Солнечный электромагнитный двигатель (варианты)
Владельцы патента RU 2751789:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) (RU)
Изобретение относится к электротехнике, в частности к двигателям постоянного тока с постоянным магнитом, использующим солнечный фотоэлектрический генератор для питания обмотки ротора. Технический результат заключается в более полном использовании энергии солнечных элементов и увеличении их напряжения, а также в снижении потерь в роторе за счёт исключения скользящих контактов, увеличения количества постоянных магнитов, изменения конфигурации магнитного поля и использования импульсного питания электрических обмоток. В солнечном электромагнитном двигателе, содержащем ротор с осью вращения, фотоэлектрический генератор из скоммутированных солнечных элементов с р-n-переходами, соединенный с электрическими катушками, статор и постоянный магнит, ротор выполнен в виде цилиндра, на боковой поверхности которого установлены в несколько рядов с зазором между рядами плоские постоянные магниты. Постоянные магниты в каждом ряду закреплены с зазором между магнитами в одной плоскости, проходящей через ось вращения ротора. Соседние магниты в каждом ряду ориентированы по отношению друг к другу противоположными полюсами. Каждая граница зазора между магнитами в каждом ряду расположена в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора. Ориентация магнитов во всех рядах совпадает. Напротив каждого ряда магнитов ротора вдоль каждого зазора между магнитами в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, установлены одной из сторон электрические катушки статора. В другом варианте противоположная сторона каждой катушки статора развёрнута в статоре на 180° и установлена в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора вдоль соседнего зазора между соседними в ряду магнитами с противоположной ориентацией полюсов. Фотоэлектрический генератор из скоммутированных солнечных элементов установлен на статоре и соединён через диод, накопитель энергии и устройство импульсной коммутации с электрическими катушками. Устройство импульсной коммутации содержит датчик контроля расположения катушки статора в зазоре магнитов ротора и коммутатор подачи импульсного тока и напряжения на электрические катушки статора от фотоэлектрического генератора. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности, к двигателям постоянного тока с постоянным магнитом, использующим солнечный фотоэлектрический генератор для питания обмотки ротора.
Известен солнечный магнитный двигатель Мендосино, содержащий ротор с осью вращения, подшипниками и электрической обмоткой, соединенной с токовыводами фотоэлектрического генератора из скоммутированных солнечных элементов с р-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.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является солнечный магнитный двигатель Стребкова, содержащий ротор с осью вращения, подшипниками и электрической обмоткой, соединенной с токовыводами фотоэлектрического генератора из скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, размещенных на поверхности ротора, а также постоянный магнит, плоскость которого параллельна оси ротора (патент РФ № 2684638, опубл. 11.04.2019, Бюл.№ 11). 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.
Недостатком известного солнечного магнитного двигателя является низкое напряжение и большие токи в роторе, которые приводят к потерям на электрическом сопротивлении ротора. Другим недостатком являются потери энергии на скользящих контактах к ротору.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования солнечной энергии и электрического КПД солнечного электромагнитного двигателя.
Технический результат заключается в более полном использовании энергии солнечных элементов и увеличении их напряжения, а также в снижении потерь в роторе за счёт исключения скользящих контактов, увеличения количества постоянных магнитов, изменения конфигурации магнитного поля и использования импульсного питания электрических обмоток.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом солнечном электромагнитном двигателе, содержащем ротор с осью вращения, фотоэлектрический генератор из скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, соединенный с электрическими катушками, статор и постоянный магнит, согласно изобретению, ротор выполнен в виде цилиндра, на боковой поверхности которого установлены в несколько рядов с зазором между рядами плоские постоянные магниты, постоянные магниты в каждом ряду закреплены с зазором между магнитами в одной плоскости, проходящей через ось вращения ротора, соседние магниты в каждом ряду ориентированы по отношению друг к другу противоположными полюсами, каждая граница зазора между магнитами в каждом ряду расположена в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, ориентация магнитов во всех рядах совпадает, напротив каждого ряда магнитов ротора вдоль каждого зазора между магнитами в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, установлены одной из сторон электрические катушки статора, фотоэлектрический генератор из скоммутированных солнечных элементов установлен на статоре и соединён через диод, накопитель энергии и устройство импульсной коммутации с электрическими катушками, устройство импульсной коммутации содержит датчик контроля расположения катушки статора в зазоре магнитов ротора и коммутатор подачи импульсного тока и напряжения на электрические катушки статора от фотоэлектрического генератора.
