Гибридная силовая установка

Изобретение относится к энергообеспечению технических средств. Гибридная силовая установка содержит двигатель и электрическую машину, статор которой содержит цилиндрический магнитопровод и обмотку, а ротор содержит кольцеобразный магнитопровод, расположенный коаксиально относительно магнитопровода статора. Ротор кинематически соединен с двигателем. Электрическая машина снабжена индуктором, образованным магнитопроводом индуктора, обмоткой индуктора и постоянными магнитами идуктора. Магнитопровод индуктора сформирован в виде неподвижно установленного ферромагнитного составного кольца, дистанцированно и коаксиально расположенного относительно внешней радиальной поверхности магнитопровода ротора. Магниты индуктора неподвижно закреплены на внешней поверхности магнитопровода ротора. Обмотка индуктора образована кольцеобразными, преимущественно поперечно охватывающими магнитопровод индуктора, равномерно распределенными по магнитопроводу индуктора катушками, количество которых равно или кратно числу постоянных магнитов индуктора. Снижается расход ресурсов. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к системам автономного энергообеспечения технических средств.

При этом под гибридной силовой установкой заявитель понимает любые энергогенерирующие стационарные или мобильные установки, в том числе транспортных средств, содержащие в своем составе тепловой двигатель, осуществляющий преобразование химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала, и электрическую машину, осуществляющую преобразование механической энергии вращения вала в электрическую энергию.

Из интернет ресурса: https://www.autostat.ru/infographics/25742/, информация просмотрена 22.01.2018, известно, что в 2015 г. автомобильный транспорт России потребил 64 млн. т топлива, из них 38,6 млн. т бензина, 1,4 млн. т. газо-моторного топлива и 24 млн. дизельного топлива; 29,9 млн. т топлива (46,7%) было использовано легковым автотранспортом; более 70% топлива расходуется автотранспортом в европейской части России.

Из книги «Справочник по элементарной физике», авторы Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич, М. «Наука», 1988, стр. 113 известны низшая теплота сгорания, при 20°C, бензина - 44…47 МДж/кг, дизтоплива - 42…43 МДж/кг.

Из справочника «Физические величины» под ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова, М. Энергоатомиздат 1991 г., стр. 32, известно соотношение 1 КВтч=3,6 МДж.

Приняв в качестве низшей теплоты сгорания топлива величину равную 44 МДж/кг вычислим приблизительную величину энергии, израсходованной автомобильным транспортом России:

64×10⁹×44=2816×10⁹ МДж или 782×10⁹ КВтч.

При этом из интернет ресурса: http://www.rashydro.ru/activity/marketing/production/generation/2015, информация просмотрена 22.01.2018, известно, что Жигулевская ГЭС выработала в 2015 г. 10,4×10⁹ КВтч электроэнергии (проектная среднегодовая выработка, по данным интернет ресурса:

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%96%D0%B8%D0%B3%D1%83%D0%BB%D1%91%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%93%D0%AD%D0%A1,10,9×10⁹ квтч).

Таким образом, полная замена легкового автотранспорта, использующего тепловые двигатели, электромобилями потребует введения в России дополнительных электрогенерирующих мощностей, равных, по годовой производительности, приблизительно, 35 Жигулевским ГЭС.

При этом из интернет ресурса: https://aftershock.news/?q=node/597989, информация просмотрена 22.01.2018, известно, что мировые запасы кобальта, применяемого для производства литий-кобальт-оксидных аккумуляторов, требующих больших объемов кобальта, а также менее затратных, по расходу кобальта, литий-никель-марганец-кобальт-оксидных или литий-никель-кобальт-алюминий-оксидных аккумуляторов весьма ограничены; из интернет ресурса http://www.electra.com.ua/akkumulyator/420-mirovye-zapasy-litievykh-resursov.html, информация просмотрена 22.01.2018. известно, что разведанные запасы лития в России составляют 2,5 млн. т, что объем доступных мировых запасов лития, по данным Компании «Chemetall», составляет 28 млн. тонн, тогда как спрос на этой металл оценивается в 23000 тонн. При этом из упомянутой статьи известно, что лишь около 20% добываемого лития используется для изготовления аккумуляторных батарей, большая часть из которых употребляется в качестве источников питания для мобильных и портативных устройств; из интернет ресурса https://airsoftbat.ru/posts/1708616, информация просмотрена 22.01.2018, известно, что рабочий ресурс литий-ионных аккумуляторов, до потери ими 20% емкости, составляет 500…1000 циклов заряд/разряд, что после сборки аккумуляторы подвергаются контрольному заряду (потребляют электроэнергию) - разряду для активации рабочих материалов, что глубокий разряд аккумулятора полностью выводит его из строя, что оптимальные условия хранения аккумуляторов достигаются при 40% заряде от емкости аккумулятора и при температуре хранения 0…10°C, что через два года хранения аккумулятор теряет около 20% емкости, что разгерметизация аккумулятора приводит к разложению электролита парами воды и образованию токсичных газов.

Из материалов к патенту RU 2584331, 14МПК Н01М 10/60, публ. 20.05.2016, конвекционный приоритет 22.05.2012 CN 201210160624.0, известно, что срок службы Li-ионных аккумуляторов при низких температурах эксплуатации может уменьшиться вследствие осаждения (и потери активности ионов лития) на катодах батарей, что отложение лития на электродах батарей провоцирует вероятность внутреннего короткого замыкания. При этом следует отметить, что принудительный обогрев аккумуляторов требует дополнительного расхода энергии.

Из книги «Автомобильный справочник», автор Р. Бюссиен, под общ. редакцией А.Н. Островцева, Т1, Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, М. 1960, стр. 96, 97, известно, что для сгорания 1 л бензина требуется, ориентировочно, 9800 л воздуха.

Из справочника «Физические величины» под ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова, М. Энергоатомиздат 1991 г., стр. 123, см. табл. 5.7, известны плотность бензина - 0,7…0,8×10³ кг/м³ и дизельного топлива - 0,86×10³ кг/м³.

