RU2009108851A - Способ получения электрической энергии, генератор электрической энергии, генератор вращающего момента и система ориентации для осуществления способа - Google Patents

Abstract

1. Способ получения электрической энергии, включающий генерирование электрической энергии путем изменения магнитного поля во времени в проводящих контурах вращающим моментом, отличающийся тем, что объединяют материальные объекты, выполненные в виде генератора электрической энергии, генератора вращающего момента, системы ориентации в группу объектов, механически и функционально связанных друг с другом, локализованную в конечной области пространства, содержащую неподвижные и движущиеся материальные тела, с общей осью симметрии, совпадающей с осью вращения, одновременно вращая движущиеся материальные тела относительно неподвижных материальных тел источником внешней энергии, раскручивают в генераторе электрической энергии источники постоянных магнитных полей, образующие переменно-полярное по индукции магнитное поле в замкнутой локальной зоне пространства, при этом изменяют в неподвижных проводящих витках, замкнутых на нагрузку, магнитное поле во времени и генерируют электрическую энергию в виде переменной пульсирующей электрической мощности, пропорционально произведению момента вращения и угловой скорости за вычетом мощности потерь, одновременно преобразуют полученную электрическую мощность в потенциальную энергию электрического напряжения и направляют в генератор вращающего момента, в котором преобразуют постоянную электрическую энергию в импульсную магнитную энергию, при этом пропускают электрический ток через источники импульсного магнитного поля в течение ограниченного времени и намагничивают неподвижные материальные тела, выполненные из магнитномягких материалов, под действием

Claims (20)

1. Способ получения электрической энергии, включающий генерирование электрической энергии путем изменения магнитного поля во времени в проводящих контурах вращающим моментом, отличающийся тем, что объединяют материальные объекты, выполненные в виде генератора электрической энергии, генератора вращающего момента, системы ориентации в группу объектов, механически и функционально связанных друг с другом, локализованную в конечной области пространства, содержащую неподвижные и движущиеся материальные тела, с общей осью симметрии, совпадающей с осью вращения, одновременно вращая движущиеся материальные тела относительно неподвижных материальных тел источником внешней энергии, раскручивают в генераторе электрической энергии источники постоянных магнитных полей, образующие переменно-полярное по индукции магнитное поле в замкнутой локальной зоне пространства, при этом изменяют в неподвижных проводящих витках, замкнутых на нагрузку, магнитное поле во времени и генерируют электрическую энергию в виде переменной пульсирующей электрической мощности, пропорционально произведению момента вращения и угловой скорости за вычетом мощности потерь, одновременно преобразуют полученную электрическую мощность в потенциальную энергию электрического напряжения и направляют в генератор вращающего момента, в котором преобразуют постоянную электрическую энергию в импульсную магнитную энергию, при этом пропускают электрический ток через источники импульсного магнитного поля в течение ограниченного времени и намагничивают неподвижные материальные тела, выполненные из магнитномягких материалов, под действием чего образуют во внешних локальных зонах которых переменное по индукции, возрастающее во времени и окружающем пространстве магнитное поле, в котором размещают в указанных зонах на заданных расстояниях материальные тела, выполненные из магнитномягких материалов, и вращают при намагничивании под действием возникающих сил притяжения движущиеся материальные тела, образуя цикл возникновения вращающего момента, с увеличением его значений при уменьшении расстояния между намагничивающими и намагничиваемыми материальными телами, переводят магнитную энергию во вращательную механическую энергию до замыкания магнитного потока и прекращения действия импульса намагничивания, с последующим размагничиванием материальных тел, выполненных из магнитномягких материалов, под действием тепловых колебаний атомов в структуре магнитномягких материалов, при этом сообщают движущимся материальным телам импульс вращательной механической энергии, затем последовательно образуют вышеуказанным способом с углом опережения включения последующих источников импульсного магнитного поля последовательные циклы возникновения вращающего момента, и формируют не менее одной непрерывной последовательности циклов возникновения вращающего момента в одном обороте движущихся материальных тел, при этом образуют усредненный, непрерывный, усиленный вращающий момент, под воздействием которого увеличивают электрическую мощность, вырабатываемую генератором электрической энергии и, соответственно, воспроизводящую электрическую мощность, направляемую для образования вращающего момента до уровня, при котором вырабатывают электрическую мощность в количестве, превышающем пусковую электрическую мощность, мощность потерь в генераторе электрической энергии на нагрев проводов и электромеханические потери мощности, снижают при первом запуске по мере увеличения вырабатываемой электрической мощности внешнее воздействие до полного отключения, затем движущиеся материальные тела раскручивают под воздействием образуемой электрической мощности, из которой вырабатывают усредненный, непрерывный, усиленный вращающий момент, увеличивающий угловую скорость движущихся материальных тел, раскручивающий генератор электрической энергии до уровня, при котором образуют электрическую мощность в количестве, превышающем расходуемую на воспроизводство вращающего момента электрическую мощность и в пределе достигают равенства между потерями мощности в системе и расходуемой на воспроизводство усредненного, непрерывного, усиленного вращающего момента электрической мощности, уменьшающейся при увеличении угловой скорости, при этом сохраняют избыточную электрическую энергию в виде потенциальной энергии электрического напряжения, после чего к генератору электрической энергии подключают полезную электрическую нагрузку, при этом снижают угловую скорость, снижают потери мощности в системе, но увеличивают воспроизводящую электрическую мощность, из которой вырабатывают усредненный, непрерывный, усиленный вращающий момент, выводящий движущиеся материальные тела в устойчивый режим получения полезной электрической энергии по приближенному уравнению