В варианте солнечного электромагнитного двигателя катушки статора соединены последовательно.
В другом варианте солнечного электромагнитного двигателя катушки статора соединены параллельно.
Еще в одном варианте солнечного электромагнитного двигателя катушки статора соединены последовательно в секции, а секции соединены параллельно.
В варианте солнечного электромагнитного двигателя датчик контроля расположения стороны катушки в зазоре магнитов ротора выполнен в виде датчика Холла.
В другом варианте солнечного электромагнитного двигателя датчик контроля расположения стороны катушки в зазоре магнитов ротора выполнен в виде светодиода с отражателем и фотоприёмника.
Технический результат достигается также тем, что в предлагаемом солнечном электромагнитном двигателе, содержащем ротор с осью вращения, фотоэлектрический генератор из скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, соединённый с электрическими катушками, статор и постоянный магнит, согласно изобретению ротор выполнен в виде цилиндра, на боковой поверхности которого установлены с зазором между рядами в несколько рядов плоские постоянные магниты, в каждом ряду постоянные магниты закреплены с зазором между магнитами в одной плоскости, проходящей через ось вращения ротора, соседние магниты в каждом ряду ориентированы по отношению друг к другу противоположными полюсами, каждая граница зазора между магнитами в каждом ряду расположена в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, ориентация магнитов во всех рядах совпадает, напротив каждого ряда магнитов ротора вдоль зазора между магнитами в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, установлены одной из сторон электрические катушки статора, противоположная сторона каждой катушки статора развёрнута в статоре на 180° и установлена в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора вдоль соседнего зазора между соседними в ряду магнитами с противоположной ориентацией полюсов, фотоэлектрический генератор из скоммутированных солнечных элементов установлен на статоре и соединён через диод, накопитель энергии и устройство импульсной коммутации с электрическими катушками, устройство импульсной коммутации содержит датчик контроля расположения катушки статора в зазоре магнитов ротора и коммутатор подачи импульсного тока и напряжения на электрические катушки статора от фотоэлектрического генератора.
В варианте солнечного электромагнитного двигателя катушки статора соединены последовательно.
В другом варианте солнечного электромагнитного двигателя катушки статора соединены параллельно.
Еще в одном варианте солнечного электромагнитного двигателя катушки статора соединены последовательно в секции, а секции соединены параллельно.
В варианте солнечного электромагнитного двигателя датчик контроля расположения стороны катушки в зазоре магнитов ротора выполнен в виде датчика Холла.
В другом варианте солнечного электромагнитного двигателя датчик контроля расположения стороны катушки в зазоре магнитов ротора выполнен в виде светодиода с отражателем и фотоприёмника.
Солнечный электромагнитный двигатель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен солнечный электромагнитный двигатель с рядами постоянных магнитов на роторе с одной электрической катушкой на статоре для каждой пары магнитов в каждом ряду, поперечное сечение.
На фиг. 2 расположение постоянных магнитов на роторе с одной электрической катушкой на статоре для каждой пары магнитов, осевое сечение.
На фиг. 3 солнечный электромагнитный двигатель с рядами постоянных магнитов на роторе с одной электрической катушкой на статоре для двух соседних пар магнитов в соседних рядах, поперечное сечение.
На фиг. 4 расположение постоянных магнитов на роторе и электрических катушек на статоре, с одной катушкой для двух соседних пар магнитов в соседних рядах, осевое сечение.
На фиг. 5 представлено расположение постоянных магнитов на роторе и направление токов в катушках статора при последовательном соединении катушек статора.
На фиг. 6 показано направление токов в катушках статора при их расположении в зазоре между торцами постоянных магнитов ротора.
