BG110899A - Електрогенератор с постоянни магнити, използващ "виртуален въздушен процеп" - Google Patents

Abstract

Електрогенераторът с постоянни магнити, използващ "виртуален въздушен процеп" се използва за производство на електрическа енергия, като се комутира магнитното поле на магнита без да има движещи се части. Постоянното магнитно поле от магнити (116 и 117) се затваря през товарни намотки (118 и 119), като се насища магнитна сърцевина, свързваща ги помежду им. Магнитното съпротивление, оказвано по този начин от сърцевината върху потока, преминаващ през нея, може да се представи чрез еквивалентен въздушен процеп, пропорционален на управляващия ток в намотки (104, 107, 120, 121, 122, 125). Управляващата електроника комутира по такъв начин магнитния поток, че всяка товарна намотка във всеки един момент се оказва включена ту към единия постоянен магнит, ту към другия.

Description

ЕЛЕКТРОГЕНЕРАТОР С ПОСТОЯННИ МАГНИТИ,

ИЗПОЛЗВАЩ „ВИРТУАЛЕН ВЪЗДУШЕН

ПРОЦЕП”

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася за генериране на електрическа енергия, чрез създаване на зони на повишено магнитно съпротивление в магнитната верига на постоянен магнит и промяна на пътя на магнитното поле. Тази промяна на магнитната индукция във времето индуцира електрически ток в подходящо разположени товарни намотки.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Към момента съществуват неголям брой патенти за получаване на електрическа енергия от магнитното поле на постоянен магнит, като всички се основават на свойството на феромагнитните материали да се насищат при достигане на определена и индивидуална за всеки материал, стойност на магнитната индукция. Съпротивлението на всички магнитни полета преминаващи през тази наситена зона се повишава достига дори до нива съответстващи на еквивалентен по дължина въздушен процеп. Така външния магнитен поток (в случая от постоянния магнит) се пренасочва към алтернативни пътища с по-малко магнитно съпротивление. Тази промяна в посоката и интензитета на магнитното поле предизвиква

Страница 1 • · • · * ·

индукция на електрически ток в изходни намотки според закона на Фарадей, без да има движещи части или промяна на магнитното поле на източника.

Една подобна конструкция е публикувана в патент на САЩ № 3368141. При този генератор комбинацията на магнитното поле на магнита и това на управляващите намотки създава необходимата магнитна индукция за производство на ток. По този начин през първия полупериод единия поток се увеличава, а другия се намалява. В следващия полупериод става ф обратното. Особеното на тази схема, е че работи по-скоро на принципа на сумиране и съответно изваждане на магнитните потоци, а не на принципа на насищане на магнитната сърцевина.

В друг патент на САЩ № 4006401 се представя магнитен генератор на ток, който типично работи на принципа на насищане на магнитната сърцевина. При него се обособяват по две отделни пътеки от магнитно мек материал, към всеки полюс на постоянния магнит. Към всяка пътека е добавена електрически управляема бобина, която насища участък от нея, създавайки по този начин зона на високо магнитно • съпротивление. Прилагането на електрическо напрежение към тези управляващи бобини принуждава магнитното поле да преминава във всеки един полуцикъл през различни пътеки и така да променя посоката на индуцираното напрежение в изходната намотка.

Напредъка в производството на съвременни магнитни материали и по специално на аморфни и нанокристални сплави, позволи да се намалят разходите на мощност при управлението и скоростта на превключване на магнитния поток.

Страница 2

Тези материали се получават по метода на свръх бързото втвърдяване на стопилка от съответната сплав и получаване по този начин на стъкловидна ( аморфна ) структура. След подходяща термообработка на аморфните сплави се постига нанокристална структура с размер на кристалите от 2 - 40 nm, разделени помежду си от аморфна маса. От гледна точка на физиката всеки отделен кристал е един домеин. При промяна режима на термообработка могат да бъдат постигнати различни и много подходящи за повечето приложения свойства на материала като: нисък коерцитивен интензитет; ниска © магнитострикция на насищане и висока относителна магнитна проницаемост.

