Солнечный магнитный двигатель стребкова (варианты)
Владельцы патента RU 2684638:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) (RU)
Изобретение относится к электротехнике, к двигателям постоянного тока с постоянным магнитом, использующим солнечный генератор для питания обмотки ротора. Технический результат заключается в более полном использовании площади солнечных элементов и увеличении их мощности, а также в снижении э.д.с. самоиндукции и реакции торможения ротора при взаимодействии с магнитным полем статора. Солнечный магнитный двигатель содержит ротор с осью вращения, подшипниками и электрической обмоткой, соединенной с токовыводами генератора из скоммутированных солнечных элементов с p-n-переходами, размещенных на поверхности ротора, а также постоянный магнит, плоскость которого параллельна оси ротора. Ротор выполнен в виде диска из проводящего материала с осью вращения, содержащей две изолированные друг от друга полуоси ротора, одна из которых соединена с диском, а вторая - с одним из токовыводов генератора. На диске с одной стороны через изолирующий слой закреплен осесимметрично генератор. Постоянный магнит установлен осесимметрично с другой стороны диска и имеет площадь поверхности, соизмеримую с поверхностью диска. Токовыводы генератора соединены непосредственно с полуосью ротора и с одним из контактов диска, а полуось ротора и второй контакт к диску соединены через два скользящих контакта с двумя внешними неподвижными проводниками и внешней нагрузкой. В варианте солнечного магнитного двигателя диск состоит из изолированных криволинейных сегментов, соединенных между собой параллельно на оси и на ободе диска, границы между сегментами выполнены в виде логарифмической золотой спирали с координатами
где r и θ - радиус-вектор и угол радиуса вектора в полярной системе координат,
- параметр золотого сечения,
α - постоянная, определяющая размер спирали и диска, направления ветвей спирали совпадают с направлением вращения ротора. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности, к двигателям постоянного тока с постоянным магнитом, использующим солнечный генератор для питания обмотки ротора.
Известен солнечный магнитный двигатель Мендосино, содержащий ротор с осью вращения, подшипниками и электрической обмоткой, соединенной с токовыводами генератора из скоммутированных солнечных элементов с p-n переходами, размещенных на боковой поверхности ротора, а также неподвижный постоянный магнит, плоскость которого параллельна оси ротора. (SolarMendocinoMotor,wwwinstuctables.com/id/solarmotor).
В известном солнечном магнитном двигателе для вращения ротора используется закон электромагнитной индукции Фарадея, электрическая энергия для питания обмоток ротора поступает от солнечного генератора.
Недостатком известного солнечного магнитного двигателя является низкий КПД использования солнечной энергии из-за затенения ротором 75% площади солнечных элементов, установленных на неосвещаемой поверхности ротора.
Другим недостатком является низкий электрический КПД солнечного магнитного двигателя из-за явления самоиндукции в обмотке ротора, которая приводит к торможению ротора при взаимодействии с магнитным полем статора.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования солнечной энергии и электрического КПД солнечного магнитного двигателя.
Технический результат заключается в более полном использовании площади солнечных элементов и увеличении их мощности, а также в снижении ЭДС самоиндукции и реакции торможения ротора при взаимодействии с магнитным полем статора.
Технический результат достигается тем, что в солнечном магнитном двигателе, содержащем ротор с осью вращения, подшипниками и электрической обмоткой, соединенной с токовыводами генератора из скоммутированных солнечных элементов с p-n переходами, размещенных на поверхности ротора, а также постоянный магнит, плоскость которого параллельна оси ротора, согласно изобретению, ротор выполнен в виде диска из проводящего материаласосью вращения, содержащей две изолированные друг от друга полуоси ротора, одна из которых соединена с диском, а вторая с одним из токовыводов генератора, на диске с одной стороны через изолирующий слой закреплен осесимметрично генератор, постоянный магнит установлен осесимметрично с другой стороны диска и имеет площадь поверхности, соизмеримую с поверхностью диска, токовыводы генератора соединены непосредственно с полуосью ротора и с одним из контактов диска, а полуось ротора и второй контакт к диску соединены через два скользящих контакта с двумя внешними неподвижными проводниками и внешней нагрузкой.