где i₃·U₃ - среднее значение полезной электрической мощности на полезной нагрузке (вт);

i₃ - среднее значение полезного электрического тока (а);

U₃ - среднее значение полезного электрического напряжения (в);

i·U - среднее значение пусковой электрической мощности (вт);

i - среднее значение пускового электрического тока (а);

U - среднее значение пускового электрического напряжения (в);

i₁·U₁- среднее значение вырабатываемой генератором электрической энергии воспроизводящей электрической мощности (вт);

i₁ - среднее значение воспроизводящего электрического тока (а);

U₁ - среднее значение воспроизводящего электрического напряжения (в);

i₂·U₂ - среднее значение воспроизводящей электрической мощности, поступающей на генератор вращающего момента (вт);

i₂ - среднее значение воспроизводящего электрического тока, поступающего на генератор вращающего момента (а);

U₂ - среднее значение воспроизводящего электрического напряжения поступающего на генератор вращающего момента (в);

i₄·U₄ - постоянная электрическая мощность, потребляемая источниками магнитного поля, образующими переменно-полярное по индукции магнитное поле, например, электромагнитами постоянного тока (i₄·U₄=0, при образовании переменно-полярного по индукции магнитного поля источниками магнитного поля, выполненными в виде постоянных магнитов) (вт);

i₄ - постоянный электрический ток, потребляемый источниками магнитного поля, образующими переменно-полярное по индукции магнитное поле, например, электромагнитами постоянного тока (i₄=0, при образовании переменно-полярного по индукции магнитного поля источниками магнитного поля, выполненными в виде постоянных магнитов) (а);

U₄ - постоянное электрическое напряжение, поступающее на источники магнитного поля, образующие переменно-полярное по индукции магнитное поле (в);

где К - коэффициент усиления вращающего момента (м);

W - число витков намагничивающей катушки;

r₁ - радиус окружности размещения осей намагничивающих катушек (м);

b₁ - радиальная ширина сердечника намагничивающей катушки (м);

δ₁ - величина зазора между сердечником намагничивающей катушки и внутренними боковыми стенками скобообразного магнитопровода (м);

где Z - коэффициент усиления электромеханической мощности (действительное, безразмерное число);

m - число циклов возникновения вращающего момента в одном угловом секторе;

q - число угловых секторов во втулке;

N - число последовательностей, одновременно образующих циклы возникновения вращающего момента;

R - сопротивление намагничивающей катушки (ом);