Напредък беше постигнат и в разработването на материали за постоянни магнити, особено тези с включени редкоземни елементи, като необий, самарий и кобалт. В настояще време се произвеждат постоянни магнити от материал NdFeB с коерцитивен интензитет Нс надвишаващ 1 000 000 А/m, и остатъчна магнитна индукция Вг > 1.45 Т. Максимална енергия на магнитното поле ВНтах = 400 kJ/тЗ.

Благодарение на тези нови материали в цитираните по© долу патенти се декларира постигането на по-голяма изходна мощност на устройствата в сравнение с входната.

В патент САЩ № 6362718 е описан електрически генератор, който използва свойството на инерционност на магнитните диполи. След подаване на силен и кратък електрически импулс на управляваща намотка разположена върху една от двете пътеки излизащи от постоянния магнит, диполите на феромагнитния материал се ориентират в посока съответстваща на приложено външно управляващо

Страница 3 напрежение и съответно противодействат на магнитното поле създавано от магнита. В следващия цикъл се подава същия такъв импулс и на другата бобина за да се блокира съответно другата магнитна пътека и пренасочи отново потока. Получената по този начин енергия на изхода на устройството надвишава тази подадена на входа няколкократно.

В патент САЩ № 20090096219 е представена една нова разработка на електрически генератор с постоянни магнити, в който магнитния поток се насочва в определената посока чрез насищане на съответната част от магнитната верига. Разликата между този патент и патент на САЩ № 4006401 е в това, че насищането на магнитната сърцевина става чрез подаване на управляващ магнитен поток в същата посока както и този на постоянния магнит. Тук авторите се позовават на публикация от Konrad и Brundy - “An Improved Method for Virtual Air Gap Length Computation”, представена в IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 41, № 10, October 2005. В тази статия се предлага техниката на насищане на суб-региони от основния магнитопровод намиращи се в непосредствена близост до управляващите намотки, и определяне ширината на тази зона в зависимост от приложения електрически ток.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Това изобретение е насочено към методите и устройствата за производство на електрически ток чрез последователно и синхронизирано включване на две или повече намотки към два или повече постоянни магнита.

Страница 4

Устройството представлява обемна конфигурация, чиято разгъвка се състои от последователно редуващи се магнити и товарни бобини, като постоянните магнити в съседство се разполагат с различните си полюси в една посока. Управляващите намотки се разполагат в сърцевината на дисковете от магнитно мек материал, затварящи конструкцията.

От всеки магнит могат да се определят две основни магнитни вериги, които се разделят наляво и надясно от Ф полюсите му и се затварят в разноименните полюси на съседния магнит. При това си движение магнитния поток преминава покрай всяка от четирите двойки управляващи магнитни комутатори (магнитен ключ) и незначителна част от него се затваря през товарната намотка. Всеки магнитен ключ може да се състои от една или повече бобини, чиито намотки преминават през сърцевината на магнитопровода. За предпочитане е намотките да преминават перпендикулярно на плоскостта на листовете магнитно мек материал, съставящи магнитопровода, с цел избягване на трансформаторния ефект и натрупването на въздушен слой между отделните листове.

• В първия полупериод управляващата електронна схема подава напрежение едновременно на бобини 120, 107 и срещуположните на тях 122 и 124, като по този начин се насища частта от магнитопровода намиращ се в непосредствена близост до тях. Магнитната верига свързваща двата магнита се разкъсва и потока условно излизащ от северния полюс на постоянен магнит 117 се затваря през товарната бобина 119 до южния полюс на същия магнит.

Страница 5 ··»· • · · · · 9 9· · ····♦· ·· • ······ ·· ·· • · · · · · ·· ···· ·· ·· ·· ······

Аналогично е за магнитната верига на постоянен магнит 116, който затваря своя поток през товарна бобина 118.