Приняв плотность топлива равной 0,8×10 кг/м³ вычислим объем воздуха, прошедшего через цилиндры эксплуатировавшихся в 2015 г. в России тепловых двигателей (двигателей внутреннего сгорания): 9800×64×10⁹/0,8 10³=784×10⁹ л=784×10⁶ м³.

Из интернет ресурса:

http://meteo.ru/pogoda-i-klimat/93-klimaticheskie-usloviya-na-territorii-rossii, информация просмотрена 07.11.2017, среднегодовая и средне сезонная температура воздуха, осредненная по территории России, за период с 1946 г. по 2006 г. находилась в интервале от минус 0,5°C до плюс 1°C.

Из интернет ресурса:

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BB%D0%B0%D0%B6%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C, просмотрено 22.01.2018, известно, что при температуре 0°C и при максимальной абсолютной влажности воздуха последний содержит 4,8 г/м³ воды, что содержание воды в воздухе увеличивается до 30,4 г/м³ при увеличении температуры до 30°C.

Из интернет ресурса: http://atlas-yakutia.ra/weather/hum/climate_russia-III_hum.html, информация просмотрена 22.01.2018, известны исторический минимум, равный 66%, и исторический максимум, равный 98%, среднесуточной относительной влажности воздуха, зарегистрированные в г. Москва и в Московской области за период с 1936 по 2012 г.г. Учитывая изложенное выше и то, что более 70% топлива было израсходовано автотранспортом европейской части России, а также используя показатель влагосодержания воздуха, равный 4 г/м³, вычислим минимальное количество воды, прошедшее в течение 2015 г. через цилиндры эксплуатировавшихся в России тепловых двигателей: 784×10⁶×4=3136×10³ кг или 3136 м³ (для справки - расход воды через 1 турбину Жигулевской ГЭС равен 695 м /сек - ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%96%D0%B8%D0%B3%D1%83%D0%BB%D1%91%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%BO%D1%8F_%D0%93%D0%AD%D0%A1).

Из интернет ресурса: http://zioc.ru/events/media/2016/issledovanie-uchenika-11-go-klassa-opublikovano-v-zhurnale-korolevskogo-ximicheskogo-obshhestva, информация просмотрена 22.01.2018, известно, что частицы металлов, содержащихся в автомобильных катализаторах, могут быть «выведены» из состава катализатора вместе с потоком газа. Указанное приводит к загрязнению атмосферы, почвы и поверхностных вод тяжелыми металлами (Pt, Pd, Rh). При этом соли платины и палладия при контакте с водой объединяются в кластеры, содержащие более одного атома металла, токсичность которых может существенно превышать токсичность простых солей.

Как упоминалось выше 29,9 млн. т топлива было использовано легковым автотранспортом. Приняв в качестве базовой нормы для одного автомобиля расход топлива, равный 8 л/100 км или 8×0,8=6,4 кг/100 км вычислим суммарный пробег легкового автотранспорта в 2015 г.: 29,9×10⁹/6,4=467×10⁹ км.

Учитывая, что в 2015 г. в России было зарегистрировано чуть больше 39 млн. легковых автомобилей, по данным интернет ресурса: https://auto.mail.ru/article/55473-skolko_v_rossii_avtomobilei_nazvano_tochnoe_kolichestvo/, информация просмотрена 22.01.2018, вычислим удельный пробег, приходящийся на один среднестатистический легковой автомобиль: 467×10⁹/39×10⁶=11,9×10³ км/год или 32,6 км/сутки. Показатель более характерен для городского режима использования автомобиля.

Из интернет ресурса: https://msk.newsru.com/article/29Dec2009/speed_msk.html, информация просмотрена 22.01.2018, известно, что средняя скорость движения автотранспорта в г. Москва в 2009 г. составила 22 км/час при том, что занимаемая дорогами площадь составляет 8,7% от площади, занимаемой городом; средняя скорость движения автотранспорта в Нью-Йорке составляет 38 км/час; средняя скорость движения автотранспорта в городах Западной Европы находится в пределах от 28 до 40 км/час при том, что в «правильно устроенных» городах США, Канады и Австралии занимаемая дорогами площадь достигает 35% от площади, занимаемой городом.

Исходя из двух предыдущих абзацев можно предположить, что двигатель внутреннего сгорания среднестатистического автомобиля, эксплуатируемого в России, работает 1…1,5 часа в сутки.

Все изложенное выше иллюстрирует техническую, социальную и морально-этическую атмосферу, предшествующую созданию заявляемого технического решения.

На рисунке Фиг. 1 показаны изменение амплитуды тока (I, А), генерируемого в бортовую сеть автомобиля, и изменение механической мощности (Р, Вт), потребляемой генератором от теплового двигателя, при изменении частоты вращения ротора 80-ти амперного автомобильного, типичного для современного уровня техники, генератора. Из графика видно, что при токоотдаче 80 А, автомобильный генератор потребляет около 2 квт энергии.

Исходя из допущения, что все 39 млн. эксплуатировавшихся в России в 2015 г. легковых автомобилей были оснащены 80 амперными генераторами, и из условия, что ежедневная наработка автомобиля составляла 1 час можно вычислить энергопотребление генераторов, которое составило - 2×1×365×39×10⁶=28,47 109 квт. ч энергии (проектная среднегодовая выработка Жигулевской ГЭС 10,⁹×10⁹ квт.ч) или 28,47×10⁹×3,6=102,492×10⁹ МДж или 102,492×10⁹/44=2,329 млн. т топлива, в абсолютных величинах, или 29,9/232,9 - 7,8%, грубо - 1/10 часть потребляемого легковым автомобилем топлива расходуется на компенсацию момента сопротивления вращению генератора. При этом из курса электрических машин известно, что момент сопротивления вращению подвижной части генератора прямо пропорционален величине генерируемого тока и обратно пропорционален угловой скорости его вращения.