ω_о - номинальная угловая скорость (1/сек);

i₁ ²·r_в - мощность потерь на нагрев проводов при генерировании воспроизводящей электрической мощности (вт);

r_в - внутреннее сопротивление проводящих витков генератора электрической энергии, генерирующих воспроизводящую электрическую мощность (ом);

i₃ ²·r'_в - мощность потерь на нагрев проводов при генерировании полезной электрической мощности (вт);

r_в - внутреннее сопротивление проводящих витков генератора электрической энергии, генерирующих полезную электрическую мощность (ом);

Мпот - момент электромеханических потерь (н·м); (потери электрической мощности на гистерезис, вихревые токи, токи утечек и т.д.; потери на трение и сопротивление воздуха);

где j=1, 2, 3, 4

i - текущее значение электрического тока в намагничивающей катушке в течение времени импульса намагничивания (а);

U - значение напряжения на намагничивающей катушке, в течение времени импульса намагничивания (в), (U=U, при подключении намагничивающей катушки к источнику внешней энергии, U=U₂, при подключении намагничивающей катушки к источнику воспроизводящего электрического напряжения);

L - индуктивность намагничивающей катушки (гн);

где α - угол намагничивания (рад);

Δα - угол опережения включения последующего импульса намагничивания (рад.);

в соответствии с которыми в объединенной группе материальных объектов осуществляют изменения параметров системы по уравнениям (1), (2), (3), (4), (5) для увеличения вырабатываемой полезной электрической мощности в статическом состоянии, с последующим выводом в динамический режим получения полезной электрической энергии или в динамическом состоянии, например, увеличением числа последовательностей циклов возникновения вращающего момента.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника внешней энергии для раскручивания движущихся материальных тел применяют источник механической энергии.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника внешней энергии для раскручивания движущихся материальных тел применяют автономный источник электрической энергии, например, батарею аккумуляторов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при повторных запусках системы раскручивают систему от внешнего источника энергии до известных значений вырабатываемой воспроизводящей электрической мощности, выявленных при первом запуске, с последующим отключением.

5. Генератор электрической энергии, содержащий магнитную систему и материальные тела выполненные из магнитномягких материалов с проводящими витками, отличающийся тем, что магнитная система выполнена в виде не менее одного переменно-полярного по индукции магнитного поля, образованного наложением магнитных полей четного количества не менее чем двух физически подобных источников постоянного магнитного поля с осевой намагниченностью, параллельной оси вращения, с чередующейся полярностью полюсов, равными торцевыми поверхностями полюсов, не больше площади полюса неподвижного радиального магнитопровода, и равными массами, через равные углы, радиально симметрично размещаемых на окружности одного радиуса, на равных расстояниях, равных не менее чем удвоенной длине средней линии дуги полюса радиального неподвижного магнитопровода, в несущем материальном теле вращения, выполненном из немагнитного, диэлектрического материала в виде сепаратора, содержащего боковые, усиливающие жесткость поверхности вращения, с нейтральными сечениями источников постоянного магнитного поля, расположенными в средней плоскости сепаратора, перпендикулярной оси вращения, и размещенными в кольцевой области пространства, образованной боковыми стенками колец, перпендикулярными оси вращения, состоящих из полюсов без зазоров, неподвижных радиальных магнитопроводов, замкнутых на периферии, расположенных радиально симметрично относительно оси симметрии в не менее чем удвоенном количестве от числа источников постоянного магнитного поля, и содержащих неподвижные проводящие витки, с равносиловым притяжением «северного» и «южного» полюсов каждого источника постоянного магнитного поля, находящегося во взвешенном состоянии, к стенкам колец, с возможностью при вращении источников постоянного магнитного поля и синхронном изменении индукции магнитного поля во времени в полюсах и, соответственно, в неподвижных радиальных магнитопроводах, одновременно находящихся в области действия магнитных полей источников постоянного магнитного поля, при отсутствии изменения магнитного поля в прилежащих неподвижных магнитопроводах, индуктирования э.д.с. в проводящих витках с изменяющимся во времени магнитным полем, причем проводящие витки, в которых генерируется э.д.с. одной полярности и одной фазы соединяются последовательно и встречно при индуктировании в них э.д.с. обратной полярности той же фазы, с генерированием в них электрической энергии в виде переменной пульсирующей электрической мощности с одновременным выпрямлением на двухполупериодном выпрямителе и усреднением, например, на конденсаторе, с преобразованием переменной пульсирующей электрической мощности в потенциальную энергию электрического напряжения, направляемую для воспроизводства вращающего момента, после чего изменение магнитного поля во времени при вращении источников постоянного магнитного поля осуществляют в прилежащих неподвижных радиальных магнитопроводах, в проводящих витках которых генерируют э.д.с. и отбирают полезную электрическую мощность в виде смещенной по фазе переменной пульсирующей электрической мощности с проводящих витков, соединенных вышеуказанным образом и направляемую на полезную нагрузку по независимой электрической цепи, при этом при образовании переменно-полярного магнитного поля источниками магнитного поля, выполненными в виде электромагнитов постоянного тока, отбирают от вырабатываемой переменной пульсирующей электрической мощности необходимое количество электрической мощности, например, от цепи полезной электрической мощности, преобразуют в постоянную электрическую мощность вышеуказанным образом и пропускают электрический ток через электромагниты переменно-полярного магнитного поля, при этом средняя длина дуги полюса неподвижного радиального магнитопровода, равная ширине боковой стенки кольца в радиальном направлении, и равна произведению длительности импульса в фазе генерируемой э.д.с. в проводящих витках неподвижного радиального магнитопровода и линейной скорости движения источников постоянного магнитного поля относительно полюсов радиальных неподвижных магнитопроводов.