Във втория полупериод управляващата електроника активира бобините 104, 121 и срещуположните на тях 123 и 124, като магнитната верига на постоянен магнит 117 вече се затваря през товарна намотка 118, а тази на постоянен магнит 116 - през товарна намотка 119. Посоката на индуцираното напрежение в двете товарни бобини вече е противоположно по поляритет на това индуцирано през първия полупериод.

О Материала от който се изработват магнитните ключове е за предпочитане да бъде нанокристален или аморфен феромагнитен със значително правоъгълна ВН хистерезисна крива. Работната точка на магнитните ключове се избира близо до коляното на хистерезисната крива на материала.

Предимствата на предложеното изобретение са: нова схема на комутация на магнитните потоци; по-висока енергийна плътност на единица обем; конструктивната схема се придържа към максимално използване на материали и детайли с усвоено масово производство.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

ФИГ. 1, Компютърна симулация на насищане на магнитопровод и разпределение на магнитните силови линии. Онагледяване получаването на ефекта на виртуален въздушен процеп.

Страница 6 • ····· · ·· • · · · · · ···· ·· ·· ··

ФИГ. 1а, Без подадено управляващо напрежение на магнитните ключове. Разпределението на магнитния поток е приблизително 50:50 в двете посоки към съседния магнит.

ФИГ. 16, Подаване на управляващо напрежение на магнитен ключ 106 ( бобини 104 и 105 ). Разпределението на магнитния поток е в съотношение 66:33 при сила на тока 1А.

ФИГ. 1 в, Подаване на управляващ ток 5А върху магнитен ключ 106. Разпределението на магнитните силови линии е 90:10.

ФИГ. 2, Разгъвка и двумерно представяне на обемната конфигурация на апарата.

ФИГ. За, показва самия процес на работа на устройството. Цикъл първи

ФИГ. 36, показва втория цикъл от работата на устройството.

ФИГ. 4, Блокова схема на електрониката управляваща процеса на комутация.

ФИГ. 5, З-D обемен изглед на устройството във вариант на изпълнение 2 постоянни магнита и 2 изходни намотки.

ФИГ. 6, Поглед отгоре и частичен разрез на апарата.

ФИГ. 7, Изглед на устройството във вариант на изпълнение 4 постоянни магнита и 4 изходни намотки.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Страница 7 • « ♦ * · * · • ·· • ·· • ·· • · · ·

В статията си Konrad и Brundy - “An Improved Method for Virtual Air Gap Length Computation”, публикувана в IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 41, № 10, October 2005, представят един нов метод за управление на магнитните потоци. Той се основава на насищане на близката зона до проводник по който тече ток. Тази зона на насищане е пропорционална на подадения ток, броя на намотките на бобината и магнитните характеристики на магнитопровода.

~ Както се вижда от ФИГ. 1, на компютърната симулация на насищане на магнитопровода, магнитните силови линии, излизащи от северния полюс на постоянния магнит 101, се разделят наляво и надясно през двете магнитни вериги 102 и 103 обратно пропорционално на тяхното магнитно съпротивление. Бобини 104 и 105 формират магнитен ключ 106, а бобини 107 и 108 - магнитен ключ 109. В случай че на магнитните ключове не е подадено управляващо напрежение както се вижда от ФИГ. 1а, - разпределението на магнитния поток е приблизително 50:50 в двете посоки към съседния магнит.

• При подаване на управляващо напрежение на магнитен ключ 106 ( бобини 104 и 105 ) ФИГ. 16. Разпределението на магнитния поток е в съотношение 66:33 при сила на тока 1А. А при подаване на управляващ ток 5А върху магнитен ключ 106, ФИГ. 1в - разпределението на магнитните силови линии е 90:10. Симулацията на процеса е извършена с помощта на изчисления по метода на крайните елементи и софтуерен продукт „Opera”.

