СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ КОНТРРОТОРНЫМ ГЕНЕРАТОРОМ С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF GENERATING ELECTRICAL ENERGY USING ELECTROMECHANICALLY ACTUATED CONTRA-ROTATING GENERATOR AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для получения электроэнергии бестопливным, безвредным и экономичным способом.
Наиболее близким к изобретению является способ получения электроэнергии контрроторным агрегатом, предложенный Каспаровым М.А. и Симоновым В.В. в 1950 году, заключающийся в том, что ротор и контрротор (статор) генератора вращают соосной гидротурбиной в разные стороны, при этом достигается большая частота вращения ротора относительно контрротора, что позволяет увеличить мощность, уменьшить число полюсов генератора, следовательно его габариты и вес (Симонов В.В. Прямоточные гидротурбины высокой и сверхвысокой быстроходности. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1951 г.).
Недостатком упомянутого способа является то, что при изготовлении агрегата для его реализации требуется высокий уровень расчетов профилей лопаток гидротурбины, их оптимального пространственного расположения между рабочими лопастями вращающихся ступеней и наличие мощного водного потока.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение и удешевление способа получения электроэнергии контрроторным генератором.
Техническим результатом является высокий коэффициент полезного действия.
Указанный технический результат достигается тем, что вращение ротора и контрротора навстречу друг другу осуществляют путем соединения последнего с высокоскоростным линейным двигателем с двумя противовращающимися дисковыми роторами большого диаметра и в результате этого противовращения происходит сложение двух угловых скоростей и двух усиленных двойными блоками моментов сил, что ведет к приросту мощности и повышению коэффициента полезного действия.
На чертеже изображена конструктивная схема устройства, реализующего данный способ, с горизонтальным (возможны варианты с вертикальным) расположением оси вращения.
Предлагаемое устройство представляет собой открытую инерционно-торсионную, электромеханическую систему из двух противовращающихся ступеней с инерциальной системой отсчета, состоит из соосного контрроторного генератора 1 с контрротором 2 и ротором 3, из высокоскоростного линейного двигателя с индуктором 6 и с двумя противовращающимися дисковыми роторами 4 и 5 большого диаметра, по краю окружности которых перпендикулярно им закреплены вторичные элементы 7 и 8, при этом ступица 9 дискового ротора 4 крепится к фланцу вала ротора 3, образуя первую ступень вращения в форме двойного блока из дискового ротора 4 с радиусом Rn и ротора 3 с радиусом R, где Rn больше R в n раз, расположенных на одном валу со скольжением на подшипниках 11, а ступица 10 дискового ротора 5 крепится к корпусу контрротора 2, образуя вторую ступень вращения из дискового ротора 5 и контрротора 2 в форме еще одного двойного блока с разницей радиусов так же в n раз, расположенных соосно валу ротора 3 со скольжением на подшипниках 12, также состоит из электронного блока управления (не показан) и системы принудительного охлаждения индуктора с каналами для циркуляции охладителя (не показана). Индуктор 6 и корпус устройства (не показан) объединяют составные части этой конструкции в цельный механизм.
Способ получения электрической энергии указанным способом заключается в том, что вращение контрроторного генератора 1 осуществляют путем соединения его с высокоскоростным линейным двигателем с двумя противовращающимся дисковыми роторами 4 и 5 большого диаметра, в индукторе 6 которого разделяют полученную электроэнергию на две части, из каждой образуют механическую силу и распределяют между двумя вторичными элементами 7 и 8, которые под действием прилагаемых сил совершают работу, придавая угловое ускорение двум противовращающимся ступеням, представляющим собой двойные блоки, таким образом усиливают и подводят обе части механической энергии к генератору 1, где их вновь объединяют, в результате этого происходит сложение двух моментов сил и двух угловых скоростей, при этом увеличивают мощность поступившей энергии, которую преобразовывают в электрическую, направляют потребителю и осуществляют это следующим образом.