В варианте солнечного магнитного двигателя токовывод в центре генератора со стороны диска соединен с центром диска, один скользящий контакт выполнен через полуось ротора, соединенную с центром генератора со стороны, противоположной диску, а второй скользящий контакт выполнен к ободу диска.
В другом варианте солнечного магнитного двигателя токовывод генератора со стороны диска соединен с ободом диска, а скользящие контакты выполнены через полуось ротора, соединенную с центром генератора со стороны, противоположной диску, и через полуось ротора, соединенную с центром диска.
В варианте солнечного магнитного двигателя ось вращения ротора содержит одну полуось, соединенную с диском, один токовывод генератора со стороны диска соединен с одним из контактов диска, а второй токовывод в центре генератора со стороны, противоположной диску, и второй контакт к диску соединены через два скользящих контакта с двумя внешними неподвижными проводниками и внешней нагрузкой.
Еще в одном варианте солнечного магнитного двигателя диск выполнен из немагнитного материала, например, из меди.
В варианте солнечного магнитного двигателя нагрузка выполнена в виде химического аккумулятора электрической энергии или суперконденсатора.
В варианте солнечного магнитного двигателя нагрузка выполнена в виде светодиодов.
В варианте солнечного магнитного двигателя постоянный магнит установлен неподвижно с зазором относительно диска и имеет отверстие в центре с зазором относительно оси ротора.
В варианте солнечного магнитного двигателя постоянный магнит закреплен на оси с возможностью вращения.
В варианте солнечного магнитного двигателя каждый подшипник выполнен в виде магнитной подвески из двух осесимметричных кольцевых постоянных магнитов с зазором между ними, один из постоянных магнитов закреплен на оси ротора, второй закреплен неподвижно.
Технический результат достигается также тем, что в солнечном магнитном двигателе, содержащем ротор с осью вращения, с двумя подшипниками и электрической обмоткой, соединенной с токовыводами генератора из скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, размещенных на поверхности ротора, а также постоянный магнит, плоскость которого параллельна оси ротора, согласно изобретению, ротор выполнен в виде диска из проводящего материала, с осью вращения, содержащей две изолированные друг от друга полуоси ротора, одна из которых соединена с центром диска, а вторая полуось с одним из токовыводов генератора, диск состоит из изолированных криволинейных сегментов, соединенных между собой параллельно на оси и на ободе диска, границы между сегментами выполнены в виде логарифмической золотой спирали с координатами
где r и θ - радиус вектор и угол радиуса вектора в полярной системе координат;
- параметр золотого сечения;
α - постоянная, определяющая размер спирали и диска,
направления ветвей спирали совпадают с направлением вращения ротора, с одной стороны диска через изолирующий слой закреплен осесимметрично генератор, постоянный магнит установлен осесимметрично с другой стороны диска и имеет площадь поверхности, соизмеримую с поверхностью диска, токовыводы генератора соединены непосредственно с полуосью ротора и с одним из контактов диска, а полуось ротора и второй контакт к диску соединены через два скользящих контакта с двумя внешними неподвижными проводниками и внешней нагрузкой.
В варианте солнечного магнитного двигателя токовывод в центре генератора со стороны диска соединен с центром диска, один скользящий контакт выполнен через полуось ротора, соединенную с центром генератора со стороны, противоположной диску, а второй скользящий контакт выполнен к ободу диска.
В варианте солнечного магнитного двигателя токовывод генератора со стороны диска соединен с ободом диска, а скользящие контакты выполнены через полуось ротора, соединенную с центром генератора со стороны, противоположной диску, и через полуось ротора, соединенную с центром диска.
В варианте солнечного магнитного двигателя ось вращения ротора с подшипником соединена с диском со стороны, противоположной генератору, один токовывод генератора со стороны диска соединен с одним из контактов диска, а второй токовывод в центре генератора со стороны, противоположной диску, и второй контакт к диску соединены через два скользящих контакта с двумя внешними неподвижными проводниками и внешней нагрузкой.