Из патента RU 2460200, 6МПК H02K 57/00, H02K 7/20, публ. 27.08.2012, известен самовращающийся генератор электрических импульсов, содержащий вал ротора, цилиндрический магнитопровод ротора, обмотки ротора, коллектор ротора, магнитопровод статора, обмотки статора, два постоянных стержнеобразных магнита, контактно-щеточный узел и прерыватель. Из описания к патенту известно, что коллектор ротора выполнен в виде двух изолированных полуколец, сформированных с возможностью взаимодействия с контактно-щеточным узлом; магниты выполнены оппозитно расположенными, установленными на магнитопроводе ротора параллельно валу ротора с чередованием их магнитных полюсов и с возможностью магнитного взаимодействия внешних полюсов с обмотками статора; статор сформирован в виде коаксиального, относительно магнитопровода ротора, кольца, снабженного двумя оппозитными, расположенными со стороны ротора, параллельными, относительно вала ротора, пазами, выполненными с возможностью формирования магнитных полюсов статора; обмотки статора выполнены уложенными в пазы статора, снабженными присоединительными выводами, сформированными с возможностью их подключения к электрической нагрузке генератора; коллектор и прерыватель выполнены с возможностью подачи на обмотки ротора напряжения от внешнего источника электрического питания только в моменты сближения разноименных магнитных полюсов ротора и статора и с возможностью отключения обмоток ротора от внешнего источника электрического питания в моменты расхождения магнитных полюсов ротора и статора. Заявленным техническим результатом, достигаемым решением по цитируемому изобретению, является уменьшение расхода энергии, потребляемой генератором на вращение ротора, что обеспечено отсутствием промежуточных передаточных элементов, характерных для сборочных узлов, образованных каким либо приводным двигателем и генератором (ротор и статор цитируемого решения являются одновременно элементами и электродвигателя и электрогенератора), а также уменьшением электромагнитных сил, тормозящих вращение ротора в момент расхождения магнитных полюсов ротора и статора.

Анализ текста и графических материалов, характеризующих техническое решение по изобретению RU 2460200, позволяет предположить, что обмотки статора выполнены тороидальными, огибающими магнитопровод ротора в его продольном направлении; обмотки ротора выполнены с возможностью образования на магнитопроводе ротора двух пар радиально расположенных чередующихся магнитных полюсов; постоянные магниты расположены, ориентировочно, на магнитной нейтрали, формируемой обмотками ротора.

Среди недостатков описанного выше самовращающегося генератора электрических импульсов, на данном этапе, выделим только наличие контактно-щеточного узла. При этом отметим, что вектора «сил Ампера», возникающих при взаимодействии магнитных полей ротора с пазовыми частями обмоток статора данного генератора электрических импульсов, равно как и вектора сил трения, направлены против направления вращения ротора генератора.

Из книги , автор О. Хвольсон, 2-е издание, пересмотренное и дополненное, съ 220-ю рисунками въ , С-Петербургъ, Типографiя Товарищества «Общественная Польза», Большая Подьяческая, №89, издаше Ф. Павленкова, 1886 г., стр. 194…211, известны магнитоэлектрические генераторы Грамма (1871 г.) - Пачинотти (1861 г.), далее генератор Грамма, и магнитоэлектрические генераторы Сименса (Гефнеръ Альтенека 1867).

Концептуальный генератор Сименса, см. стр. 193 и фиг. 157, 158, включает в себя подковообразный постоянный магнит, между полюсами которого расположен ротор, содержащий магнитопровод, выполненный в форме цилиндра, снабженного двумя оппозитно расположенными продольными вырезками, и торообразную (кольцеобразную) обмотку, уложенную в вырезки магнитопровода (предложенная Сименсом концепция укладки обмотки используется во многих современных генераторах цилиндрического / барабанного типа).

Концептуальный генератор Грамма, см. стр. 195 и фиг. 160, стр. 196 и фиг. 161, включает в себя подковообразный постоянный магнит, между полюсами которого расположен ротор, содержащий магнитопровод, выполненный в форме кольца, и обмотку, образованную множеством торообразных (кольцеобразных) катушек, каждая из которых охватывает магнитопровод ротора коаксиально, относительно его продольной геометрической оси, равномерно распределенных вдоль образующей магнитопровода.

На стр. 198 и фиг. 164, описана введенная в эксплуатацию в 1863 г. магнитоэлектрическая машина переменного тока, включающая в себя 56 постоянных неподвижно установленных подковообразных магнитов, расположенных вокруг вращающегося спицованного ротора, содержащего 96 катушек. Об этой машине упомянуто: вес 122 пуда (1952 кг), ротор приводится во вращение паровой машиной в 4 силы (2,9 квт) и делает 450 оборотов в минуту, дает силу света до 2500 стеариновых (применен уточняющий термин) свечей. На той же странице, фиг. 164, 165, приведено описание изобретенной в 1878 г. магнитоэлектрической машины переменного тока, включающей в себя 8 неподвижно установленных постоянных подковообразных магнитов, расположенных вокруг вращающегося спицованного ротора, по устройству напоминающего кольцо Грамма, содержащего 16 катушек, каждая из которых содержит магнитопровод, сформированный по образу двутавра, и расположенную на стержне магнитопровода (между полками двутавра) обмотку, последовательно разнесенных вдоль образующей ротора с прилеганием смежно расположенных торцевых участков магнитопровода. При этом на стр. 194, см. 3-й сверху абзац имеется следующий текст: «Магнито-электрическiя машины тогда только получили развитiе и значенiе, тогда только могли полезными, когда въ 1871 г. Граммъ знаменитое свое кольцо, которое въ настоящее время составляет самую существенную часть большинства магнито-электрическихъ и динамо-электрическихъ машинъ».

На стр. 201, фиг. 168, описаны динамоэлектрическая (в соответствие с современной терминологией - электромагнитная) машина Грамма, а на стр. 202, фиг. 169, динамоэлектрическая машина Сименса, сохранившие концептуальные признаки своих роторов.

О динамомашине Грамма на стр. 203 указано: вес 180 кг, дает силу света до 2500 свечей, приводится в движение 3-х сильной (2,2 квт) паровой машиной с частотой вращения 900 оборотов в минуту.

О динамомашине Сименса на стр. 204 указано: вес 140 кг, дает силу света до 1500 свечей, приводится в движение 2,5 сильной (1,8 квт) паровой машиной с частотой вращения 900 оборотов в минуту.