При подключении индуктора 6 линейного двигателя к сети переменного тока в нем образуются два магнитных поля, которые перемещаются в продольных половинах магнитопровода в разных направлениях с определенной скоростью и наводят токи во вторичных элементах 7 и 8. В результате взаимодействия магнитных полей и наводимых ими токов возникают электромагнитные силы, под действием которых вторичные элементы 7 и 8 начинают смещаться относительно неподвижно закрепленного индуктора 6 в противоположные стороны со скоростью, равной скорости перемещения магнитного поля вдоль магнитопровода. Механические тяговые силы, создаваемые вторичными элементами 7 и 8, равны действующим на них электромагнитным силам и распределяются между вторичными элементами поровну,
ЭМ1
1
ЭМ2
2
1
2
1
1
ЭМ
ЭМ1
ЭМ
ЭМ
ЭМ1
F=F; F=F; F=F. Замкнутые в кольца вторичные элементы 7 и 8 преобразуют свои линейные смещения во вращательные движения дисковых роторов 4 и 5, к которым они прикреплены. Сила принимает определение момента силы, а скорость становится угловой скоростью. Под действием данных моментов, противовращающиеся ступени устройства приобретают угловое ускорение. Применение в работе устройства двойного блока, позволяет расположить точку приложения действующей силы на блоке большого радиуса, тем самым увеличить момент силы и угловое ускорение вращающей ступени, а расположив на блоке малого радиуса рабочий орган механизма, уменьшить момент противодействия и момент инерции. Момент силы, действующий на один дисковый ротор в точке А блока большого радиуса будет M=FRn, а в точке В блока малого радиуса будет М=FnR, M=М. Теперь равную по величине силу приложим в точке В и проследим обратный порядок действия. Момент противодействующей силы на один дисковый ротор в точке В блока малого радиуса будет М=FR, а в точке А на блоке большого радиуса будет М=FR/n. Правило равенства моментов большого и малого блоков выполняется только в том случае, если сила приложена со стороны блока с большим радиусом, если наоборот, то это правило не работает. Величина М больше М в n раз, а М больше М в n раз, это доказывает то, что двойной блок в n раз увеличивает момент силы действия и в n раз уменьшает момент силы противодействия. Если двойной блок вращается с ускорением, то «золотое правило» (правило равновесия) не действует. При соблюдении этого условия данное устройство, состоящее из двух двойных блоков, совершает работу по вращению ротора 3 и контрротора 2, а сумма этих работ позволяет генератору преобразовывать поступившую механическую энергию в электрическую. Встречное вращение позволяет обмоткам возбуждения и якоря за один оборот пересекаться дважды, что увеличивает частоту образования электродвижущей силы в два раза, а результирующее поле, создаваемое совместными действиями токов обмотки якоря и обмотки возбуждения, будет оставаться неподвижным. Следовательно, в генераторе происходит сложение двух угловых скоростей ω+ω=2ω и двух моментов, усиленных двойными блоками, n M+n М=2n М, а произведение этих показателей дает определение мощности, поступившей на генератор,
ОГ
ПГ
ЭГ
ОГ
ПГ
ЭГ
2n М 2ω=4n Мω=4n Р=Р. От этой мощности вычитается мощность общих потерь Р, неизбежных при преобразовании, а оставшаяся часть является полезной мощностью Р генератора. Р-Р=Р.
Подачу и снятие напряжения с обмоток генератора производят при помощи контактных колец и токосъемных щеток (на схеме не показаны).
Электронный блок управления контролирует показатели внутренних и внешних цепей устройства, регулирует и стабилизирует параметры, включают при необходимости защиту от короткого замыкания и перегрузки, преобразует частоту до необходимой величины для получения определенной скорости вторичных элементов, переключает питание индуктора от внешнего источника на автономный режим и наоборот.
Охлаждение индуктора линейного двигателя осуществляют в зависимости от назначения и условий эксплуатации. Если устройство используется на транспортных средствах, применяют обдув потоком встречного воздуха. При работе устройства на номинальных нагрузках отводят тепло обдувающими вентиляторами. Для устройств, работающих на околопредельных нагрузках и в плохо вентилируемых пространствах наилучший эффект достигается при использовании жидкого газа, циркулирующего по каналам внутри магнитопровода.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является электромеханический привод, состоящий из генератора и двух высокоскоростных линейных двигателей с дисковыми роторами большого диаметра, установленных с возможностью вращения навстречу друг другу для вращения двух рабочих органов одного механизма, а двухсторонние индукторы высокоскоростных линейных двигателей закреплены неподвижно в корпусе напротив друг друга, при этом ступица одного дискового ротора имеет шлицевое соединение с валом генератора, а ступица другого дискового ротора насажена на вал генератора без какой либо фиксации (RU 2301489 С2, от 20 июня 2007 года, БИ № 17).
Недостатком данного привода является то, что он состоит из двух высокоскоростных линейных двигателей с двумя индукторами, так как подобную работу можно выполнить одним индуктором, то второй индуктор это дополнительные материалы, дополнительный вес. Недостатком является и то, что расположенные на плоскости дисковых роторов вторичные элементы не позволяют использовать всю потенциальную возможность большого круга вследствие того, что точка приложения действующей силы расположена на некотором расстоянии от края окружности, а это уменьшает момент силы. Расположенные на дисковых роторах маховики, также считаются недостатком, потому что увеличивают момент инерции и уменьшают угловое ускорение.