В варианте солнечного магнитного двигателя диск выполнен из немагнитного материала, например, из меди.
В варианте солнечного магнитного двигателя нагрузка выполнена в виде химического аккумулятора электрической энергии или суперконденсатора.
В варианте солнечного магнитного двигателя нагрузка выполнена в виде светодиодов.
В варианте солнечного магнитного двигателя постоянный магнит установлен неподвижно с зазором относительно диска и имеет отверстие в центре с зазором относительно оси ротора.
В варианте солнечного магнитного двигателя постоянный магнит закреплен на оси ротора с возможностью вращения.
В варианте солнечного магнитного двигателя каждый подшипник выполнен в виде магнитной подвески на двух осесимметричных кольцевых постоянных магнитов с зазором между ними, один из постоянных магнитов закреплен на оси ротора, второй закреплен неподвижно.
Солнечный магнитный двигатель иллюстрируется на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, где на фиг. 1 представлена конструкция солнечного магнитного двигателя со скользящими контактами к оси генератора и ободу дискового ротора, на фиг. 2 - конструкция солнечного магнитного двигателя со скользящими контактами к оси генератора и оси дискового ротора, на фиг. 3 - вид в плане дискового ротора с двумя сегментами, границы которых выполнены в виде золотой логарифмической спирали, на фиг. 4 - вид в плане дискового ротора с четырьмя сегментами, границы которых выполнены в виде золотой логарифмической спирали, на фиг. 5 - солнечный магнитный двигатель с двумя скользящими контактами к токовыводу генератора и к оси ротора.
Солнечный магнитный двигатель на фиг. 1 содержит ротор 1 в виде диска 2 из проводящего материала, на котором через изолирующий слой 3 закреплен осесимметрично фотоэлектрический генератор 4 из скоммутированных солнечных элементов 5. Постоянный магнит 6 установлен осесимметрично со стороны диска 2, не содержащей генератор 4. Постоянный магнит 6 имеет площадь поверхности, соизмеримую с площадью диска 2.
Токовыводы генератора 7 со стороны диска 2 соединены с контактом 8 в центре диска 2, а второй токовывод 9 генератора 7 со стороны, противоположной диску 2, соединен в центре генератора 7 с полуосью 10 ротора 1 и через первый скользящий контакт 11 с неподвижным проводником 12. Второй скользящий контакт 13 к ободу 14 диска 2 соединен с неподвижным проводником 15. Неподвижные проводники 12 и 15 соединены с нагрузкой 16. Постоянный магнит 6 имеет отверстие 17 в центре с зазором 18 относительно второй полуоси 19 ротора 1 и установлен неподвижно с зазором 20 относительно диска 2. Первая 10 и вторая 19 полуоси ротора 1 выполнены из проводящего материала и соединены между собой изолированной муфтой 21. Каждая полуось 10 и 19 имеет магнитную подвеску 22 из двух осесимметричных кольцевых постоянных магнитов 23 и 24 с зазором 25 между ними, кольцевой постоянный магнит 23 закреплен на полуоси, а кольцевой постоянный магнит 24 закреплен неподвижно на корпиусе 26, полуоси 10 и 19 имеют опорные стойки 27 и 28 из проводящего материала. Опорная стойка 27 выполняет функции скользящего контакта 11 к полуоси 10.
В солнечноммагнитном двигателе фиг. 2 токовывод 7 генератора 4 со стороны диска 2 соединен с ободом 14 диска 2, скользящий контакт 11 через опорную стойку 27 и первую полуось 10 соединен с центром генератора 7 аналогично фиг. 1. Второй скользящий контакт 29 соединен через вторую опорную стойку 28 и вторую полуось 19 с центром диска 2 со стороны, противоположной генератору 4.