Страница 8 ······ · · • 4 · 4 4 е · 4 4 · 4 • · · 4 · 4 4 · ···· ·· ·· ·· ·4· ···

Както може да се види от двумерното представяне на апарата на ФИГ. 2, устройството му се състои от два или повече постоянни магнита 116 и 117, като всеки от тях може да бъде съставен от набор по-малки по размер магнити. Успоредно на тях и между всеки два магнита, по дължината на обвиващата окръжност се разполагат товарните (изходни) намотки 118 и 119 техния брой съответства на броя на магнитите (при повече магнити). Бобините съответно са разположени върху сърцевини 126 и 127 изработени от феромагнитен материал. Полюсите на постоянните магнити и ® сърцевините на бобините са свързани помежду си посредством магнитни ключове 106, 109, 110 и 111 от едната си страна и разположените срещу тях 112, 113, 114 и 115. Съседните магнити се разполагат с различните си полюси в една посока.

Намотките на магнитните ключове се поставят в сърцевината на магнитопровода и представляват една или повече бобини състоящи се от по няколко намотки меден проводник. Самите намотки се поставят в отвори пробити напречно на плоскостта на листовете магнитно мек материал. По този начин се избягва трансформаторния ефект между ф управляващите и изходната намотки, който съществува в US патент № 20090096219. От друга страна липсва въздушния слой между отделните листове нанокристална магнитна сплав (който е около 20 % от дебелината на пакета) и насищането става по - лесно.

За предпочитане е материала за изработване на магнитните ключове да бъде с високо правоъгълна хистерезисна крива (еквивалентен на Finemet FT-3H на “Hitachi Metal”). Като пример: Индукция на насищане - Bsat = 1.2 Т,

Страница 9 • · · ·

Остатъчна намагнитеност - Вг > 1.0 Т, Коефициент на правоъгълност на ВН хистерезисната крива > 0,85.

Като материал за изработване на постоянните магнити е удачно да се използва съвременните Неодим-Бор или Самарий-Кобалт материали. Те се характеризират с остатъчна намагнитеност достигаща до Вг = 1.45 Т и коерцитивен интензитет Нс > 1 000 000 А/т.

На ФИГ. 3 може да се види процеса на работа на апарата. В началния момент преди подаване на управляващо © напрежение, магнитния поток излизащ от северния полюс на постоянен магнит 117 се разделя през отворените в този момент магнитни ключове 110 и 106 на ляво и магнитни ключове 109 и 111 на дясно, до южния полюс на постоянен магнит 116. И същия магнитен поток се затваря от северния полюс на 116 през магнитни ключове 115 и 114 на ляво и 112 и 113 на дясно до южния полюс на 117.

Чрез електроника с крайно стъпало състоящо се от силови транзистори, по време на първия полупериод се подава ток на управляващи бобини 120, 107, 122 и 124 на ФИГ. За. По този ф начин се насища сърцевината на магнитни ключове 109, 110,

112 и 114 и индукцията в тях оказва съпротивление на всички магнитни потоци преминаващи през тези сърцевини. По тази причина магнитния поток излизащ от северния полюс на постоянен магнит 117 се насочва в посока на неактивирания в момента ключ 106, през ненаситената сърцевина 126 на товарна намотка 119, през отворения магнитен ключ 113 и се затваря в южния полюс на 117. Аналогично става и движението на магнитния поток от северния полюс на постоянен магнит 116, през ненаситената сърцевина на магнитен ключ 115,

Страница 10 • · магнитопровода 127 на товарната намотка 118, отворен магнитен ключ 111 до южния полюс на 116.