На стр. 205 и фиг. 173, описана машина переменного тока Грамма, включающая в себя ротор и статор. Ротор выполнен содержащим 8 стержнеобразных звездообразно расположенных питаемых от возбудителя (постоянного тока) электромагнитов, установленных с чередованием их магнитных плюсов. При этом внешние полюсы оппозитно расположенных магнитов ротора имеют одинаковую направленность. Статор выполнен содержащим кольцевой магнитопровод и обмотку, образованную 32 торообразными (кольцеобразными) катушками, каждая из которых охватывает магнитопровод ротора коаксиально, относительно его продольной геометрической оси, равномерно распределенных вдоль образующей магнитопровода. Обмотка статора сформирована с образованием 8 последовательно расположенных секций, каждая из которых, в свою очередь, сформирована 4 последовательно расположенными катушками. При этом первые катушки каждой из 8-ми секций, вторые катушки каждой из 8-ми секций, третьи катушки каждой из 8-ми секций, четвертые катушки каждой из 8-ми секций выполнены соединенными с образованием, соответственно, четырех обособленных цепей, в которых индуктируется ток, направление которого изменяется 8 раз за один оборот ротора. На стр. 205 и 206 упоминается, что существуют машины, зажигающие одновременно 4, 6 и 16 свечей Яблочкова, требующие 4-х, 6-ти и 16-ти сильных двигателей, т.е. на горение одной свечи Яблочкова требуется мощность двигателя, равная 1 «паровой лошади» (0,736 КВт).

Из интернет ресурса:

http://wikirtishchevo.shoutwiki.com/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%В5%D1%87%D0%В0_%D0%AF%D0%B1%D0%BB%D0%BE%D1%87%D0%BA%D0%BE%D0%B2%DQ%B0. просмотрено 10.01.2018, известно, что свечи Яблочкова (начало производства 1876 г., конец производства - позже 1881 г.) на пике своего развития выпускались в широком ассортименте и имели силу света от 77 до 5766 кд; что расширение использования свечей Яблочкова было непосредственно связано с применением генераторов переменного тока Грамма, что машина Грамма, содержащая 4 обособленных электрических цепи была рассчитана на электрические свечи с силой света 961 кд.

При этом из интернет ресурса: http://greenevolution.ru/enc/wiki/kandela/, просмотрено 29.01.2018, известно, что ранее кандела определялась как сила света, излучаемого черным телом перпендикулярно к поверхности площадью 1/60 см² при температуре плавления платины (2042,5 К), что сила света, излучаемая свечой, примерно равна одной канделе, что именно поэтому раньше эта единица измерения называлась «свечой», что современная (2010 г.) лампа накаливания мощностью 100 Вт излучает свет с силой приблизительно равной 100 кд.

Из упоминавшейся выше книги «Популярныя лекции объ и », стр. 144 известно, что срок службы нитевых ламп накаливания, на момент подготовки книги к изданию, мог достигать 1000 часов (сопоставимо с ресурсом современных вакуумированных ламп накаливания общего назначения с вольфрамовой спиралью), а из интернет ресурса:

https://ru.wikipedia.org/wiki/D0%9В%D0%B0%D0%BC%D0%BF%D0%B0_%D0%BD%D0%B0%D0%BA%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F, информация просмотрена 29.01.2018, известно о существовании лампы накаливания ручной работы, которая постоянно горит с 1901 год.

Из приведенной выше информации о машинах Грамма, Сименса и о электрической мощности источников света можно заметить несколько более высокую энергоэффективность генераторов Грамма, по сравнению с генератором Сименса, при меньшей эффективности использования обмоточного провода.

Из учебного пособия «Комплексное использование минерального сырья и отходов промышленности при производстве строительных материалов» для студентов специальности 290600 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», Министерство образования Российской Федерации, Восточно - Сибиркий государственный технологический университет, составители - Щукина Е.Г., Беппле P.P., Архинчеева Н.В., Улан-Удэ - 2004 г., стр. 20, известно, что для получения 1 т меди необходимо переработать не менее 100 т руды, что количество шлаков, образуемых при выплавке 1 т меди может превышать 15 т. Из книги «А1 тринадцатый элемент. Энциклопедия.», автор-составитель А.Дроздов, М. «Библиотека РУСАЛа», 2007 г., известно, что на Парижской технической выставке 1867 г. публике были представлены алюминиевая проволока и фольга (см. стр. 49), что промышленное производство алюминия началось, ориентировочно, в 1888 г., что в 1890 г. было произведено всего лишь 40 т алюминия и содержащих алюминий сплавов (см. стр. 56-58), что цена 1 кг алюминия в Европе, по оценке 1904 г., составляла в 1857…1885 г.г. около 100, в 1888 г. около 47, а в 1890 от 27,7 до 15,2 немецких марок (см. стр. 66), что в России (СССР) промышленное производство алюминия началось только в 1929 г. (см. стр. 78), что в России в 2006 г. 31% производимого алюминия потреблялся на производство строительных конструкций, 25% на производство упаковки, 17% на производство электротехники, 9% потреблялось автомобильной и 1% авиационной промышленностями (см. стр. 95).

По данным интернет ресурсов: https://news.yandex.ru/quotes/1501.html, https://news.yandex.ru/quotes/1500.html, информация просмотрена 01.02.2018, известно, что на Лондонской бирже металлов в течение 2017 г. стоимость меди колебалась от 6 до 7 $/кг, а стоимость алюминия от 1,9 до 2,2 $/кг.

Учитывая приведенные выше факты, касающиеся металлургии меди и алюминия, следует принять во внимание, что значительная, в весовом отношении, часть материалов электрических машин и тепловых двигателей может быть подвержена, пусть и с некоторыми потерями, вторичной переработке, чего нельзя сказать о энергоносителях (углеводородах и кислороде), безвозвратно сжигаемых в камерах сгорания тепловых двигателей и нейтрализаторах систем выпуска их отработавших газов, а также об отравляемой тяжелыми металлами нейтрализаторов, изначально содержащейся в воздухе и топливе (в силу его гигроскопичности) воде, проходящей через системы выпуска отработавших газов тепловых двигателей.

