Суть изобретения: Суть изобретения, заключается в том, что в качестве вращающегося в перпендикулярном магнитном поле ротора используется наборный диск из тонких металлических секторов диска(пластин), разделенных тонкими диэлектрическими прокладками, со скользящими контактами на оси вращения диска, а в качестве статора используются полюса вращающегося постоянного или переменного магнитного поля.The essence of the invention: The essence of the invention is that as a rotor rotating in a perpendicular magnetic field, a stacked disk of thin metal sectors of the disk (plates) separated by thin dielectric spacers, with sliding contacts on the axis of rotation of the disk is used, and poles are used as a stator rotating permanent or alternating magnetic field.
Описание изобретения: Изобретение относится к области генераторов и преобразователей электрической энергии и может быть использовано в качестве генератора электрической энергии постоянного или переменного тока в промышленности и в других применениях. Прототипом являются униполярные генераторы/моторы. [1]Description of the invention: The invention relates to the field of generators and converters of electric energy and can be used as a generator of electric energy of direct or alternating current in industry and in other applications. The prototype is unipolar generators / motors. [one]
На фиг.1 и фиг.2 схема униполярного генератора тока с двумя полюсами, на фиг.3 и фиг.4 схема униполярного генератора тока с шестью полюсами: 1 - металлические пластины(сектора диска) ротора генератора; 2 - вращающийся с угловой скоростью w ротор; 3 - привод вращения ротора (2); 4 - полюса вращающегося с угловой скоростью W магнитного поля; 5 - приводы вращения полюсов (4); 6 - скользящие контакты; 7 - изолирующие прокладки между пластинами (1) из диэлектрика; 8 - радиальное соединение пластин (1); 9 - прямой и обратный провод съема тока с периметра ротора (2); B - направление вектора магнитной индукции полюсов (4); W - направление вращения магнитного поля полюсов (4); w - направление вращения ротора (2); D - диаметр вращающихся пластин (1); d - диаметр вращающихся полюсов (4); E - направление ЭДС (разности потенциалов/напряжения) на пластинах (1); I - направление тока по периметру ротора (2); в проводах (9) и в нагрузке; +Q и -Q - заряды на пластинах (1) ротора (2); Rнагр - внешняя подключаемая нагрузка; N и S - магнитные полюса постоянного магнитного поля.In Fig.1 and Fig.2 a diagram of a unipolar current generator with two poles, Fig.3 and Fig.4 a diagram of a unipolar current generator with six poles: 1 - metal plates (disk sectors) of the rotor of the generator; 2 - rotor rotating with an angular speed w; 3 - rotor rotation drive (2); 4 - poles of a magnetic field rotating with an angular velocity W; 5 - pole rotation drives (4); 6 - sliding contacts; 7 - insulating gaskets between the plates (1) of the dielectric; 8 - radial connection of the plates (1); 9 - direct and return wire of current removal from the perimeter of the rotor (2); B is the direction of the pole magnetic induction vector (4); W is the direction of rotation of the magnetic field of the poles (4); w is the direction of rotation of the rotor (2); D is the diameter of the rotating plates (1); d is the diameter of the rotating poles (4); E is the direction of the EMF (potential / voltage difference) on the plates (1); I - current direction along the perimeter of the rotor (2); in wires (9) and in the load; + Q and -Q are the charges on the plates (1) of the rotor (2); R LOAD - external connected load; N and S are the magnetic poles of a constant magnetic field.
