RU167107U1 - Электрическая машина радиального действия - Google Patents

Abstract

Электрическая машина радиального действия, содержащая корпус, постоянные магниты и рабочие каналы с электропроводящей подвижной массой с числом каналов более двух, в которых электромагнитные и электродвижущие силы создаются во взаимодействии с постоянным магнитным полем, при этом рабочие каналы радиально расположены между постоянными магнитами и выполнены сужающимися по направлению к центральной оси машины, причем рабочие каналы с электродами снабжены внешними перемычками, соединяющими их последовательно, отличающаяся тем, что корпус имеет форму цилиндрического магнитопровода с входным и выходным отверстиями для электропроводной подвижной массы, при этом постоянные магниты выполнены в форме двух кольцевых и одного дискового постоянных магнитов и расположены внутри корпуса с возможностью размещения между ними рабочих каналов, причем с внутренней стороны каждого рабочего канала наклонно расположены электроды, изолированные между собой вставками из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением.

Description

Полезная модель относится к устройствам прямого преобразования потоков жидкостей и газов в трубопроводах в электрическую энергию и может быть использована для питания датчиков и приборов, установленных на трубопроводах в труднодоступных для централизованного энергоснабжения и удаленных районах нефтедобычи и нефте-газо-перекачки и передачи информации по измеряемым параметрам. Электрическая машина радиального движения (ЭМРД) вырабатывает электроэнергию на основе использования магнитогидродинамического (МГД) эффекта, возникающего при взаимодействии потока воды, электролитов, проводящей жидкости с внешним магнитным полем.

Уровень техники.

МГД-генератор (МГДГ) - энергетическая установка, в которой энергия потока рабочего тела (электропроводящей среды), движущегося во внешнем магнитном поле, преобразуется непосредственно в электрическую энергию.

Суть явления заключается в том, что при движении среды в магнитном поле, в нем индуцируется (наводится) электрический ток. Это проявление эффекта отклонения траектории движения заряженных частиц в магнитном поле под действием силы Лоренца, представляющей собой произведение величины заряда q на векторное произведение скорости потока частиц ν на величину магнитной индукции поля В и описываемую формулой:

При этом заметно проявляется эффект Холла с параметром β, плотность тока j согласно обобщенному закону Ома будет задаваться уравнением:

где σ - удельная электрическая проводимость среды, β=ω_еτ_е - безразмерный параметр Холла; ω_е - циклотронная частота вращения электрона в магнитном поле В; τ_е - время между его соударениями с другими частицами.

В простейшем кондукционном МГД-генераторе верхняя и нижняя стенки канала - проводящие электроды, боковые стенки - непроводящие. Магнитная система, состоящая из катушек, создает в канале поперечное магнитное поле В. Если электроды замкнуты на пассивную электрическую цепь с омической нагрузкой, а рабочее тело движется в канале за счет внешнего воздействия (напр. потока электролита), на проводящих электродах появляется электродвижущая сила (ЭДС), подобная той, которая возникает в электромеханическом генераторе при движении проводника в поперечном магнитном поле. Под действием ЭДС через нагрузку течет электрический ток. Такой МГДГ называют фарадеевским генератором со сплошными электродами. [Специальные электрические машины: учеб. пособие для вузов / под ред. А.И. Бертинова; изд. Букинист, 1982. - 552 с.].

Но в отличие от обычных электрических машин в кондукционном МГДГ может проявляться эффект Холла (β≥1), заключающийся в том, что в поперечном магнитном поле вектор плотности электрического тока поворачивается на некоторый угол θ по отношению к вектору электрической напряженности и он становится малоэффективным, поскольку вектор j по мере увеличения β все больше поворачивается к оси канала. Его продольная составляющая j_x замыкается через электроды и оказывается бесполезной. Поэтому при β≥1 рациональнее использовать линейный канал, состоящий из проводящих взаимно изолированных рамок, со сдвигом Δ соединенных диагональными перемычками. Первая и последняя рамки замкнуты через нагрузку R_н. При движении проводящей среды в канале при β≥1 появляется продольный холловский ток, который с помощью рамок на входе и выходе также замыкается через нагрузку.