Анализ электрических и магнитных цепей генераторов Грамма и Сименса показывает, что развиваемые в катушках генераторов «силы Ампера» направлены противофазно направлению вращения роторов генераторов и синфазно векторам сил трения (из курса физики известно, что величина модуля «силы Ампера» прямо пропорциональна величине модуля индукции магнитного поля, в котором находится проводник с током, длине этого проводника, величине амплитуды тока, протекающего по проводнику, и синусу угла между направлениями тока и вектора индукции магнитного поля). Таким образом, можно предположить, что причиной большей энергоэффективности генераторов Грамма, по сравнению с генераторами Сименса, являются наличие у генераторов Грамма кольцевого магнитопровода, коаксиальное, относительно продольной геометрической оси магнитопровода, расположение катушек обмотки, а также радиальное расположение магнитов и характер распределения катушек относительно генерирующих магнитное поле полюсов.

Вернувшись к изрядно цитированной книге «Популярныя лекции объ и » обратим внимание на раздел об индукционных катушках, а именно на информацию, изложенную на стр. 185 (о явлениях, открытых Фарадеем) и особенно на 2-й, считая сверху, абзац - цитата приведена в современной орфографии - «В 1870 г. Блазерна сравнил индукционные токи, получаемые при замыкании и при размыкании, и нашел, что наибольшее напряжение тока, индуктируемого при размыкании, будет в 3,5 раза более, чем наибольшее напряжение тока, индуктируемого при замыкании, а продолжительность последнего в 2 раза больше продолжительности первого».

Теперь рассмотрим гипотетический электрический генератор, включающий в себя статор, содержащий два оппозитно установленных постоянных магнита, расположенных с чередованием их магнитных полюсов, и размещенный между полюсами магнита вращающийся ротор, содержащий цилиндрический магнитопровод с продольно расположенными пазами и уложенную в пазы магнитопровода, размещенную по схеме Сименса, обмотку. Где обмотка содержит три тороидальных (петлевых) катушки, продольно охватывающих магнитопровод ротора и последовательно смещенных на угол 120 электрических градусов. При этом условимся, что ротор вращается, если смотреть на плоскость гипотетического чертежа, по часовой стрелке, а пазовые части одной из катушек (назовем ее «базовой») расположены на продольной геометрической оси магнитных полюсов. Присвоив одному из обращенных в сторону ротора концов магнитов статус «Северного полюса» по правилам «Левой руки» и «Буравчика» можно определить направление векторов «силы Лоренца, «силы Ампера» и магнитной индукции «базовой» катушки - для заданного положения «базовой» катушки вектор ее магнитной индукции направлен ортогонально к продольной геометрической оси магнитных полюсов. Теперь уместно определить направление вектора магнитной индукции удаляющейся от полюсов магнитов («сбежавшей» от «Северного полюса») катушки. Учитывая свойства индукционных полей, отмеченные Фарадеем и Блазерном (обще известны), можно с уверенностью сказать, что вектор магнитной индукции «сбежавшей» катушки будет располагаться в интервале между вектором магнитной индукции «базовой» катушки и продольной геометрической осью магнитов, что направление вектора магнитной индукции «сбежавшей» катушки противофазно направлению вектора магнитной индукции «Северного полюса», что величина модуля вектора магнитной индукции «сбежавшей» катушки может превышать величину модуля вектора магнитной индукции «базовой» катушки. При чем, степень влияния «сбежавшей» катушки (процесс многократно повторяется и характерен для всех катушек обмотки ротора) на противомомент вращения генератора зависит и от импеданса катушки, и от коэрцетивных свойств материала магнитопровода ротора, и от скорости вращения ротора генератора.

Возвращаясь к самовращающемуся генератору электрических импульсов по RU 2460200 и вспомнив, что заявленным техническим результатом данного изобретения является уменьшение расхода энергии, потребляемой генератором на вращение ротора, в том числе, вследствие уменьшением электромагнитных сил, тормозящих вращение ротора, приходим к заключению о значительной скважности прикладываемого к ротору генератора вращающего ротор момента, величина которого, равно и величина амплитуды тока обмоток ротора, прямо пропорциональна моменту инерции ротора, который, в свою очередь, является фактором, ограничивающим электрическую мощность, которую обмотка статора способна отдать нагрузке.

Теперь уместно рассмотреть гипотетический электрогенератор, включающий в себя статор, содержащий выше неоднократно упоминавшееся «кольцо Грамма» (кольцевой магнитопровод с катушками), и коаксиально расположенный вращающийся ротор, содержащий два оппозитных радиально установленных стержнеобразных постоянных магнита, размещенных с чередованием их магнитных полюсов. Отметим, что описанные в книге «Популярныя лекции объ и » генераторы Грамма содержали четное количество магнитов (электромагнитов) и четное количество катушек, расположенных на кольцевом магнитопроводе. Распределение элементарных магнитных силовых линий по магнитной системе данного генератора, для магнитов, в любом их положении относительно магнитопровода статора, и для катушек, расположенных на продольной геометрической оси магнитов, принимает форму графического знака Ф. Распределение элементарных магнитных силовых линий по магнитной системе данного генератора, для «сбежавших» катушек (удаленных от обращенных к магнитопроводу статора магнитных полюсов ротора), генерируемых под воздействием тока самоиндукции катушек (при их условном обесточивании), принимает форму графического знака О.

Подводя итоги анализу работы генераторов можно с уверенностью сказать, что момент сопротивления вращению роторов генераторов Грамма определялся только силами трения (которые были, скорее всего, сопоставимы с силами трения, имеющими место в генераторах Сименса - современниках генераторов Грамма) и «силами Ампера» (носят импульсно - периодический характер). Кинетическая энергия вращающегося тела прямо пропорциональна величинам угловой скорости вращения и момента его инерции (равен сумме произведений масс всех точек тела на квадраты их расстояний от оси вращения). При этом следует отметить, что роторы генераторов Грамма (либо кольца с катушками, либо сборки звездообразно расположенных электромагнитов) обладали большим моментом инерции, по сравнению с цилиндрическими роторами генераторов Сименса.