Солнечный электромагнитный двигатель на фиг. 1 содержит ротор 1 с осью вращения 2, фотоэлектрический генератор 3 из скоммутированных солнечных элементов с р-n переходами, соединённый с электрическими катушками 4, статор 5 и постоянные магниты 6. Ротор 1 на фиг. 2 выполнен в виде цилиндра 7, на боковой поверхности 8 которого установлены осесимметрично в несколько рядов 9 с зазором между рядами плоские постоянные магниты 6, постоянные магниты 6 в каждом ряду 9 закреплены с зазором 10 между магнитами 6 в одной плоскости 11, проходящей через ось вращения 2 ротора 1. Соседние магниты 6 в каждом ряду 9 ориентированы по отношению друг к другу торцевыми поверхностями с противоположными полюсами 12, каждая граница 13 зазора 10 между магнитами 6 в каждом ряду 9 расположена в плоскости 14, перпендикулярной оси вращения 2 ротора 1, ориентация магнитов 6 во всех рядах 9 совпадает.
На статоре 5 напротив каждого ряда 9 магнитов 6 ротора 1 вдоль каждого зазора 10 между магнитами 6 в плоскости 14, перпендикулярной оси вращения 2 ротора 1, установлены одной из сторон 15 электрические катушки 4 статора 5. Фотоэлектрический генератор 3 из скоммутированных солнечных элементов установлен на статоре 5 и соединён через диод 16, накопитель энергии 17 и устройство импульсной коммутации электрических катушек 4. Устройство 18 импульсной коммутации содержит датчик 19 контроля расположения катушки 4 статора 3 в зазоре 10 магнитов 6 ротора 1 и коммутатор 20 подачи импульсного тока и напряжения на электрические катушки 4 статора 5 от фотоэлектрического генератора З.
Катушки 4 статора 5 соединены последовательно, а датчик 19 контроля расположения стороны 15 катушки 4 в зазоре 10 магнитов 6 ротора 1 выполнен в виде датчика Холла 21.
В солнечном электромагнитном двигателе на фиг. 3 напротив каждого ряда 9магнитов 6 ротора 1вдоль зазора 10 между магнитами 6 в плоскости 14, перпендикулярной оси вращения 2 ротора 1, установлены одной из сторон 15 электрические катушки 4 статора 5.
На фиг. 4 противоположная сторона 22 каждой катушки 4 статора 5 развёрнута в статоре на 180° и установлена в плоскости 25, перпендикулярной оси вращения 2 ротора 1 вдоль соседнего зазора 24 между соседними в ряду 9 магнитами 25 с противоположной ориентацией полюсов.
Фотоэлектрический генератор 3 из скоммутированных солнечных элементов установлен на статоре 5 и соединён через диод 16, накопитель энергии 17 и устройство 18 импульсной коммутации электрических катушек 4, устройство 18 импульсной коммутации содержит датчик 19 контроля расположения катушки 4 статора 5 в зазоре 10 магнитов 6 ротора 1 и коммутатор 20 подачи импульсного тока и напряжения на электрические катушки 4 статора 5 от фотоэлектрического генератора 3. Катушки 4 статора 5 соединены последовательно, а датчик 19 контроля расположения стороны катушки 4 в зазоре 10 магнитов ротора выполнен в виде светодиода, отражателя 26 на торце магнитов 6 и фотоприёмника 27.
На фиг. 5 постоянные магниты 6 установлены на роторе 1 торцевыми поверхностями разноимёнными полюсами 28 и 29 друг к другу с зазором 10 между магнитами.
На фиг. 5 показано направление токов в электрических катушках 4 статора 5 в зазоре 10 между магнитами 6 ротора 1. Направление токов во всех электрических катушках в одном зазоре 10 между магнитами 6 совпадает. В другом зазоре 30 между магнитами 6 с противоположной полярностью направление токов также одинаково и противоположно направлению токов в зазоре 10. Сила тяги в результате взаимодействия магнитных полей электрических катушек 4 и постоянных магнитов 6 складывается, что приводит к увеличению скорости вращения и мощности солнечного электромагнитного двигателя.
Роль фотоэлектрического генератора 3 заключается в импульсном питании электрических катушек 4 статора при их прохождении в зазоре постоянных магнитов 6 ротора. Наличие накопителя электрической энергии 17 обеспечивает снижение затрат энергии на импульсное питание электрических катушек 4 статора.
На фиг. 6 одна сторона 15 каждой катушки 4 статора 5 установлена в зазоре 10. Высота 30 катушки 4 меньше величины зазора 10 между магнитами 4 на 0,5-5 мм. Ось симметрии 31 катушек 4 параллельна оси вращения 2 ротора 1.