Принцип работы униполярного генератора тока, основан на общеизвестном принципе работы униполярных генераторов, а именно, что в проводнике пересекающем линии перпендикулярного постоянного магнитного поля возникает ЭДС, направленная согласно «правилу левой руки». Пластины (1) пересекают линии перпендикулярного постоянного магнитного поля полюсов (4), и в них под действием силы Лоренца Fл=e(B×V) формируется ЭДС (разность потенциалов) E, направленная диаметрально между противоположными полюсами (4). Под воздействием ЭДС в пластинах (1) происходит разделение зарядов на +Q и -Q, так что у диаметрально расположенных полюсов (4) скапливаются заряды противоположной полярности. Величина зарядов +Q и -Q определяется электрической емкостью пластин (1), т.е. емкостью конденсатора, образованного диаметрально противоположными частями пластин (1) и емкостью с остальными пластинами (1) полюсов (4). При вращении ротора (2) с угловой скоростью w, заряды +Q и -Q будут оставаться на месте у своих полюсов (4), а значит по периметру ротора (2) возникнет суммарный ток I от вращающихся с ротором (2) зарядов +Q (области с недостатком электронов) и движущихся навстречу вращения ротора (2) зарядов -Q (электроны). Через скользящие контакты (6) на оси вращения ротора (2) ток I снимается с периметра ротора (2), поступает в нагрузку и возвращается обратно на периметр ротора (2). Т.к. прямой и обратный провод съема тока I с периметра ротора (2) абсолютно симметричны относительно ЭДС, как в части проводников в роторе (2), так и во внешней цепи нагрузки, то суммарная ЭДС в прямом и обратном проводе равна нулю и не влияет на ток I.The principle of operation of a unipolar current generator is based on the well-known principle of operation of unipolar generators, namely that an EMF appears in the conductor crossing the line of a perpendicular constant magnetic field, directed according to the "rule of the left hand". The plates (1) intersect the lines of the perpendicular constant magnetic field of the poles (4), and under the influence of the Lorentz force F l = e (B × V) an EMF (potential difference) E is formed in them, directed diametrically between the opposite poles (4). Under the influence of EMF in the plates (1), charges are separated into + Q and -Q, so that opposite diameters charges accumulate at diametrically located poles (4). The magnitude of the charges + Q and -Q is determined by the electric capacity of the plates (1), i.e. the capacitance of the capacitor formed by the diametrically opposite parts of the plates (1) and the capacity with the remaining plates (1) of the poles (4). When the rotor (2) rotates with an angular velocity w, the charges + Q and -Q will remain in place at their poles (4), which means that the total current I from the charges + Q rotating with the rotor (2) will appear along the perimeter of the rotor (2) (areas with a lack of electrons) and charges moving towards the rotation of the rotor (2) —Q (electrons). Through sliding contacts (6) on the axis of rotation of the rotor (2), the current I is removed from the perimeter of the rotor (2), enters the load and returns back to the perimeter of the rotor (2). Because the direct and return wire for collecting the current I from the perimeter of the rotor (2) is absolutely symmetrical with respect to the EMF, both in the part of the conductors in the rotor (2) and in the external load circuit, the total EMF in the forward and reverse wires is zero and does not affect the current I.
Металлические пластины (1) ротора (2) могут быть из любого металла или сплава металлов. Форма пластин (1) может быть любой в виде: пластин, прутков, секторов круга и т.д. Для увеличения емкости пластин (1) и, соответственно, зарядов +Q, -Q и тока I, необходимо увеличить их площадь (увеличение диаметра D ротора (2)), увеличить количество пластин (1) создавая наборный ротор (2) из большого количества одинаковых тонких (мкм) пластин (1), соединенных параллельно только по радиальным краям секторов диска, а так же использовать изолирующие прокладки между пластинами (1) в виде тонкого материала с большим коэффициентом относительной диэлектрической проницаемости ε=100÷10000. Количество пластин (1) (секторов диска) на которые разбит ротор (2) равно количеству полюсов (4) или больше. Вращение ротора (2) с угловой скоростью вращения w осуществляется приводом вращения (3).The metal plates (1) of the rotor (2) can be from any metal or alloy of metals. The shape of the plates (1) can be any in the form of: plates, rods, sectors of the circle, etc. To increase the capacity of the plates (1) and, accordingly, the charges + Q, -Q and current I, it is necessary to increase their area (increase the diameter D of the rotor (2)), increase the number of plates (1) creating a stacked rotor (2) from a large number identical thin (μm) plates (1), connected in parallel only along the radial edges of the disk sectors, and also use insulating gaskets between the plates (1) in the form of a thin material with a large coefficient of relative permittivity ε = 100 ÷ 10000. The number of plates (1) (disk sectors) into which the rotor (2) is divided is equal to the number of poles (4) or more. The rotation of the rotor (2) with the angular velocity of rotation w is carried out by the rotation drive (3).