На ФИГ. 36, се показва втория цикъл от работата на устройството. Отново управляващата електроника подава напрежение на отворените през първия цикъл магнитни ключове 106, 111, 113 и 115 чрез техните намотки 104, 121, 123 и 125. Техните сърцевини се насищат и оказват съпротивление на преминаващите до този момент през тях магнитни потоци. Едновременно с това електрониката синхронно изключва подаването на ток на управляващи бобини 120, 107, 122 и 124. По този начин магнитния поток на постоянен магнит 116 излизайки от северния си полюс се „измества” по посока на отворения магнитен ключ 112, сърцевината 126 на товарна бобина 119, магнитен ключ 110 до южния полюс на 116. При това си движение магнитния поток индуцира електродвижещо напрежение в намотка 119 обратно по поляритет на това индуцирано през първия период. Тази промяна на посоката на индуцираното напрежение е достатъчна по закона на Фарадей за получаване на електрически ток. По същия начин магнитния поток на 117 преминавайки през ключове 109, 114 и сърцевина 127 индуцира и електродвижещо напрежение, но вече с обратен поляритет в товарна бобина 118.

На ФИГ. 4 може да се види блоковата схема на управляващата електроника. Импулсите за включване и изключване на магнитните ключове се подават от тактов генератор 151 на двата ограничителя на ток 152 и 153. Тяхната цел е да подържат оптималния работен ток през управляващите бобини 104, 107, 120, 121, 122, 123, 124 и 125. Като токов ключ 154 и 155 може да се използват мощни полеви транзистори, за

Страница 11 • ·«· • · · « • · © · · • · · · · · • · · · · · · «· • · · · · · ···· ·· ·· ··

предпочитане с ниско собствено съпротивление на прехода в отворено състояние. Съпротивленията 156 и 157 служат за определяне на преминаващия през намотките ток.

На ФИГ. 5 може да се види и предпочитаната от мен обемна конфигурация и изпълнение на апарата. Магнитните ключове 110, 106, 109 и 111 се изпълняват в формата на част от тороида 128, а съответно ключове 112, 113, 114 и 115 - като част от тороида 129. Постоянните магнити 116и117се разполагат срещуположно един на друг спрямо оста образуваща цилиндъра и между тороиди 128 и 129. Двата магнита се ориентират с разноименните си полюси в една посока. Сърцевините 126 и 127 заедно със своите товарни намотки 119 и 118 се поставят между двата тороида 128 и 129, разместени на 90 ъглови градуса спрямо разположението на постоянните магнити 116 и 117. Управляващите бобини 104, 107, 120, 121, 122, 123, 124 и 125 се изработват като вложени проводници в радиално пробити отвори в двата тороида 128 и 129. Тяхното разположение трябва да бъде на 45 ъглови градуса от осите свързващи двата магнита 116 и 117 и двете товарни намотки 118 и 119. Дължината на постоянните магнити 116 и 117 и сърцевините 126 и 127 трябва да бъде еднаква. Всяка разлика е критична защото води до деформация на дисковете 128 и 129, а от там и влошаване на магнитните характеристики на материала на магнитните ключове.

Работната магнитна индукция в материала на конструкцията се избира според правилата за конструиране на магнитни усилватели. Тоест тя трябва да бъде около коляното на хистерезисната крива на материала, и в никакъв случай да не надхвърля индукцията на насищане.

Страница 12

W · · · *·-· · • · · · · ·· ······ «9 • · · · · · · ·· 9· • ·«#·· «ft ···· ·· ·· 99 ···99*

Ha ФИГ. 6 може да се види поглед отгоре и частичен разрез на устройството, като тук е добавена във вид на блок, силовата управляваща електроника 130. Характерно за работата на устройството, е че се включват срещуположно разположените намотки, двойката 107 и 124 едновременно с 120 и 122. При това сърцевина 126 на товарна намотка 119 затваря през себе си магнитния поток на магнита 117. А в следващия полупериод се включват другите срещуположно разположени бобини, двойките 104 и 123 едновременно с 121 и 125. В този случай сърцевината 126 на товарната намотка 119 затваря през себе си магнитния поток на магнита 116. Или нагледно може да се разглежда като „включване” на една товарна намотка ту към единия магнит, ту към другия.