6. Генератор по п.5, отличающийся тем, что полюса неподвижных радиальных магнитопроводов выполнены из листов магнитномягкого материала, лежащих в плоскостях, перпендикулярных радиусам окружностей размещения осей намагниченности источников магнитного поля.

7. Генератор по п.5, отличающийся тем, что источники постоянного магнитного поля выполнены в виде постоянных цилиндрических магнитов с осевой намагниченностью.

8. Генератор по п.5, отличающийся тем, что источники постоянного магнитного поля выполнены в виде постоянных магнитов, выполненных в виде правильных многоугольных, например, с равносторонними шестиугольными основаниями, призм с осевой намагниченностью.

9. Генератор по любому из пп.7 и 8, отличающийся тем, что источники постоянного магнитного поля, выполненные в виде постоянных магнитов, снабжены в области нейтральных сечений на наружной боковой поверхности противосдвиговыми выступами или канавками.

10. Генератор по п.5, отличающийся тем, что источники постоянного магнитного поля выполнены в виде электромагнитов постоянного тока, содержащих сердечники и намагничивающую катушку.

11. Генератор по п.10, отличающийся тем, что сердечники электромагнитов постоянного тока выполнены из листов магнитномягкого материала и размещены в плоскостях перпендикулярно радиусу окружности размещения осей намагниченности с возможностью исключения осевого сдвига.

12. Генератор по п.10, отличающийся тем, что постоянный электрический ток на источники переменно-полярного по индукции магнитного поля, выполненные в виде электромагнитов постоянного тока, подают через скользящие контакты.