На фиг. 3 диск 2 выполнен из двух изолированных криволинейных сегментов 30 и 31, границы между сегментами 30 и 31 выполнены в виде логарифмической золотой спирали 32. 33 с координатами
где r и θ - радиус вектор и угол радиуса вектора в полярной системе координат,
- параметр золотого сечения,
α - постоянная, определяющая размер спирали и диска 2,
направления ветвей спирали 32 и 33 от оси диска 2 к ободу 14 диска 2 совпадают с направлением вращения ротора 1. Сегменты 30 и 31 соединены между собой параллельно в центре у полуоси 19 диска 2 и на ободе 14 диска 2 за счет того, что границы между сегментами 30 и 31 начинаются на некотором расстоянии от полуоси 19 и центра диска 2 и заканчиваются на некотором расстоянии от обода 14 диска 2.
На фиг. 4 диск выполнен из четырех криволинейных сегментов 34, 35, 36, 37, изолированных друг от друга границами, выполненных в виде золотых логарифмических спиралей 38, 39, 40 и 41. Сегменты 34, 35, 36, 37 соединены между собой параллельно за счет общих участков диска 2 около оси 19 и около обода 14 диска 2.
На фиг. 5 ось вращения ротора 1 с подшипником 42 соединена с диском 2 со стороны, противоположной генератору 4. Токовывод 9 генератора 4 соединен через скользящий контакт 43 с внешним неподвижным проводником 12. Токовывод 7 генератора 4 соединен с ободом 14 диска 2, а центр диска 2 со стороны, противоположной генератору 4, соединен через полуось 19 со скользящим контактом 29 аналогично фиг. 2. Внешние неподвижные проводники 12 и 15 соединены с нагрузкой 16. Подшипник 42 на полуоси 19 изолирован от корпуса 26 изолирующей прокладкой 44.
Солнечный магнитный двигатель работает следующим образом. При освещении генератора 4 при наличии внешней нагрузки RH вольт-амперная характеристика (ВАХ) генератора 4 имеет вид:
где V, I - напряжение и ток генератора при сопротивлении нагрузки Rн,
Iф - фототок
Iкз - ток короткого замыкания генератора при Rн=0,
Is - темновой ток насыщения,
Rш - сопротивление, шунтирующее p-n переход,
k - постоянная Больцмана,
Т - температура °К,
А - коэффициент, учитывающий отклонение ВАХ от идеальной,
Rн - последовательное сопротивление, включающее внутреннее сопротивление генератора 4, сопротивление скользящих контактов 11 и 29 диска 2 и внешних проводников 12 и 15.
При Rn=0, V=0 ток короткого замыкания Iкз=Iф.
В фотоэлектрических генераторах при малом Rn максимальный ток I при оптимальной нагрузке Rн незначительно, но отличается от тока Iкз:
Это позволяет использовать генератор 4 как для вращения ротора 1, так и для питания внешней нагрузка 16.
При освещении генератора 4 солнечным излучением между ободом и центром диска 2 и через внешние проводники 12 и 15 и сопротивление нагрузки протекает ток I.
При взаимодействии тока I с магнитным полем постоянного магнита 6 возникает эффект униполярной индукции и диск 2 начинает вращаться. Электромагнитный вращающий момент, развиваемый ротором 1, пропорционален произведению тока на магнитный поток (Электрические униполярные машины. Под ред. Л.А. Суханова. - М.: ВНИЭМ, 1964. - 136 с.)
При вращении диска между центром и ободом диска возникают токи, которые своим магнитным полем усиливают внешнее магнитное поле. Этот результат совершенно противоположен тому, который проявляется в солнечном магнитном двигателе Мендосино, в котором ток в обмотке ротора из-за явления самоиндукции противодействует внешнему магнитному полю.
Направление вращения диска 2 изменяют путем изменения полярности токовыводов генератора 4 или путем изменения полярности полюсов постоянного магнита 6. Разделение диска 2 на сегменты производят путем фрезерования границ сегментов в диске 2 или путем удаления части медного покрытия на границах сегментов на диске из фольгированного стеклотекстолита.
Разделение диска 2 на криволинейные изолированные сегменты с границами в виде логарифмических спиралей золотого сечения увеличивает длину пути носителей тока в направлении движения диска в 5-10 раз по сравнению с радиальным движением тока в неразделенном диске 2, что значительно усиливает внешнее магнитное поле за счет магнитного поля тока генератора 4 в сегментах ротора 1, что приводит к увеличению электромагнитного вращающего момента двигателя.