Хорошими рабочими характеристиками в этом случае обладает диагональный МГДГ [Специальные электрические машины: учеб. пособие для вузов / под ред. А.И. Бертинова; изд. Букинист, 1982, стр. 510, рис. 12.5, 12.6].

В нем проводящие рамки наклонены под некоторым углом θ к оси канала. Наклон перемычек характеризуется углом

где h - высота канала. Магнитное поле В (рис. 12.5) создается электрообмотками и направлено горизонтально на рис. 12.5 и в чертеж на рис. 1.2.6, а поток электропроводной массы (ЭПМ) проходит со скоростью ν внутри канала (слева направо на рис. 12.6), возникающий кондукционный ток J течет между электродами снизу вверх на рис. 12.6 и через крайние разнополярные электроды замыкается на нагрузку R. Каждый поперечный слой канала является элементарным генератором, в котором ток совпадает по направлению с поперечным наведенным электрическим полем E_ν=ν×В. При этом кулоновское электрическое поле Е будет очевидно направлено перпендикулярно наклонным плоскостям рамок, поскольку они являются эквипотенциальными поверхностями и полное электрическое поле определяется суммой Е'=Е+ν×В.

Меняя угол наклона θ рамок, можно менять направления Е, Е' и j. При некотором оптимальном значении угла θ плотность тока j в ЭПМ имеет только поперечную составляющую.

Это позволяет получить на выходе канала значительно большие напряжения, чем у фарадеевского МГДГ.

Действительно, для кондукционного диагонального МГДГ с длиной канала

.

а для фарадеевского МГДГ, U=E_z·h, т.е. при tgθ=tgθ_nm=β напряжение диагонального МГДГ в

раз выше, чем у фарадеевского.

Для типичных значений β=1÷2,

эта разница может быть более чем десятикратной. К другим преимуществам диагонального МГДГ следует отнести простоту внешней электрической цепи и устойчивую работу из-за отсутствию поперечных электромагнитных сил.

Удельная мощность будет:

Таким образом, мощность генератора увеличивается с ростом р. Выбор угла наклона перемычек (рамок) обеспечит максимальную эффективность. Генератор подобен набору элементарных источников тока, соединенных последовательно с помощью диагональных перемычек.

Известно устройство (аналог) по патенту РФ №2456735 С1, МПК Н02К 44/08, Н02К 44/12, 2011.28.01 «Магнитогидродинамический генератор». Технический результат известного устройства достигается благодаря тому, что МГДГ с каналами для электропроводящей среды, выполненными в виде сопел, обращенных перпендикулярно к оси генератора, и магнитной полюсной системой, обеспечивающей магнитный поток в зоне каналов, отличающийся тем, что число каналов кратно четырем, каналы соединены последовательно, причем расширяющиеся и суживающиеся области каналов расположены симметрично относительно оси МГДГ и направлены к этой оси поочередно суживающейся и расширяющейся частью.

К недостатку аналога относится низкая эффективность вследствие неоднородности магнитного поля, устранение которой за счет расширяющейся и суживающейся областей каналов резко увеличивает гидродинамическое сопротивление электропроводящей среды.

Известно устройство (прототип) по патенту РФ №2346378 С1, МПК Н02К 44/02, Н02К 44/08, Н02К 44/12, 23.10.2007 «Электрическая машина радиального движения жидкости» автора Курбасова А.С.

Данная электрическая машина радиального движения (ЭМРД) состоит из корпуса, выполненного из двух участков труб - внутренней и наружной, охватывающего двенадцать каналов, сужающихся от наружной трубы к внутренней. Между каналами расположены постоянные магниты, создающие в каналах магнитный поток. В результате взаимодействия протекающего через каналы тока с потоком жидкого металла в каналах наводится ЭДС.

По формуле изобретения ЭМРД, содержащая цилиндрический индуктор для создания магнитного потока и канал с электропроводящей подвижной массой, в которой электромагнитные и электродвижущие силы создаются во взаимодействии с магнитным полем, отличается тем, что каналы радиально расположены между источниками магнитного поля индуктора и выполнены сужающимися по направлению к оси машины.