В качестве прототипа изобретения принята известная из патента RU 172854, 7МПК B60K 6/00, 6МПК H02K 17/12, H02K 3/04, H02K 3/28, публ. 27.07.2017, гибридная силовая установка, содержащая тепловой двигатель с валом и электрическую машину.

Электрическая машина прототипа включает в себя коаксиально расположенные неподвижно установленный статор, содержащий цилиндрический магнитопровод и обмотку переменного тока, катушки которой соединены в звезду, и установленный с возможностью вращения ротор, содержащий кольцеобразный магнитопровод и обмотку переменного тока, катушки которой соединены в треугольник. Ротор электрической машины выполнен кинематически соединенным с валом теплового двигателя. При этом электрическая машина выполнена с возможностью работы или в режиме электродвигателя, или в режиме электрогенератора. Из принципа обратимости и изложенной выше информации о машинах Грамма и Сименса следует, что электрическая машина прототипа по типу выполнения магнитопроводов и обмоток, может быть отнесена к машинам Сименса, т.е. при работе машины в режиме электрогенератора она требует повышенного расхода механической мощности для вращения ее ротора.

Достоинствами цитируемого технического решения являются:

- отсутствие промежуточных передаточных элементов между валом теплового двигателя и ротором электрической машины, что уменьшает потребляемую электрической машиной мощность в режиме генерации электроэнергии и, как следствие, расход ресурсов, потребляемых тепловым двигателем;

- отсутствие (если не учитывать остаточный магнетизм магнитопровода ротора) электромагнитных сил, тормозящих вращение ротора, при обесточенной обмотке статора (режим имеет место при полностью заряженном накопителе электрической энергии), что также уменьшает расход ресурсов, потребляемых тепловым двигателем.

К недостатками цитируемого технического решения следует отнести:

- наличие технически более сложной, по сравнению с обмотками типа беличьей клетки или постоянными магнитами, обмотки ротора, что повышает трудоемкость изготовления и утилизации электрических машин, а также увеличивает теплонагруженность электрической машины.

- наличие, при работе электрической машины в режиме генератора, обусловленных противоиндукцией магнитных сил, противодействующих вращению ее ротора, что ведет к перерасходу ресурсов, потребляемых тепловым двигателем;

Задачей изобретения было создание гибридной силовой установки, обеспечивающей (делающей возможным) снижение расхода ресурсов, потребляемых ее тепловым двигателем в процессе работы силовой установки.

Задача решается в гибридной силовой установке, содержащей тепловой двигатель с валом и электрическую машину, включающую в себя неподвижно установленный статор и установленный с возможностью вращения ротор. Где статор выполнен содержащим цилиндрический магнитопровод статора и обмотку статора, выполненные с возможностью образования вращающегося магнитного поля, а ротор выполнен содержащим кольцеобразный магнитопровод, расположенный коаксиально, относительно магнитопровода статора. При этом ротор электрической машины выполнен кинематически соединенным с валом теплового двигателя.

Задача решается тем, что:

- электрическая машина гибридной силовой установки выполнена снабженной индуктором, образованным магнитопроводом индуктора, обмоткой индуктора и постоянными магнитами идуктора;

- магнитопровод индуктора сформирован в виде неподвижно установленного ферромагнитного, преимущественно составного кольца, дистанцированно и коаксиально расположенного, относительно внешней радиальной поверхности магнитопровода ротора;

- магниты индуктора выполнены неподвижно закрепленными на внешней радиальной поверхности магнитопровода ротора, равномерно разнесенными по его радиальной поверхности, расположенными радиально и с чередованием их магнитных полюсов;

- обмотка индуктора выполнена образованной кольцеобразными, преимущественно поперечно охватывающими магнитопровод индуктора, равномерно распределенными по магнитопроводу индуктора катушками, количество которых равно или кратно числу постоянных магнитов индуктора.

Где:

- катушки обмотки индуктора выполнены, преимущественно, из прямоугольного, в поперечном сечении, обмоточного провода, сформированного из материала, содержащего в своем составе, преимущественно, алюминий;

- ротор, в одном из вариантных исполнений электрической машины технического средства, выполнен снабженным неподвижно закрепленной на радиальной поверхности магнитопровода ротора со стороны статора, электрически изолированной от магнитопровода ротора, короткозамкнутой обмоткой, изготовленной из магнитомягкого, электропроводящего материала, сформированной в виде трубы, содержащей, преимущественно, продольно расположенные, отстоящие от ее торцов, узкие сквозные щелевые прорези, заполненные, преимущественно, магнитодиэлектрическим материалом.

- ротор, в другом из вариантных исполнений электрической машины технического средства, выполнен снабженным неподвижно закрепленными на радиальной поверхности магнитопровода ротора со стороны статора, радиально установленными постоянными магнитами, количество которых, преимущественно, равно числу постоянных магнитов индуктора, равномерно разнесенными по упомянутой радиальной поверхности, расположенными с чередованием их магнитных полюсов, а также оппозитно, относительно магнитных полюсов магнитов индуктора.

С целью снижения аэродинамического сопротивления ротор электрической машины технического средства может быть выполнен снабженным, диамагнитными вставками, изготовленными из полимерного связующего и наполнителя, сформированными или установленными, с образованием гладкой радиусной поверхности, во впадинах ротора, образованных противостоящими поверхностями постоянных магнитов и расположенными между ними участками радиальной поверхности магнитопровода ротора. При этом наполнитель может содержать, по меньшей мере, один диамагнетик, например, поликристаллические графит, цинк, корунд, карборунд или, по меньшей мере, один диамагнетик и, по меньшей мере, один парамагнетик, например, мелкодисперсный алюминий.

Изобретение сопровождается рисунками:

- Фиг. 1, где показаны изменение амплитуды тока (I, А), отдаваемого нагрузке генератра, и изменение механической мощности (Р, Вт), потребляемой генератором при изменении частоты вращения ротора 80-ти амперного автомобильного, типичного для современного уровня техники, генератора.

- Фиг. 2, где показан внешний вид одного из электромагнитных генераторов постоянного тока Сименса.

- Фиг. 3, где внешний вид одного из электромагнитных генераторов постоянного тока Грамма.