Направление магнитной индукции В вращающихся полюсов (4) сонаправлена для всех полюсов (4), а вращение W встречно, как для диаметрально расположенных полюсов (4), так и для соседних полюсов (4) по периметру ротора (2). За счет такой конфигурации достигается чередование зарядов +Q и -Q по периметру ротора (2). Диаметральная ЭДС, создаваемая парой диаметрально противоположных полюсов (4), равна Е=BW(D+d/2)2/2, где B - значение магнитной индукции каждого полюса (4), W - частота вращения полюсов (4), D - диаметр ротора (2), d - диаметр полюса (4), т.к. D>>d, то для упрощения дальнейших расчетов примем значение ЭДС равным Е=BWD2/2. Суммарный заряд, создаваемый ЭДС равен Q=nEC=nCBWD2/4, где n - количество полюсов (4), C - взаимная емкость между полюсами (4). Ток по периметру ротора (2) будет равен I=Q/t=wQ=wnCBWD2/4, где w - частота вращения ротора (2). Обязательным условием работоспособности униполярного генератора тока является Wd>wD, т.е. линейная скорость вращения полюсов (4) больше линейной скорости вращения ротора (2). Полюса (4) вращающегося магнитного поля могут быть в виде вращающихся с угловой скоростью вращения W постоянных магнитов, которые приводит во вращение привод (5), либо в виде вращающихся с угловой скоростью вращения W электромагнитов, которые приводит во вращение привод (5), либо неподвижными обмотками с магнитопроводом внутри, в которых создается вращающиеся постоянное или переменное магнитное поле от внешнего источника питания. Количество полюсов (4) может быть 2, 6, 10 или больше при соблюдении условий, что ЭДС создаваемые в роторе (2) диаметрально расположенными полюсами (4) сонаправлены, а соседние полюса (2) (по периметру) создают чередования диаметральной полярности ЭДС в роторе (2).The direction of the magnetic induction B of the rotating poles (4) is codirectional for all poles (4), and the rotation W is opposite both for diametrically located poles (4) and for neighboring poles (4) along the perimeter of the rotor (2). Due to this configuration, the alternation of charges + Q and -Q along the perimeter of the rotor (2) is achieved. The diametral EMF created by a pair of diametrically opposite poles (4), is E = BW (D + d / 2) 2/2, where B - magnetic induction of each pole (4), W - poles of speed (4), D - rotor diameter (2), d - pole diameter (4), because D >> d, then, to simplify subsequent calculations assume a value equal to the emf E = BWD 2/2. The total charge generated EMF equals Q = nEC = nCBWD 2/4, where n - the number of poles (4), C - the mutual capacitance between the poles (4). Current on the perimeter of the rotor (2) will be equal to I = Q / t = wQ = wnCBWD 2/4, where w - a rotor speed (2). A prerequisite for operability of a unipolar current generator is Wd> wD, i.e. the linear speed of rotation of the poles (4) is greater than the linear speed of rotation of the rotor (2). The poles of the rotating magnetic field can be in the form of permanent magnets rotating with an angular speed of rotation W, which drives the drive (5), or in the form of electromagnets rotating with an angular speed of rotation W, which drives the drive (5), or fixed windings with a magnetic core inside, in which a rotating constant or alternating magnetic field from an external power source is created. The number of poles (4) can be 2, 6, 10 or more, subject to the conditions that the EMF created in the rotor (2) by the diametrically arranged poles (4) are aligned and the adjacent poles (2) (along the perimeter) create alternations of the diametrical polarity of the EMF in rotor (2).
Выходная мощность униполярного генератора тока будет определяться током I через нагрузку Rнагр и будет условно равна Р=I2Rнагр=(wQ)2Rнагр=(wnEC)2Rнагр=(wnCBWD2/4)2Rнагр, т.к. емкость С=εε0S/x зависит от диаметра D (площадь прямо пропорционально квадрату диаметра D S=πD2/4, а расстояние х между секторами ротора (2) прямо пропорционально диаметру D), то можно записать емкость как C=kD, где коэффициент емкости между секторами ротора (2) k=εε0π/4m, D - диаметр ротора (2), m - коэффициент расстояния х между секторами ротора (2), тогда выходная мощность униполярного генератора тока будет равна Р=(wnkBWD3/4)2Rнагр=(wnkBW/4)2D6Rнагр, т.е. выходная мощность прямо пропорциональна шестой степени диаметра D ротора (2), квадрату частот вращения w ротора (2) и W полюсов (4), квадрату количества n полюсов (4) и магнитной индукции B каждого полюса (4) и квадрату коэффициента емкости к между секторами ротора (2).The output power of the unipolar current generator is determined by the current I through the load R LOAD, and is conventionally equal to P = I 2 R LOAD = (wQ) 2 R LOAD = (wnEC) 2 R LOAD = (wnCBWD 2/4) 2 R heating m. to. capacitance C = εε 0 S / x depends on the diameter D (the area is directly proportional to the square of the diameter DS = πD 2/4, and the distance x between rotor sectors (2) is directly proportional to the diameter D), then we can write capacity both C = kD, wherein the capacitance coefficient between the sectors of the rotor (2) k = εε 0 π / 4m, D is the diameter of the rotor (2), m is the coefficient of the distance x between the sectors of the rotor (2), then the output power of the unipolar current generator will be equal to P = (wnkBWD 3 / 4) 2 R LOAD = (wnkBW / 4) 2 D 6 R heat, i.e. the output power is directly proportional to the sixth power of the diameter D of the rotor (2), the square of the rotational frequencies w of the rotor (2) and W of the poles (4), the square of the number of n poles (4) and the magnetic induction B of each pole (4) and the square of the capacitance coefficient k between rotor sectors (2).
