Результат интеллектуальной деятельности: СОЛНЕЧНЫЙ МАГНИТНЫЙ ГЕНЕРАТОР (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к электрическим машинам с постоянными магнитами и солнечными модулями.

Известен магнитный генератор Фарадея, содержащий медный диск, который приводится во вращение между полюсами подковообразного магнита и двух скользящих контактов, которые расположены у края диска и около оси вращения. Магнитный генератор Фарадея является обратимой электрической машиной, при подаче напряжения на скользящие контакты магнитный генератор превращается в магнитный двигатель Фарадея (Суханов Л.А., Сафиуллина Р.К., Бобков Ю.А. Электрические униполярные машины. М., ВНИИЭМ, 1964, С. 8-12). Известный магнитный генератор имеет равномерное не изменяющееся во время работы магнитное поле в роторе, что снижает потери на вихревые токи и ЭДС самоиндукции.

Недостатком известного магнитного генератора являются низкая мощность и невозможность его использования в качестве солнечного генератора электрической энергии.

Другим недостатком являются большой ток и низкое напряжение генератора, что приводит к потерям электрической энергии в скользящих контактах и проводах.

Известен солнечный магнитный двигатель Мендосино, содержащий ротор с осью вращения, подшипниками и электрической обмоткой, соединенной с токовыводами солнечного модуля из скоммутированных солнечных элементов с p-n переходами, размещенных на боковой поверхности ротора, а также неподвижный постоянный магнит, плоскость которого параллельна оси ротора. Мотор состоит из ротора многоугольного (обычно квадратного) сечения, насаженного на вал. Ротор имеет два набора обмоток с питанием от солнечных модулей. Вал расположен горизонтально, на каждом его конце находится постоянный кольцевой магнит. Магниты на валу обеспечивают левитацию, так как они находятся над отталкивающими магнитами, расположенными в основании. Дополнительный магнит, находящийся под ротором, создает магнитное поле для обмоток ротора. Когда свет падает на один из солнечных модулей, она генерирует электрический ток, который течет по обмотке ротора. Этот ток создает магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнита под ротором. Это взаимодействие приводит ротор во вращение. При вращении ротора следующий солнечный модуль перемещается к свету и возбуждает ток во второй обмотке. Процесс повторяется до тех пор, пока на модули падает солнечный свет. Можно провести аналогию с работой коллекторного двигателя постоянного тока: вместо щеточного электрического коллектора в данном двигателе используется «световой коллектор». (Larry Spring's Magnetic Levitation Mendocino Brushless Solar Motorwww.larryspring.com/sub06_motors.html)

В известном солнечном магнитном генераторе для вращения ротора используется закон электромагнитной индукции Фарадея, электрическая энергия для питания обмоток ротора поступает от солнечного модуля.

Недостатком известного солнечного двигателя является невозможность его использования в качестве генератора электрической энергии.

Другим недостатком известного солнечного магнитного двигателя является низкая мощность из-за затенения ротором 75% площади солнечных модулей, установленных на неосвещаемой поверхности ротора.

Еще одним 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 мощности, напряжения и эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую энергию в солнечном магнитном генераторе.

Технический результат заключается в более полном использовании энергии солнечных модулей 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 генераторе, содержащем ротор с осью вращения с установленным на роторе солнечным модулем с рабочей поверхностью, на которую падает излучение, и тыльной поверхностью, электрическую обмотку, соединенную с токовыводами солнечного модуля, а также неподвижный постоянный магнит статора, согласно изобретению, солнечный модуль закреплен тыльной поверхностью осесимметрично через изолирующую прокладку на торце токопроводящей оси ротора, ротор выполнен в виде проводящего диска, закрепленного осесимметрично на оси ротора под солнечным модулем с зазором на расстоянии от тыльной поверхности солнечного модуля, токовывод от тыльной поверхности солнечного модуля соединен с электрической обмоткой в виде беличьей клетки, которая соединена с ободом проводящего диска ротора, основной постоянный магнит статора установлен осесимметрично с зазором 0,5-5 мм под проводящим диском ротора, изолирован от оси ротора и имеет площадь поверхности, соизмеримую с площадью проводящего диска ротора, по окружности беличьей клетки солнечного магнитного генератора установлены неподвижно в виде цилиндра соосно с осью ротора одноименными полюсами к оси ротора дополнительные постоянные магниты статора, плоскости которых перпендикулярны плоскости основного постоянного магнита статора, один токовывод солнечного магнитного генератора выполнен в виде скользящего контакта к токовыводу на рабочей поверхности в центре солнечного модуля, второй токовывод солнечного магнитного генератора выполнен в виде скользящего контакта к оси вращения ротора, а размеры дополнительных магнитов статора связаны с размерами проводящего диска ротора и расстоянием между ротором и тыльной поверхностью солнечного модуля соотношениями