В предлагаемом устройстве эти недостатки отсутствуют. Оно состоит из соосного контрроторного генератора 1 с удлиненным прочным валом ротора 3, на котором жестко закреплены сердечник с якорной обмоткой, нагнетающий вентилятор, контактные кольца и фланец, располагаются два подшипника 11 для вращения самого вала и всей противовращающей системы в корпусе устройства и два подшипника 12 для соосного вращения по нему контрротора 2, к корпусу которого жестко крепятся сердечник с обмоткой возбуждения, вытяжной вентилятор и контактные кольца, в корпусе имеются окна для потока вентилируемого воздуха; из высокоскоростного линейного двигателя с двумя дисковыми роторами большого радиуса 4 и 5, изготавливаемыми из композитных материалов для устройств малой и средней мощности и сварными, металлическими для устройств большой мощности, на которых по краю окружностей, перпендикулярно им, закреплены вторичные элементы 7 и 8 из алюминиевых шин в виде обечаек, ступица 9 дискового ротора 4 крепится болтами к фланцу вала ротора 3, а ступица 10 дискового ротора 5 крепится болтами к корпусу контрротора 2, образовав при этом две противовращающиеся ступени в форме двойных блоков, а в непосредственной близости от вторичных элементов, с минимальным воздушным зазором, на корпусе устройства неподвижно установлен односторонний индуктор 6 в форме сегмента, магнитопровод которого состоит из двух продольных сердечников, с антиферритовой прокладкой между ними, и с общей обмоткой уложенной особым способом; из электронного блока управления включающий блок запуска и остановки устройства, блок контроля и авторегулировки параметров поступающей и вырабатываемой электроэнергии, блок тиристорного преобразователя частоты, блок защиты от короткого замыкания внутренних и внешних цепей, а также блока переключателей и подключения; из системы принудительного охлаждения индуктора включающий вентилятор с воздуховодом и радиатор с насосом для осуществления циркуляции жидкого охладителя по специальным каналам внутри магнитопровода.
Устройство может работать в непрерывном режиме продолжительное время, остановка необходима для профилактики и для замены щеток. Его отличает простота изготовления, эксплуатации и обслуживания, высокая надежность и экономичность, низкая стоимость. Но основным отличием является то, что его коэффициент полезного действия больше единицы.
Зададим числовые значения данному устройству. Радиусы дисковых роторов по 1 м, радиусы ротора и контрротора (по радиусу воздушного зазора генератора) по 0,1 м, разница радиусов равна 10, длина вторичных элементов по 6,28 м, ширина по 0,1 м, толщина по 0,005 м, индуктор получает трехфазный ток напряжением 380 В, частотой 1308 Гц от электронного блока, имеет полюсное деление 0,06 м, обеспечивает скорость движения вторичных элементов в противоположных направлениях по 157 м/с или 565,2 км/ч, создает тяговое усилие на один квадратный сантиметр активной поверхности индуктора по 0,2 Н, а на 500 квадратных сантиметров - 100 Н, затратив при этом 15700 Вт полезной мощности, а с учетом потерь при преобразовании с коэффициентом полезного действия индуктора 0,6 будет 26166 Вт общей мощности электроэнергии, сила, действующая на один дисковый ротор, 50 Н, а момент силы на роторе генератора будет в 10 раз больше и равен 500 Нм, угловая скорость равна 157 рад/с, такой же момент силы и такая же скорость придается контрротору вторым дисковым ротором, в генераторе складываются два усиленных момента сил и их сумма равна 1000 Нм и две угловые скорости с суммой 314 рад/с, их произведение определяет поступившую на генератор мощность 314000 Вт, с учетом потерь при коэффициенте полезного действия генератора 0,95 будет 298300 Вт полезной мощности, генератор имеет одну пару полюсов, при частоте вращения ротора и контрротора по 1500 оборотов в минуту или 25 оборотов секунду генератор вырабатывает электроэнергию с частотой 50 Гц. Определим силу противодействия электромагнитных сил на индуктор линейного двигателя одним вторичным элементом. Общий момент сил противодействия определим, разделив общую мощность генератора 314000 Вт на удвоенную угловую скорость 314 рад/с, и получим 1000 Нм, он распределяется между двумя дисковыми роторами по 500 Нм, при передаче на вторичный элемент уменьшится в 10 раз и будет равен 50 Нм, разделив на радиус дискового ротора, находим силу противодействия, равную 50 Н. Получили равенство сил действия и противодействия, чтобы нарушить это равновесие, достаточно будет повысить мощность, потребляемую индуктором линейного двигателя, до 28000 Вт и понизить потолок отбора мощности генератора до 280000 Вт. В этом интервале устройство будет работать в номинальном режиме. Коэффициент полезного действия устройства равен 10. При таком показателе, получив энергию для запуска, в дальнейшем устройство может обеспечивать питание своего двигателя своим же электричеством, а оставшуюся часть мощности отдавать.
Такое устройство найдет применение во всех сферах человеческой деятельности и позволит избавиться от использования двигателей внутреннего сгорания, тепловых и атомных электростанций.
Источники информации
1. Прямоточные гидротурбины высокой и сверхвысокой быстроходности. Семенов В.В. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1951 г.
2. Элементарная физика. Ландсберг Г.С., том 1.
3. Электрические машины. Токарев Б.Ф., Энергоатомиздат, 1990 г.
4. Линейные асинхронные двигатели. Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н., Энергоатомиздат, 1991 г.
5. RU 2301489 С2, от 20 июня 2007 года, БИ № 17.