Преимуществом униполярного генератора тока по сравнению со стандартными униполярными генераторами [1] является то, что скользящие контакты (6) расположены на оси вращения ротора (2), имеют малую линейную скорость вращения и легки в изготовлении, даже для больших выходных мощностей униполярного генератора тока. Другим преимуществом униполярного генератора тока по сравнению со стандартными униполярными генераторами [1] является возможность получения более высокой ЭДС при одинаковых диаметрах D ротора (2). Так для стандартного униполярного генератора дискового типа ЭДС будет равна E=BWR2/2=BWD2/8, а для униполярного генератора тока диаметральная ЭДС составляет Е=BW(D+d/2)2/2, т.е. как минимум в 4 раза больше. Другим недостатком стандартных униполярных генераторов [1] является ограничение связанное с прочностью материала диска, увеличение диаметра D диска и его частоты вращения возможно только до пределов прочности материалов диска, т.к. линейная скорость вращения V=WR на периметре диска может превысить прочность материала диска и вызвать его разрушение. В униполярном генераторе тока данная проблема решена за счет того, что вращение с большой угловой скоростью W осуществляется полюсами (4) небольшого диаметра d<<D и предел прочности материала полюсов достигается при гораздо больших частотах вращения W, т.к. линейная скорость вращения полюсов V=Wd/2<<WD/2, а диск ротора (2), в котором наводится ЭДС, вращается с небольшой угловой скоростью w<<W, то возможно применение диска гораздо большего диаметра D ротора (2) до достижения предела прочности материала ротора (2), т.к. V=wD/2. Соответственно ЭДС в униполярном генераторе тока может на порядки превышать ЭДС в сравнении со стандартными униполярными генераторами [1].An advantage of a unipolar current generator compared to standard unipolar generators [1] is that the sliding contacts (6) are located on the axis of rotation of the rotor (2), have a low linear rotation speed and are easy to manufacture, even for large output powers of a unipolar current generator. Another advantage of a unipolar current generator compared to standard unipolar generators [1] is the possibility of obtaining a higher EMF with the same rotor diameters D (2). So for a standard disk type unipolar generator emf equals E = BWR 2/2 = BWD 2/8, and a current generator for unipolar diametral EMF is E = BW (D + d / 2) 2/2, i.e. at least 4 times more. Another disadvantage of standard unipolar generators [1] is the limitation associated with the strength of the disk material, an increase in the diameter D of the disk and its rotation frequency is possible only up to the strength limits of the disk materials, because the linear rotation speed V = WR on the perimeter of the disk can exceed the strength of the disk material and cause its destruction. In a unipolar current generator, this problem is solved due to the fact that rotation with a large angular velocity W is carried out by poles (4) of small diameter d << D and the tensile strength of the pole material is achieved at much higher rotation frequencies W, because the linear speed of rotation of the poles is V = Wd / 2 << WD / 2, and the rotor disk (2), in which the EMF is induced, rotates with a small angular velocity w << W, then it is possible to use a disk of a much larger diameter D of the rotor (2) up to reaching the tensile strength of the rotor material (2), because V = wD / 2. Accordingly, the EMF in a unipolar current generator can be orders of magnitude higher than the EMF in comparison with standard unipolar generators [1].
Ссылки:References:
[1] - Л.А. Суханов, Электрические униполярные машины, ВНИЭМ, Москва, 1964 г.[1] - L.A. Sukhanov, Electric unipolar machines, VNIEM, Moscow, 1964