H≥h, мм

D>d, мм,

где H и D высота и внутренний диаметр цилиндрической поверхности дополнительных постоянных магнитов статора;

h - расстоянием между проводящим диском ротора и тыльной поверхностью солнечного модуля;

d - диаметр проводящего диска ротора.

В варианте солнечного магнитного генератора проводящий диск ротора выполнен из немагнитного материала, например, из алюминия или меди.

В другом варианте солнечного магнитного генератора проводящий 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.

Технический результат достигается также тем, что в солнечном магнитном генераторе, содержащем ротор с осью вращения с установленным на роторе солнечным модулем с рабочей поверхностью, на которую падает излучение, и тыльной поверхностью, электрическую обмотку, соединенную с токовыводами солнечного модуля, а также неподвижный постоянный магнит статора, согласно изобретению, солнечный модуль закреплен тыльной поверхностью осесимметрично через изолирующую прокладку на торце токопроводящей оси ротора, ротор выполнен в виде проводящего диска, закрепленного осесимметрично на оси ротора под изолирующей прокладкой и солнечным модулем с зазором на расстоянии от изолирующей прокладки на тыльной поверхности солнечного модуля, токовыводы солнечного модуля соединены с нагрузкой и с выводами электрической обмотки, выполненной в виде тороидальной катушки на каркасе из электроизоляционного материала и закрепленной под изолирующей прокладкой солнечного модуля осесимметрично на оси ротора, основной постоянный магнит статора установлен осесимметрично с зазором под проводящим диском ротора, изолирован от оси ротора и имеет площадь поверхности, соизмеримую с площадью проводящего диска ротора, по окружности тороидальной катушки установлены неподвижно в виде цилиндра соосно с осью ротора одноименными полюсами к оси ротора дополнительные постоянные магниты статора, плоскости которых перпендикулярны плоскости основного постоянного магнита статора, один токовывод солнечного магнитного генератора выполнен в виде скользящего контакта к ободу проводящего диска ротора, который соединен с нагрузкой и через разделительный диод с токовыводом солнечного модуля, второй токовывод солнечного магнитного генератора выполнен в виде скользящего контакта к оси вращения ротора, а размеры дополнительных магнитов статора связаны с размерами тороидальной катушки соотношениями

H≥h_k, мм

D>d_k, мм,

где H и D высота и внутренний диаметр цилиндрической поверхности дополнительных постоянных магнитов статора;

h_k - высота тороидальной катушки;

d_k - диаметр тороидальной катушки.

Еще в одном варианте солнечного магнитного генератора проводящий диск ротора выполнен из немагнитного материала, например, из алюминия или меди.

В другом варианте солнечного магнитного генератора проводящий 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.

Технический результат достигается также тем, что , содержащий ротор с осью вращения с установленным на роторе солнечным модулем с рабочей поверхностью, на которую падает излучение, и тыльной поверхностью, электрическую обмотку, соединенную с токовыводами солнечного модуля, а также неподвижный постоянный магнит статора, согласно изобретению, солнечный модуль закреплен тыльной поверхностью осесимметрично через изолирующую прокладку на торце токопроводящей оси ротора, ротор выполнен в виде проводящего диска, закрепленного осесимметрично на оси ротора под изолирующей прокладкой и солнечным модулем с зазором на расстоянии от изолирующей прокладки на тыльной поверхности солнечного модуля, токовыводы солнечного модуля соединены с нагрузкой и с выводами электрической обмотки, выполненной в виде тороидальной катушки на каркасе из электроизоляционного материала и закрепленной под изолирующей прокладкой солнечного модуля осесимметрично на оси ротора, основной постоянный магнит статора установлен осесимметрично с зазором под проводящим диском ротора, изолирован от оси ротора и имеет площадь поверхности, соизмеримую с площадью проводящего диска ротора, по окружности тороидальной катушки установлены неподвижно в виде цилиндра соосно с осью ротора одноименными полюсами к оси ротора дополнительные постоянные магниты статора, плоскости которых перпендикулярны плоскости основного постоянного магнита статора, один токовывод солнечного магнитного генератора выполнен в виде скользящего контакта к ободу проводящего диска ротора, который соединен с нагрузкой и через разделительный диод с токовыводом солнечного модуля, второй токовывод солнечного магнитного генератора выполнен в виде скользящего контакта к оси вращения ротора, соединен с другим токовыводом нагрузки и со вторым токовыводом солнечного модуля, а размеры дополнительных магнитов статора связаны с размерами тороидальной катушки соотношениями