На фиг. 6 показано направление токов в электрических катушках 4 статора при их последовательном соединении в трёх зазорах между постоянными магнитами 6 в осевом сечении ротора 1. Знак означает направление тока от наблюдателя, знак 
̶ направление тока к наблюдателю.
Изменение направления тока обеспечивается изменением направления обмотки электрических катушек 4 и при их последовательной коммутации. Изменение направления тока коррелируется с изменением полярности торцевых поверхностей магнитов в зазоре, что приводит к синхронному увеличению числа оборотов и мощности солнечного электромагнитного двигателя.
Солнечный электромагнитный двигатель работает следующим образом. Фотоэлектрический генератор 3 (фиг. 1) преобразует солнечное излучение в электрическую энергию. Электрическая энергия через блокирующий диод 16 поступает и накапливается в накопителе энергии 17. В качестве накопителя 17 используют конденсатор или аккумулятор. Датчик 19 контроля положения катушек 4 ротора 1 на основе датчика Холла при расположении катушки 4 в зазоре 10 магнитов 6 ротора 1 включает коммутатор 20, который выполнен в виде твёрдотельного реле. Электрический ток от накопителя 17 поступает во все последовательно соединённые катушки 4 статора 5. Импульсные токи в катушках 4 ротора 1 возбуждают магнитное поле, которое ортогонально магнитному полю постоянных магнитов 6 ротора 1.
Взаимодействие магнитных полей ротора 1 и статора 5 приводит к вращению ротора. Длительность импульса тока через катушки 4 равно времени нахождения датчика Холла и катушки 4 в зазоре 10 магнитов 6 ротора 1. Длительность паузы между импульсами тока и скважность импульсов определяется скоростью вращения ротора 1 и расстоянием между соседними магнитами 6 на роторе 1, которое равно расстоянию между катушками 4 на статоре 5. Направление вращения ротора изменяют путём изменения полярности напряжения на катушках 4 статора 5.
Примеры выполнения солнечного электромагнитного двигателя.
Пример I. Ротор 1 (фиг. 1) выполнен в виде цилиндра 7 из стеклотекстолита диаметром 120 мм длиной 120 мм.
На роторе 1 осесимметрично установлено 8 рядов 9 постоянных магнитов 6. В каждом ряду установлено четыре постоянных магнита 6 с зазором 10 между ними. Плоскости магнитов 6 в каждом ряду расположены в осевой плоскости 11. Каждый магнит 6 N52 имеет размеры 25 х 12 х 10 мм с магнитной индукцией В2 = 1,45 Тл и максимальной энергией ВНмакс = 400 кДж/м3. На статоре 5 установлено 8 рядов катушек 4 из провода диаметром 1 мм. В каждом ряду установлено три катушки 4 в плоскости 14, перпендикулярной оси вращения 2 ротора 1. Число витков в каждой катушке 4 равно 1008.
Фотоэлектрический генератор 3 из кремниевых солнечных элементов с р-n переходами имеет напряжение 220 В, размеры 50x50 мм. Ёмкость конденсатора накопителя 17 равна 110 мкФ. Напряжение на ёмкости 17 составляет 150 В, импульсный ток 10 мА. Скорость вращения ротора 1 составляет 400 об/мин.
Пример 2. На роторе 22 диаметром 120 мм (фиг. 2) через 45° установлено 8 рядов 9 постоянных магнитов 23 и 24 Nd - Fe - BN 52 размером каждый 25 х 12 х 10 мм. Зазор 10 между постоянными магнитами 6 составляет 13 мм.
На статоре 5 через 45° установлены 8 рядов электрических катушек 4. Число витков в каждой катушке 100, диаметр провода 0,2 мм, ширина катушки 35 мм, длина 45 мм, общая длина витков составляет 16 м. Активное сопротивление катушки 230 Ом. Напряжение фотоэлектрического генератора 3 составляет 110 В, ток 5 мА, потребляемая мощность 0,5 Вт, размеры 50 х 50 мм, ёмкость накопителя 17 равна 200 мкФ. Напряжение на ёмкости 60 В, импульсный ток 30 мА. Скорость вращения ротора 1 составляет 500 об/мин.