Прототип обладает недостатком, заключающимся в низкой эффективности ЭМРД, сложности конструкции из-за большого числа постоянных магнитов, сложным образом расположенных с целью формирования каналов потока жидкости.

Недостатки аналога и прототипа могут быть устранены внесением в конструкцию ряда изменений.

Как это следует из формулы (2) плотность генерируемого ЭМРД тока j пропорциональна проводимости электропроводящей подвижной массы σ, которая в свою очередь пропорциональна концентрации носителей зарядов. Следовательно, необходимы конструктивные изменения, повышающие их концентрацию. Введение в рабочие каналы ЭМРД полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью позволит повысить концентрацию носителей зарядов, а переменное сечение полимерного материала повысит трибоэлектрический эффект.

Задачей полезной модели является разработка электрической машины радиального движения (ЭМРД), в которой устранены недостатки аналога и прототипа.

Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности ЭМРД, упрощение конструкции и расширение диапазона ее работы на проточные жидкости с более низкими проводимостями повышением концентрации носителей зарядов.

Технический результат достигается тем, что в электрической машине радиального действия (ЭМРД), содержащей корпус, постоянные магниты и рабочие каналы с электропроводящей подвижной массой с числом каналов более двух, в которых электромагнитные и электродвижущие силы создаются во взаимодействии с постоянным магнитным полем, при этом рабочие каналы радиально расположены между постоянными магнитами и выполнены сужающимися по направлению к центральной оси машины, причем рабочие каналы с электродами снабжены внешними перемычками, соединяющими их последовательно, согласно полезной модели, корпус имеет форму цилиндрического магнитопровода с входным и выходным отверстиями для электропроводной подвижной массы, при этом постоянные магниты выполнены в форме двух кольцевых и одного дискового постоянных магнитов, и расположены внутри корпуса с возможностью размещения между ними рабочих каналов, причем с внутренней стороны каждого рабочего канала наклонно расположены электроды, изолированные между собой изолирующими вставки из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением.

Сущность полезной модели поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3, где изображены конструкция предлагаемой электрической машины радиального движения в разных проекциях и сектор конструкции двух встречных рабочих каналов.

Цифрами на фиг. 1, 2 и 3 обозначены:

1 - корпус,

2 - входное отверстие для электропроводной подвижной массы,

3 - выходное отверстие для электропроводной подвижной массы,

4, 5 - два кольцевых постоянных магнита,

6 - дисковый постоянный магнит,

7, 8 - рабочие каналы,

9 - наклонно расположенные электроды,

10 - изолирующие вставки из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением,

11 - крайние разнополярные выводные клеммы,

12 - нагрузка,

13 - внешние перемычки.

Электрическая машина радиального действия содержит корпус 1, постоянные магниты и рабочие каналы 7, 8 с электропроводящей подвижной массой (ЭПМ) с числом каналов более двух, в которых электромагнитные и электродвижущие силы создаются во взаимодействии с постоянным магнитным полем, при этом рабочие каналы 7 и 8 радиально расположены между постоянными магнитами и выполнены сужающимися по направлению к центральной оси машины, причем рабочие каналы 7 и 8 с электродами 9 снабжены внешними перемычками 13, соединяющими их последовательно.

Предлагаемая электрическая машина отличается тем, что корпус 1 имеет форму цилиндрического магнитопровода с входным 2 и выходным 3 отверстиями для электропроводной подвижной массы, при этом постоянные магниты выполнены в форме двух кольцевых 4, 5 и одного дискового 6 постоянных магнитов, и расположены внутри корпуса 1 с возможностью размещения между ними рабочих каналов 7 и 8, причем с внутренней стороны каждого рабочего канала наклонно расположены электроды 9, изолированные между собой изолирующими вставками 10 из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением.

Пример конкретного выполнения.