Пример выполнения солнечного магнитного двигателя.
На горизонтальный медный диск 2 диаметром 150 мм толщиной 2 мм (фиг. 2) через слой стеклоткани приклеен генератор из 4 скоммутированных последовательно солнечных элементов 5 из кремния, выполненных из 
диска диаметром 150 мм. Токовывод генератора 4 со стороны диска 2 соединен с ободом диска 2. Токовывод генератора 4 на рабочей освещаемой поверхности соединен с верхней вертикальной полуосью 10 из бронзы диаметром 6 мм. Диск 2 в центре соединен с нижней полуосью 19 из бронзы диаметром 6 мм. Постоянный Nd магнит 6 диаметром 150 мм и толщиной 30 мм с центральным отверстием 12 мм установлен осесимметрично под диском 2. Полуоси 10 и 19 имеют магнитную подвеску из кольцевых магнитов и скользящие контакты 11 и 13 к торцам полуосей 10 и 19. При стандартном солнечном освещении плотностью потока 1000 Вт/м2 ток генератора 4 составляет 1,33 А, скорость вращения 300 об/мин, напряжение на нагрузке 1,5 В, электрическая мощность на нагрузке 2 Вт. В качестве нагрузки 16 использованы светодиоды.
Преимуществом предлагаемого солнечного двигателя является круговая симметрия магнитного поля в диске 2 и отсутствие потерь от вихревых токов при вращении ротора 1 в осесимметричном магнитном поле, так как напряженность магнитного поля в роторе, в отличие от прототипа, не изменяется во времени.
По сравнению с прототипом солнечный магнитный двигатель создает электромагнитный вращающий момент на валу и вырабатывает электрическую энергию на нагрузке, то есть выполняет функции двигателя и генератора. Солнечный магнитный двигатель является обратимой электрической машиной. При вращении диска 2 от постороннего механического двигателя между осью 19 и ободом 14 диска 2 появляется напряжение, которое суммируется с напряжением генератора при надлежащем выборе полярности полюсов магнита и направления вращения. В результате увеличивается электрическая мощность и КПД преобразования солнечной энергии.
1. Солнечный магнитный двигатель, содержащий ротор с осью вращения, подшипниками и электрической обмоткой, соединенной с токовыводами генератора из скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, размещенных на поверхности ротора, а также постоянный магнит, плоскость которого параллельна оси ротора, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде диска из проводящего материала с осью вращения, содержащей две изолированные друг от друга полуоси ротора, одна из которых соединена с диском, а вторая - с одним из токовыводов генератора, на диске с одной стороны через изолирующий слой закреплен осесимметрично генератор, постоянный магнит установлен осесимметрично с другой стороны диска и имеет площадь поверхности, соизмеримую с поверхностью диска, токовыводы генератора соединены непосредственно с полуосью ротора и с одним из контактов диска, а полуось ротора и второй контакт к диску соединены через два скользящих контакта с двумя внешними неподвижными проводниками и внешней нагрузкой.
2. Солнечный магнитный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что токовывод в центре генератора со стороны диска соединен с центром диска, один скользящий контакт выполнен через полуось ротора, соединенную с центром генератора со стороны, противоположной диску, а второй скользящий контакт выполнен к ободу диска.
3. Солнечный магнитный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что токовывод генератора со стороны диска соединен с ободом диска, а скользящие контакты выполнены через полуось ротора, соединенную с центром генератора со стороны, противоположной диску, и через полуось ротора, соединенную с центром диска.
4. Солнечный магнитный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что ось вращения ротора содержит одну полуось, соединенную с диском, один токовывод генератора со стороны диска соединен с одним из контактов диска, а второй токовывод в центре генератора со стороны, противоположной диску, и второй контакт к диску соединены через два скользящих контакта с двумя внешними неподвижными проводниками и внешней нагрузкой.
5. Солнечный магнитный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что диск выполнен из немагнитного материала, например из меди.