Достоинством предлагаемого солнечного электромагнитного двигателя является высокое напряжение и малые токи в электрических катушках, низкая потребляемая энергия и отсутствие потерь на вихревые токи, на затенение солнечных элементов и на трение в скользящих контактах.
1. Солнечный электромагнитный двигатель, содержащий ротор с осью вращения, фотоэлектрический генератор из скоммутированных солнечных элементов с р-n-переходами, соединённый с электрическими катушками, статор и постоянный магнит, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде цилиндра, на боковой поверхности которого установлены в несколько рядов с зазором между рядами плоские постоянные магниты, постоянные магниты в каждом ряду закреплены с зазором между магнитами в одной плоскости, проходящей через ось вращения ротора, соседние магниты в каждом ряду ориентированы по отношению друг к другу противоположными полюсами, каждая граница зазора между магнитами в каждом ряду расположена в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, ориентация магнитов во всех рядах совпадает, напротив каждого ряда магнитов ротора вдоль каждого зазора между магнитами в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, установлены одной из сторон электрические катушки статора, фотоэлектрический генератор из скоммутированных солнечных элементов установлен на статоре и соединён через диод, накопитель энергии и устройство импульсной коммутации с электрическими катушками, устройство импульсной коммутации содержит датчик контроля расположения катушки статора в зазоре магнитов ротора и коммутатор подачи импульсного тока и напряжения на электрические катушки статора от фотоэлектрического генератора.
2. Солнечный электромагнитный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что катушки статора соединены последовательно.
3. Солнечный электромагнитный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что катушки статора соединены параллельно.
4. Солнечный электромагнитный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что катушки статора соединены последовательно в секции, а секции соединены параллельно.
5. Солнечный электромагнитный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что датчик контроля расположения стороны катушки в зазоре магнитов ротора выполнен в виде датчика Холла.
6. Солнечный электромагнитный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что датчик контроля расположения стороны катушки в зазоре магнитов ротора выполнен в виде светодиода с отражателем и фотоприёмника.
7. Солнечный электромагнитный двигатель, содержащий ротор с осью вращения, фотоэлектрический генератор из скоммутированных солнечных элементов с р-n-переходами, соединённый с электрическими катушками, статор и постоянный магнит, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде цилиндра, на боковой поверхности которого установлены с зазором между рядами в несколько рядов плоские постоянные магниты, в каждом ряду постоянные магниты закреплены с зазором между магнитами в одной плоскости, проходящей через ось вращения ротора, соседние магниты в каждом ряду ориентированы по отношению друг к другу противоположными полюсами, каждая граница зазора между магнитами в каждом ряду расположена в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, ориентация магнитов во всех рядах совпадает, напротив каждого ряда магнитов ротора вдоль зазора между магнитами в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, установлены одной из сторон электрические катушки статора, противоположная сторона каждой катушки статора развёрнута в статоре на 180° и установлена в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора вдоль соседнего зазора между соседними в ряду магнитами с противоположной ориентацией полюсов, фотоэлектрический генератор из скоммутированных солнечных элементов установлен на статоре и соединён через диод, накопитель энергии и устройство импульсной коммутации с электрическими катушками, устройство импульсной коммутации содержит датчик контроля расположения катушки статора в зазоре магнитов ротора и коммутатор подачи импульсного тока и напряжения на электрические катушки статора от фотоэлектрического генератора.
8. Солнечный электромагнитный двигатель по п. 7, отличающийся тем, что катушки статора соединены последовательно.
9. Солнечный электромагнитный двигатель по п. 7, отличающийся тем, что катушки статора соединены параллельно.
10. Солнечный электромагнитный двигатель по п. 7, отличающийся тем, что катушки статора соединены последовательно в секции, а секции соединены параллельно.
11. Солнечный электромагнитный двигатель по п. 7, отличающийся тем, что датчик контроля расположения стороны катушки в зазоре магнитов ротора выполнен в виде датчика Холла.
12. Солнечный электромагнитный двигатель по п. 7, отличающийся тем, что датчик контроля расположения стороны катушки в зазоре магнитов ротора выполнен в виде светодиода с отражателем и фотоприёмника.