ЭМРД содержит ферромагнитный корпус 1 трансформаторного («горшкового») типа, входное 2 и выходное 3 отверстие для потока электропроводной подвижной массы (электролита, воды, жидкости), последовательно соединенные радиальные встречно ориентированные от центра 7 и к центру 8 рабочие каналы для потока электропроводной подвижной массы, вертикальные наклонные электроды 9 во внутренних стенках рабочих каналов 7 и 8, с изолирующими горизонтальными вставками 10 из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением, причем угол наклона электродов 9 и их число может меняться в зависимости от требуемого напряжения и тока, крайние разнополярные выводные клеммы 11, замкнутые на нагрузку 12.

Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что ЭМРД корпус 1 имеет форму цилиндрического магнитопровода с входным 2 и выходным 3 отверстиями для ЭПМ, магнитное поле создается двумя кольцевыми 4, 5 и одним дисковым 6 постоянными магнитами, между которыми попарно расположены радиальные встречно ориентированные от центра к периферии и от периферии к центру рабочие каналы 7 и 8, с внутренней стороны которых расположены наклонные электроды 9 с расположенными между ними изолирующими вставками 10 из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением, крайние разнополярные выводные клеммы 11 в рабочих каналах 7 и 8 замкнуты на нагрузку 12.

Электрическая машина радиального действия работает следующим образом.

Поток ЭПМ входит в корпус 1 через входное отверстие 2, движется по рабочим каналам 7 с внутренними наклонными электродами 9 в радиальных направлениях к периферии корпуса 1 и при этом подвергается воздействию постоянного магнитного поля, создаваемого кольцевым 4 и центральным дисковым 6 постоянными магнитами. Затем ЭПМ меняет направление потока на противоположное и по рабочим каналам 8 с внутренними наклонными электродами 9 движется от периферии к центру, подвергается воздействию постоянного магнитного поля, создаваемого дисковым 6 и кольцевым 5 постоянными магнитами. Электроды 9 в рабочих каналах 7 и 8 изолированы диэлектрическими (полимерными) вставками 10, с которых на протяжении всех каналов за счет трибоэлектрического эффекта от изолирующих вставок из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением в среду поступают дополнительные заряды, при этом на концевых крайних разнополярных выводных клеммах 11 индуцируется электрический потенциал, который замкнут на нагрузку 12. Затем ЭПМ выходит через выходное отверстие 3.

Если использовать диагональный кондукционный МГДГ с длиной

м и высотой канала (расстоянием между электродами) h=0.01 м, то согласно формуле (4) при магнитном поле В=1 Тл, проводимости жидкости не менее 5·10^-5 См·м, скорости потока ν=12 м/с, между электродами в каналах возникнет ЭДС ε=160 мВ.

При наличии же 32 радиальных рабочих каналов (16×2) в предлагаемом ЭМРД с использованием конструкции фиг. 1-3, при тех же значениях параметров рабочих каналов

м и h=0.01, постоянной эффекта Холла β=2,

и последовательном соединении электродов получим ЭДС ε=32 В. Таким образом, в более простой ЭМРД генерируемая ЭДС в 20 раз превышает значение ЭДС диагонального МГДГ при тех же параметрах.

Использование настоящей полезной модели позволит повысить эффективность ЭМРД, упростить ее конструкцию и расширить диапазон ее работы на проточные жидкости с более низкими проводимостями повышением концентрации носителей зарядов.

Claims (1)

1. Электрическая машина радиального действия, содержащая корпус, постоянные магниты и рабочие каналы с электропроводящей подвижной массой с числом каналов более двух, в которых электромагнитные и электродвижущие силы создаются во взаимодействии с постоянным магнитным полем, при этом рабочие каналы радиально расположены между постоянными магнитами и выполнены сужающимися по направлению к центральной оси машины, причем рабочие каналы с электродами снабжены внешними перемычками, соединяющими их последовательно, отличающаяся тем, что корпус имеет форму цилиндрического магнитопровода с входным и выходным отверстиями для электропроводной подвижной массы, при этом постоянные магниты выполнены в форме двух кольцевых и одного дискового постоянных магнитов и расположены внутри корпуса с возможностью размещения между ними рабочих каналов, причем с внутренней стороны каждого рабочего канала наклонно расположены электроды, изолированные между собой вставками из полимерного материала с высокой трибоэлектрической способностью и внутренним переменным сечением.

   

Images