13. Генератор вращающего момента выполненный в виде материального объекта, содержащего магнитные системы и материальные тела, отличающийся тем, что материальный объект выполнен в виде системы образования вращающего момента и системы формирования импульсов, при этом система образования вращающего момента выполнена в виде набора не менее чем двух групп неподвижных, радиально симметричных относительно оси симметрии источников импульсного магнитного поля, выполненных в виде не менее чем двух прямоугольных намагничивающих катушек в группе, содержащих радиально ориентированные сердечники, выполненные из магнитномягких материалов с осями намагничиваемости параллельными оси симметрии, снаружи, симметрично относительно оси симметрии размещенных в полости, образованной внутренними боковыми стенками материального тела вращения, выполненного в виде втулки из немагнитного, диэлектрического материала, содержащей в боковых стенках и теле втулки четное количество, не менее чем двух, попарно симметричных относительно оси вращения прорезей, параллельных плоскостям, проходящим через ось вращения, образующих в плоскости окружности, перпендикулярной оси вращения, равные угловые сектора, в которых закреплены материальные тела, выполненные из магнитномягких материалов в виде листовой, прямоугольной, односторонней скобы, с возможностью охвата при вращении сердечников намагничивающих катушек с образованием замкнутых магнитопроводящих контуров с двумя равными последовательными зазорами, при этом с каждым скобообразным магнитопроводом функционально связано положение не менее одного из группы датчиков углового пути системы формирования импульсов, содержащей материальные тела вращения, выполненные в виде торов прямоугольного сечения из немагнитного, диэлектрического материала, с закрепленными в средней по оси вращения части, в углублениях на наружной боковой поверхности, группой из не менее одного датчика углового пути, выполненного в виде постоянного цилиндрического или в виде правильной многоугольной призмы, магнита с осевой намагниченностью, лежащей в плоскости, перпендикулярной оси вращения, перпендикулярно радиусу, проходящему через центр постоянного магнита, причем тела вращения объединены в набор тел вращения и разделены между собой вдоль оси вращения экранирующими, разделяющими области размещения неподвижных магнитоуправляемых контактов, с возможностью исключения несанкционированных срабатываний от магнитного поля боковых датчиков углового пути, магнитопроводами, выполненными в виде колец из листового магнитномягкого материала, при этом датчики углового пути размещены в углублениях на наружных поверхностях тел вращения через угловые расстояния кратные угловому сектору и в наборе тел вращения размещены в проекции на плоскость, перпендикулярную оси вращения, группами с угловым расстоянием между группами равным величине углового сектора, с возможностью при вращении последовательного, периодического, с периодом равным величине углового сектора, замыкания постоянными магнитами, функционально связанными с каждым датчиком углового пути одного из группы неподвижных магнитоуправляемых контактов на угловом пути, равном углу намагничивания и примерно равном длине датчика углового пути, с возможностью образования в пределах одного углового сектора не менее двух последовательных циклов возникновения вращающего момента и последующим последовательным образованием циклов возникновения вращающего момента в пределах следующего углового сектора и т.д., при этом каждый датчик углового пути, замыкая соответствующий этому датчику магнитоуправляемый контакт, образует область его включения, при этом подается электрический ток на соответствующую этому контакту намагничивающую катушку, при одновременном размещении функционально связанного с ним скобообразного магнитопровода на расстоянии угла намагничивания от сердечника намагничивающей катушки, и под действием электрического тока, сердечник намагничивается, образуя внешнее магнитное поле, намагничиваясь в котором под действием возникающих сил намагничивания скобообразный магнитопровод образует вращающий момент, увеличивающийся с уменьшением расстояния между сердечником и скобообразным магнитопроводом, до момента размыкания магнитоуправляемого контакта после выполнения цикла возникновения вращающего момента при замыкании магнитного потока в узлах пучностей магнитных полей набегающих кромок сердечника намагничивающей катушки и скобообразного магнитопровода, при этом перед отключением включенной намагничивающей катушки, с ускорением на угол опережения, следующим датчикам углового пути замыкается следующий магнитоуправляемый контакт, подающий электрический ток на очередную намагничивающую катушку следующего цикла возникновения вращающего момента и т.д., обеспечивая непрерывность образования циклов возникновения вращающего момента и образование не менее одной последовательности циклов возникновения вращающего момента в одном обороте системы, с возможностью увеличения числа последовательностей в одном обороте системы при увеличении числа групп намагничивающих катушек, управляемых от одного магнитоуправляемого контакта, а также увеличения числа тел вращения, содержащих скобообразные магнитопроводы для увеличения их числа и, соответственно, увеличении числа групп намагничивающих катушек, при этом скобообразные магнитопроводы выполнены с номинальной площадью боковой поверхности, значения которой определены экспериментально, также при этом намагничивающие катушки в одной группе и магнитоуправляемые контакты в своей группе размещены в проекции на плоскость, перпендикулярную оси вращения, на угловых расстояниях равных величине углового сектора за вычетом значения величины углового сектора, деленного на количество циклов возникновения вращающего момента в пределах одного углового сектора.

14. Генератор вращающего момента по п.13, отличающийся тем, что набегающие кромки сердечников намагничивающих катушек и скобообразных магнитопроводов выполнены заостренными с углом не более 90°.