- Фиг. 4, где показан поперечный разрез генератора переменного тока Грамма.

- Фиг. 5, где показаны постоянный магнит и фрагмент ротора генератора Меританса, содержащего ротор с составным (секционированным) кольцевым магнитопроводом.

Рисунки Фиг. 2…5 приведены исходя из учета библиографической редкости цитированной выше книги «Популярныя лекции объ и ».

Устройство и принцип работы синхронных и асинхронных электрических машин известны из уровня техники и в дополнительных графических пояснениях не нуждаются. Исходя из огромного разнообразия электрических машин, а также из разнообразия применяемых в их составе обмоток, под термином катушка заявитель подразумевает любую совокупность проводников, посредством которых формируются локальные электрические цепи электрических машин.

Изобретение может быть реализовано в гибридной силовой установке, содержащей тепловой двигатель с валом, а также электрическую машину, включающую в себя неподвижно установленный статор и установленный с возможностью вращения ротор.

Статор электрической машины выполнен содержащим цилиндрический магнитопровод статора, неподвижно соединенный или с тепловым двигателем, или с несущим каркасом (рамой, кузовом…) гибридой силовой установки, и обмотку статора, выполненные с возможностью образования вращающегося магнитного поля. Ротор электрической машины выполнен содержащим кольцеобразный магнитопровод, расположенный коаксиально, относительно магнитопровода статора. При этом ротор выполнен кинематически соединенным, по меньшей мере, с валом теплового двигателя.

В вариантном исполнений электрической машины, для гибридных силовых установок повышенной мощности, ротор выполнен снабженным неподвижно закрепленной на радиальной поверхности магнитопровода ротора со стороны статора, электрически изолированной от магнитопровода ротора, короткозамкнутой, типа беличьей клетки, обмоткой. Короткозамкнутая обмотка может быть выполнена в виде трубы, содержащей, преимущественно, продольно расположенные, отстоящие от ее торцов, узкие сквозные щелевые прорези, изготовленной из магнитомягкого, электропроводящего материала. Электрическое разъединение короткозамкнутой обмотки и магнитопровода ротора может быть выполнено предварительным нанесением оксид-алюминиевого покрытия, по меньшей мере, на одну из сопрягаемых смежных поверхностей магнитопровода и короткозамкнутой обмотки. Данный тип покрытия характеризуется высокими диэлектрической и механической прочностью, а также относительно небольшими экологическими издержками технологического процесса нанесения покрытия. В качестве электрической изоляции может быть также использовано любое известное из уровня техники электроизоляционное покрытие. Выше упомянутые щелевые прорези, формирующие короткозамкнутую обмотку, могут быть выполнены заполненными магнитодиэлектрическим или, что менее предпочтительно, диэлектрическим материалом.

Для гибридных силовых установок пониженной мощности, ротор электрической машины может быть выполнен снабженным неподвижно закрепленными на радиальной поверхности магнитопровода ротора со стороны статора, радиально установленными постоянными магнитами равномерно разнесенными по упомянутой радиальной поверхности, расположенными с чередованием их магнитных полюсов.

В электрической машине заявляемой гибридной силовой установки предпочтительно использовать магниты, содержащие редкоземельные металлы, в частности, неодимовые. Данный тип магнитов характеризуется более высокими удельными магнитными свойствами по сравнению с электромагнитами постоянного тока. При этом постоянные магниты обладают высокой долговечностью, теряют свою силу, примерно, на 1% за год хранения, в то время как рабочий ресурс у массово выпускаемых Li-Ion аккумуляторов, до потери ими 20% емкости, составляет, ориентировочно, два года или 500…1000 рабочих циклов. К недостатку неодимовых магнитов следует отнести их относительно низкую теплостойкость, не выше 80…90°C. При этом известно, что срок службы электроизоляции класса «В» при температуре ее нагрева 120°C составляет около 15 лет, при нагреве до 140°C сокращается до 2 лет, а при температуре 105°C срок увеличивается до 30 лет. Применив меры по ограничению максимально высокой температуры ротора можно обеспечить требуемый ресурс постоянных магнитов. Кроме того, описанная выше конструкция короткозамкнутой обмотки, в случае ее применения, обладает развитой теплоотдающей поверхностью, что дополнительно способствует охлаждению магнитопровода ротора и расположенных на нем магнитов. Следует отметить, что серийно выпускаемые автомобили Audi А6 hybrid, Audi А8 hybrid (тепловой двигатель мощностью 155 КВт, синхронная магнитоэлектрическая машина переменного тока мощностью 40 КВт) выполнены снабженными датчиком контроля температуры и системой принудительного жидкостного охлаждения электрической машины. В случае перегрева электрической машины (превышение температуры 180…200°C) ее мощность пошагово уменьшается вплоть до нуля.

Принципиальным отличием заявляемой гибридной силовой установки является то, что ее электрическая машина выполнена снабженной индуктором, образованным магнитопроводом индуктора, обмоткой индуктора и постоянными магнитами идуктора. Магнитопровод индуктора выполнен сформированным в виде неподвижно установленного (прямо или косвенно соединенного или с тепловым двигателем, или с несущим каркасом гибридной силовой установки) ферромагнитного кольца, дистанцированно и коаксиально расположенного, относительно внешней радиальной поверхности магнитопровода ротора. Магнитопровод индуктора может быть выполнен изготовленным зацело или составленным из кольцевых секторов. Магнитопровод индуктора, или его кольцевые сектора, может быть выполнен сформированным из электротехнической стали, шихтованным или сформированным из феррита. Последнее предпочтительно, по меньшей мере, для уменьшения веса электрической машины.

Магниты индуктора выполнены неподвижно закрепленными на внешней радиальной поверхности магнитопровода ротора, равномерно разнесенными по его радиальной поверхности, установленными радиально и с чередованием их магнитных полюсов. В случае выполнения магнитопровода индуктора составным, количество составляющих его секторов, предпочтительно, должно быть равным количеству магнитов индуктора или кратно их числу. В случае исполнения электрической машины синхронной (при использовании постоянных магнитов вместо короткозамкнутой обмотки ротора), количество взаимодействующих со статором магнитов, преимущественно, должно быть выполнено равным количеству постоянных магнитов индуктора. При этом взаимодействующие со статором магниты и магниты индуктора должны быть установлены, предпочтительно, с оппозитным расположением их магнитных полюсов.

