны друг от друга, а обмотки фаз статора не связаны в магнитном отношении, причем положение магнитопроводов статора относительно траектории перемещения подвижного элемента выбирается таким образом, чтобы в момент наибольшего значения отрицательного изменения индуктивности обмоток фаз статора за счет выхода подвижного элемента из положения, в котором средняя линия одного из магнитопроводов статора и средняя линия одного из фазных зубцов подвижного элемента совпадают, скорость линейного движения подвижного элемента была близкой к максимальной за период возвратно-поступательного перемещения.
На фиг. 1 показан эскиз поперечного сечения линейного вентильно-индукторного электрического генератора возвратно-поступательного действия, на фиг. 2 - эскизы разрезов 3D модели линейного вентильно-индукторного электрического генератора возвратно-поступательного действия с положениями, на фиг. 3 - диаграммы изменения скорости движения подвижного элемента линейного вентильно-индукторного электрического генератора возвратно-поступательного действия и изменения индуктивности обмоток фаз статора вентильно-индукторного электрического генератора возвратно-поступательного действия.
Линейный вентильно-индукторный электрический генератор возвратно-поступательного действия состоит из подвижного элемента 1, магнитопроводов 2 статора (статор на фигурах не обозначен), обмоток фаз статора 3. Особенностью конструкции линейного вентильно-индукторного электрического генератора возвратно-поступательного действия является то, что статор (на фигурах не обозначен) состоит из магнитопроводов 2, которые конструктивно обособленны друг от друга и обмотки фаз статора 3 не связаны в магнитном отношении. На подвижном элементе 1 выполнены фазные зубцы (на фигурах не обозначены), количество которых равно количеству фаз в статоре (на фигурах не обозначен).Положение магнитопроводов 2 статора относительно траектории перемещения подвижного элемента 1 выбирается таким образом, чтобы в момент наибольшего отрицательного значения изменения индуктивности обмоток фаз статора 3 за счет выхода подвижного элемента 1 из положения, в котором средняя линия 4 одного из магнитопроводов 2 статора (статор на фигурах не обозначен)и средняя линия 5 одного из фазных зубцов(на фигурах не обозначен) подвижного элемента 1 совпадают, скорость линейного движения подвижного элемента 1 была близкой к максимальной за период возвратно-поступательного перемещения.
Генерация ЭДС в линейном вентильно-индукторном электрическом генераторе возвратно-поступательного действия происходит аналогично процессу генерации в ротационных вентильно-индукторных генераторах за счет уменьшения индуктивности фазы вентильно-индукторного линейного электрического генератора при постоянстве питающего тока, протекающего через ее обмотку фазы статора 3. Однако, в отличии от ротационных машин, скорость перемещения подвижного элемента 1 на протяжении всего цикла перемещения (между точками t0 и Т/2) не постоянна, что оказывает существенное влияние на процесс генерации. Перемещение подвижного элемента 1 происходит под воздействием внешних сил. Выходное мгновенное ЭДС в фазе вентильно-индукторного линейного электрического генератора возвратно-поступательного действия описывается с помощью уравнения, составленного на основе закона электромагнитной индукции, и может быть представлено в виде следующей зависимости:
где:  - производная от индуктивности обмоток фаз статора 3 (на фигурах не обозначен) от перемещения подвижного элемента 1, при неизменном токе в обмотки фазы статора 3;
- линейная скорость перемещения подвижного элемента 1;
ƒ
I - ток в обмотке фазы статора 3, работающего магнитопровода 2 статора.
Анализ зависимости показывает, что вырабатываемая ЭДС прямо пропорционально зависит от скорости движения подвижного элемента 1 и скорости изменения индуктивности обмоток фаз статора 3 и тока протекающего в обмотке фазы статора 3. Увеличение ЭДС генерации возможно с увеличением тока в обмотке фазы статора 3, увеличением скорости перемещения подвижного элемента 1 или увеличением производной индуктивности по времени. Увеличение тока, протекающего в обмотке фазы статора 3 в момент генерации, приводит к необходимости увеличения габаритов магнитопровода 2 статора (статор на фигурах не обозначен) и сечения обмоток фаз статора 3, что приводит к увеличению массы линейного вентильно-индукторного электрического генератора возвратно-поступательного действия, а также увеличивает потери на нагрев обмоток фаз статора 3, что ухудшает КПД линейного вентильно-индукторного электрического генератора возвратно-поступательного действия. В связи с этим для увеличения интенсивности генерации, при уменьшении массы и габаритов магнитопровода 2 статора (статор на фигурах не обозначен) обмоток фаз статора 3, необходимо обеспечить нахождение магнитопровода 2 статора (статор на фигурах не обозначен) в положении, когда скорость подвижного элемента 1 будет максимальной, а изменение индуктивности обмоток фаз статора 3 максимальным и отрицательным по знаку. В точке 10 происходит изменение направления движения подвижного элемента 1. В точке t1 подвижный элемент 1 уже обладает некоторой скоростью и находится в положении, в котором средняя линия 4 одного из магнитопроводов 2 статора (статор на фигурах не обозначен) и средняя линия 5 одного из фазных зубцов (на фигурах не обозначен) подвижного элемента 1 совпадают, обмотка фазы статора 3 в этот момент обладает максимальной индуктивностью. В момент времени t2 скорость подвижного элемента 1 и изменение индуктивности обмоток фаз статора 3 близки к максимальным значениям, в этот момент времени целесообразно начинать процесс генерации электрической энергии. В точке t3 скорость движения подвижного элемента 1 и изменение индуктивности обмоток фаз статора 3 перестают быть близкими к максимальным значениям и процесс генерации целесообразно остановить. То есть, если обеспечить положение магнитопроводов 2 статора (статор на фигурах не обозначен) так, чтобы в момент максимального изменения индуктивности обмоток фаз статора 3 подвижный элемент 1 обладал скоростями близкими к максимальным за период движения можно обеспечить максимальную интенсивность процесса генерации линейного вентильно-индукторного электрического генератора возвратно-поступательного действия.
В ООО НПО «Донские технологии» был изготовлен опытный образец линейного вентильно-индукторного электрического генератора возвратно-поступательного действия, его эксплуатация подтвердила вышеуказанный технический результат.