15. Генератор вращающего момента по п.13, отличающийся тем, что в сердечниках намагничивающих катушек при образовании двух или кратно двум последовательностей циклов возникновения вращающего момента на один оборот системы при одновременном включении двух или кратно двум намагничивающих катушек в них создают взаимно обратное по полярности магнитное поле.

16. Генератор вращающего момента по п.13, отличающийся тем, что намагничивающие катушки подключают при последовательном или параллельном соединении с источником электрической энергии.

17. Генератор вращающего момента по п.13, отличающийся тем, что при раскручивании движущихся элементов системы от внешнего источника электрической энергии, например, батареи аккумуляторов, система формирования импульсов содержит дополнительную пусковую группу магнитоуправляемых контактов, аналогичную рабочей группе, смещенную на 180° в областях размещения магнитоуправляемых контактов, с возможностью одновременного образования циклов возникновения вращающего момента по независимым электрическим цепям.

18. Система ориентации, содержащая движущиеся и неподвижные элементы генератора электрической энергии, генератора вращающего момента, подшипниковые опоры, отличающаяся тем, что движущиеся элементы генератора электрической энергии и генератора вращающего момента при ориентации оси вращения перпендикулярно силе тяжести размещают на внешней поверхности ротора, содержащем на торцах ориентирующие материальные тела вращения, содержащие поверхности вращения параллельные и перпендикулярные оси вращения, выполненные с возможностью соприкосновения с подшипниковыми опорами не менее чем в трех точках на каждую поверхность вращения, причем оси подшипниковых опор содержат оси вращения и симметрии, расположенные вне оси вращения ротора, при этом оси подшипниковых опор радиальной ориентации размещены параллельно оси вращения ротора на цилиндрической поверхности размещения осей подшипниковых опор радиальной ориентации в проекции на плоскость перпендикулярную оси вращения ротора на равных угловых расстояниях друг от друга, а оси подшипниковых опор осевой ориентации размещены в радиальном направлении на равных угловых расстояниях друг от друга на окружности размещения центров подшипниковых опор в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, с возможностью образования системы вращения движущихся элементов генератора электрической энергии и генератора вращающего момента с колебаниями при вращении относительно неподвижных элементов генератора электрической энергии и генератора вращающего момента в осевом направлении в пределах ошибки изготовления подшипниковых опор, при этом при ориентации оси вращения ротора, совпадающей с осью симметрии системы, параллельно силе тяжести, торцы ротора снабжены источниками кольцевых конусоподобных постоянных магнитных полей, выполненные с возможностью образования совместно с неподвижными источниками кольцевых конусоподобных постоянных магнитных полей в плоскостях перпендикулярных оси вращения ротора с обеих торцевых сторон ротора, наложением однополярных по индукции, встречно направленных магнитных полей, образующих в локальной области пространства магнитные подушки, с возможностью компенсации веса движущихся элементов системы, снижения потерь энергии на трение, с точной ориентацией движущихся элементов системы в подшипниковых опорах относительно неподвижных элементов вышеуказанным способом.

19. Система ориентации по п.18, отличающаяся тем, что подшипниковые опоры осевой ориентации снабжены полутороидальными внешними кольцами.

20. Система ориентации по п.18, отличающаяся тем, что магнитные подушки образованы из однополярных по индукции, встречно направленных магнитных полей конечного множества источников постоянного магнитного поля, выполненных в виде правильных многоугольных призм, с осевой намагниченностью, например, с равносторонними шестиугольными основаниями, прилегающими друг к другу боковыми поверхностями и одноименными полюсами через зазоры, номинальные значения которых выявляются экспериментально, и размещаемых в виде ячеистых сотовых структур в пчелиных ульях на несущих поверхностях в виде усеченных прямых конусов внешних движущихся и внутренних неподвижных опор, выполненных из магнитномягких материалов, с осями намагниченности источников постоянного магнитного поля, перпендикулярными поверхностям размещения, с возможностью жесткого фиксирования положения одноименных полюсов источников постоянного магнитного поля на поверхности опор под действием сил намагничивания и сил механического крепления.