6. Солнечный магнитный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что нагрузка выполнена в виде химического аккумулятора электрической энергии или суперконденсатора.
7. Солнечный магнитный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что нагрузка выполнена в виде светодиодов.
8. Солнечный магнитный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что постоянный магнит установлен неподвижно с зазором относительно диска и имеет отверстие в центре с зазором относительно оси ротора.
9. Солнечный магнитный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что постоянный магнит закреплен на оси с возможностью вращения.
10. Солнечный магнитный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что каждый подшипник выполнен в виде магнитной подвески из двух осесимметричных кольцевых постоянных магнитов с зазором между ними, один из постоянных магнитов закреплен на оси ротора, второй закреплен неподвижно.
11. Солнечный магнитный двигатель, содержащий ротор с осью вращения, подшипниками и электрической обмоткой, соединенной с токовыводами генератора из скоммутированных солнечных элементов с р-n-переходами, размещенных на поверхности ротора, а также постоянный магнит, плоскость которого параллельна оси ротора, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде диска из проводящего материала с осью вращения, содержащей две изолированные друг от друга полуоси ротора, одна из которых соединена с центром диска, а вторая полуось - с одним из токовыводов генератора, диск состоит из изолированных криволинейных сегментов, соединенных между собой параллельно на оси и на ободе диска, границы между сегментами выполнены в виде логарифмической золотой спирали с координатами
где r и θ - радиус-вектор и угол радиуса вектора в полярной системе координат;
- параметр золотого сечения;
α - постоянная, определяющая размер спирали и диска,
направления ветвей спирали совпадают с направлением вращения ротора, с одной стороны диска через изолирующий слой закреплен осесимметрично генератор, постоянный магнит установлен осесимметрично с другой стороны диска и имеет площадь поверхности, соизмеримую с поверхностью диска, токовыводы генератора соединены непосредственно с полуосью ротора и с одним из контактов диска, а полуось ротора и второй контакт к диску соединены через два скользящих контакта с двумя внешними неподвижными проводниками и внешней нагрузкой.
12. Солнечный магнитный двигатель по п. 11, отличающийся тем, что токовывод в центре генератора со стороны диска соединен с центром диска, один скользящий контакт выполнен через полуось ротора, соединенную с центром генератора со стороны, противоположной диску, а второй скользящий контакт выполнен к ободу диска.
13. Солнечный магнитный двигатель по п. 11, отличающийся тем, что токовывод генератора со стороны диска соединен с ободом диска, а скользящие контакты выполнены через полуось ротора, соединенную с центром генератора со стороны, противоположной диску, и через полуось ротора, соединенную с центром диска.
14. Солнечный магнитный двигатель по п. 11, отличающийся тем, что ось вращения ротора с подшипником соединена с диском со стороны, противоположной генератору, один токовывод генератора со стороны диска соединен с одним из контактов диска, а второй токовывод в центре генератора со стороны, противоположной диску, и второй контакт к диску соединены через два скользящих контакта с двумя внешними неподвижными проводниками и внешней нагрузкой.
15. Солнечный магнитный двигатель по п. 11, отличающийся тем, что диск выполнен из немагнитного материала, например из меди.
16. Солнечный магнитный двигатель по п. 11, отличающийся тем, что нагрузка выполнена в виде химического аккумулятора электрической энергии или суперконденсатора.
17. Солнечный магнитный двигатель по п. 11, отличающийся тем, что нагрузка выполнена в виде светодиодов.
18. Солнечный магнитный двигатель по п. 11, отличающийся тем, что постоянный магнит установлен неподвижно с зазором относительно диска и имеет отверстие в центре с зазором относительно оси ротора.
19. Солнечный магнитный двигатель по п. 11, отличающийся тем, что постоянный магнит закреплен на оси ротора с возможностью вращения.
20. Солнечный магнитный двигатель по п. 11, отличающийся тем, что каждый подшипник выполнен в виде магнитной подвески на двух осесимметричных кольцевых постоянных магнитов с зазором между ними, один из постоянных магнитов закреплен на оси ротора, второй закреплен неподвижно.