Както вече споменах, апарата може да бъде изпълнен във вариант повече от 2 постоянни магнита и 2 бобини. Пример за такава конструкция може да се види на ФИГ. 7. Показаното решение е 4 + 4 и може да се използва при необходимост от по-мощна и компактна конструкция. И тук се запазва основния принцип на действие - разполагане на съседните магнити 131, 134, 138 и 142 с разноименните си полюси в една посока. Комутацията на управляващите бобини става по описания по горе начин. По време на първия полупериод се включва управляващи бобини 133, 137, 141 и 145, а по време на втория полупериод - 135, 139, 143 и 147. И в тази конструкция товарните намотки 131,136,140 и 144 отново може да се разглеждат като „включени” ту към единия магнит, ту към другия. В този случай дисковете 132 поради по-големите си размери могат да се изработят от отделни сектори.

Страница 13 • · • ······ ·· · · • · · · * « · · ···· ·· ·· ·· «·· ···

ПРИЛОЖЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Това изобретение може да се използва когато или където е необходимо електрическо захранване. При правилно подбрана работна точка на магнитната индукция, енергията вложена в управлението е многократно по-малка от получената на изходната намотка. Основното му приложение е в моторните превозни средства, като заместител на акумулаторните батерии при изграждане на хибридни и електромобили. В

Ф горивните инсталации използващи невъзобновяеми енергийни източници. И много други.

Claims (6)

1. ПРЕТЕНЦИИ

   1. Електрогенератор с постоянни магнити използващ виртуален въздушен процеп включващ постоянни магнити, магнитни сърцевини и електрически намотки се характеризира с това, че се състои от 2, 4, 6 и т.н. броя магнити (116), (117), всеки разположен спрямо предходния със срещуположния си полюс в една посока, за генериране на постоянен магнитен поток;

   © също толкова на брой магнитни сърцевини (126), (127) с навити върху тях изходни намотки (118), (119), които се разполагат между всеки два магнита и служат за затваряне на магнитния поток през себе си; 8, 16, 24 и т.н. броя феромагнитни участъци (106), (109), (111), (110), (112), (113), (114), (115) с вградена в сърцевината си намотка от електрически проводник, свързващи всеки полюс на постоянния магнит с намиращата се до него изходна намотка и изпълняващи ролята на магнитни ключове за потока преминаващ през тях.

   ©
2. 2. Електрогенератора по т.1 от претенциите се характеризира стова, че силнотоков контролер (130) включва синхронно и едновременно управляващи бобини (120), (122), (107) и (124) по време на първия цикъл и управляващи бобини (104), (123), (121) и (125) - по време на втория цикъл.
3. 3. Електрогенератора според т. 1 и 2 от претенциите, се характеризира с това, че подавайки напрежение на

   Страница 15 • · · · • ······ ·· · · • · · · · · · · ···· ·· ·· ·· ··· ··· управляващите бобини насища магнитопровода около тях и принуждава постоянния магнитен поток да се затваря през сърцевината на изходната намотка.
4. 4. Електрогенератора според т. 1, 2 и 3 от претенциите се характеризира с това, че произвежда променливо електродвижещо напрежение върху изходните (товарни) намотки като затваря през тяхната сърцевина магнитния поток първо на единия магнит, а по време на следващия цикъл - и на другия магнит.
5. 5. Електрогенератора с постоянни магнити по т. 1 от претенциите се характеризира с това, че неговите магнитни ключове се изработват от нанокристален магнитномек феромагнитен материал притежаващ значително правоъгълна ВН хистерезисна крива.
6. 6. Електрогенератора по т. 1 и 5 от претенциите се характеризира с това, че се изработва от една или повече бобини, които сумарно образуват съответния магнитен ключ, като намотките им се влагат в отделни отвори, пробити перпендикулярно на плоскостта на листовете феромагнитен материал.