Обмотка индуктора выполнена образованной кольцеобразными, преимущественно поперечно охватывающими магнитопровод индуктора, равномерно распределенными по магнитопроводу индуктора катушками, количество которых также равно или кратно числу постоянных магнитов индуктора. Катушки обмотки индуктора, с целью увеличения плотности укладки их витков и теплоотдачи, выполнены, преимущественно, из прямоугольного, в поперечном сечении, обмоточного провода. В качестве обмоточного провода, с целью снижения веса электрической машины (в совокупности с применением магнитопровода индуктора из феррита), целесообразно использовать содержащие, преимущественно, алюминий материалы. При этом выполнение катушек индуктора расположенными снаружи магнитопровода индуктора улучшает их охлаждение.

С целью снижения аэродинамического сопротивления ротор электрической машины гибридной силовой установки может быть выполнен снабженным диамагнитными вставками, изготовленными из полимерного связующего материала и наполнителя. Упомянутые вставки выполнены сформированными или установленными, с образованием гладкой радиусной поверхности, во впадинах ротора, образованных противостоящими поверхностями постоянных магнитов и расположенными между ними участками радиальной поверхности магнитопровода ротора. При этом наполнитель может содержать, по меньшей мере, один диамагнетик, например, поликристаллические графит, цинк, корунд, карборунд или, по меньшей мере, один диамагнетик и, по меньшей мере, один парамагнетик, например, мелкодисперсный алюминий.

Очевидно, что гибридная силовая установка выполнена снабженной накопителем электрической энергии (совокупностью электрохимических аккумуляторов и конденсаторов), электронным оборудованием, осуществляющим преобразование постоянного электрического тока в переменный, с заданными параметрами, переменного тока в постоянный, с заданными параметрами, а также коммутацию катушек, формирующих обмотки статора и индуктра с накопителем электрической энергии и/или электропотребителями гибридной силовой установки.

Схема соединения и конструктивное исполнение упомянутого в выше расположенном абзаце выходит за рамки данного изобретения.

Принцип работы электрических машин известен и дополнительно прокомментирован в преамбуле данного описания.

Важным является то, что всякое вращение ротора, осуществляемое либо тепловым двигателем, либо реализуемое посредством создания статором вращающегося магнитного поля (режим электродвигателя), либо вследствие их суммарного воздействия, при замкнутых на нагрузку катушках индуктора, генерирует в них соответствующие электродвижущие силы и токи. При этом сопротивление вращению ротора, применительно к индуктору, обусловлено только противодействием «сил Ампера», которые прямо пропорциональны продуктивной электрической мощности, и вентиляционным потерям.

Изобретение полностью сохранило достоинства прототипа и устранило присущие ему недостатки, в частности, значительно снизило имевшиеся в режиме генератора потери.

Заявленное техническое средство обеспечивает снижение расхода ресурсов, потребляемых им во его работы.

1. Гибридная силовая установка, содержащая тепловой двигатель с валом, а также электрическую машину, включающую в себя неподвижно установленный статор и установленный с возможностью вращения ротор, где статор выполнен содержащим цилиндрический магнитопровод и обмотку, выполненные с возможностью образования вращающегося магнитного поля, а ротор выполнен содержащим кольцеобразный магнитопровод, расположенный коаксиально относительно магнитопровода статора, ротор выполнен кинематически соединенным, по меньшей мере, с валом теплового двигателя, отличающаяся тем, что электрическая машина выполнена снабженной индуктором, образованным магнитопроводом индуктора, обмоткой индуктора и постоянными магнитами идуктора, магнитопровод индуктора сформирован в виде неподвижно установленного ферромагнитного, преимущественно составного, кольца, дистанцированно и коаксиально расположенного относительно внешней радиальной поверхности магнитопровода ротора, магниты индуктора выполнены неподвижно закрепленными на внешней радиальной поверхности магнитопровода ротора, равномерно разнесенными по его радиальной поверхности, расположенными радиально и с чередованием их магнитных полюсов, обмотка индуктора выполнена образованной кольцеобразными, преимущественно поперечно охватывающими магнитопровод индуктора, равномерно распределенными по магнитопроводу индуктора, катушками, количество которых равно или кратно числу постоянных магнитов индуктора.

2. Гибридная силовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что катушки обмотки индуктора выполнены, преимущественно, из прямоугольного, в поперечном сечении, обмоточного провода, сформированного из материала, содержащего в своем составе, преимущественно, алюминий.

3. Гибридная силовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что ротор электрической машины выполнен снабженным неподвижно закрепленной на радиальной поверхности магнитопровода ротора со стороны статора, электрически изолированной от магнитопровода ротора, короткозамкнутой обмоткой, изготовленной из магнитомягкого электропроводящего материала, сформированной в виде трубы, содержащей преимущественно продольно расположенные, отстоящие от ее торцов, узкие сквозные щелевые прорези, заполненные преимущественно магнитодиэлектрическим материалом.

4. Гибридная силовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что ротор электрической машины выполнен снабженным неподвижно закрепленными на радиальной поверхности магнитопровода ротора со стороны статора радиально установленными постоянными магнитами, количество которых преимущественно равно числу постоянных магнитов индуктора, равномерно разнесенными по упомянутой радиальной поверхности, расположенными с чередованием их магнитных полюсов, а также оппозитно относительно магнитных полюсов магнитов индуктора.

5. Гибридная силовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что ротор электрической машины выполнен снабженным диамагнитными вставками, изготовленными из полимерного связующего и наполнителя, сформированными или установленными с образованием гладкой радиусной поверхности во впадинах ротора, образованных противостоящими поверхностями постоянных магнитов, и расположенными между ними участками радиальной поверхности магнитопровода ротора, при этом наполнитель содержит или по меньшей мере один диамагнетик, или по меньшей мере один диамагнетик и по меньшей мере один парамагнетик.