H≥h_k, мм

D>d_k, мм,

где H и D - высота и внутренний диаметр цилиндрической поверхности дополнительных постоянных магнитов статора;

h_k - высота тороидальной катушки;

d_k - диаметр тороидальной катушки.

В другом варианте солнечного магнитного генератора проводящий диск ротора выполнен из немагнитного материала, например, из алюминия или меди.

Еще в одном варианте солнечного магнитного генератора проводящий 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.

Солнечный магнитный генератор иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлена конструкция солнечного магнитного генератора с электрической обмоткой в виде беличьей клетки; на фиг. 2 - солнечный магнитный генератор с электрической обмоткой в виде тороидальной катушки; на фиг. 3 - солнечный магнитный генератор с параллельным соединением электрических цепей солнечного модуля и дискового ротора; на фиг. 4 - вид в плане дискового ротора с четырьмя сегментами, границы которых выполнены в виде золотой логарифмической спирали.

Солнечный магнитный генератор на фиг. 1 содержит ротор 1 с осью вращения 2 с установленным на роторе солнечным модулем 3 с рабочей поверхностью 4, на которую падает излучение, и тыльной поверхностью 5, электрическую обмотку 6, соединенную с токовыводами 7 и 8 солнечного модуля 3, а также неподвижный постоянный магнит 9 статора. Солнечный модуль 3 закреплен тыльной поверхностью 5 осесимметрично через изолирующую прокладку 10 на торце 11 токопроводящей оси 2 ротора. Ротор 1 выполнен в виде проводящего диска 12, закрепленного осесимметрично на оси 2 ротора под солнечным модулем 3 с зазором на расстоянии h от тыльной поверхности5 солнечного модуля 3. Токовывод 8 от тыльной поверхности 5 солнечного модуля 3 соединен c электрической обмоткой в виде беличьей клетки 13 с ободом 14 проводящего диска 12 ротора. Основной постоянный магнит 9 статора установлен осесимметрично с зазором под проводящим диском 12 ротора, изолирован от оси 2 ротора и имеет площадь поверхности, соизмеримую с площадью проводящего диска 12 ротора, по окружности электрической обмотки в виде беличьей клетки 13 солнечного магнитного генератора

установлены неподвижно в виде цилиндра соосно с осью 2 ротора одноименными полюсами к оси 2 ротора дополнительные постоянные магниты15 статора, плоскости 16 которых перпендикулярны плоскости 17 основного постоянного магнита 9 статора, один токовывод 18 солнечного магнитного генератора выполнен в виде скользящего контакта 19 к токовыводу 7 на рабочей поверхности 4 в центре солнечного модуля 3, второй токовывод 20 солнечного магнитного генератора выполнен в виде скользящего контакта 21 к оси вращения 2 ротора, а размеры дополнительных магнитов 15 статора связаны с размерами проводящего диска 12 ротора и расстоянием между ротором 1 и тыльной поверхностью 5 солнечного модуля 3 соотношениями

H≥h, мм

D>d, мм,

где H и D - высота и внутренний диаметр цилиндрической поверхности 22 дополнительных постоянных магнитов 15 статора;

h - расстоянием между проводящим диском 12 ротора 1 и тыльной поверхностью 5 солнечного модуля 3;

d - диаметр проводящего диска 12 ротора 1.

Проводящий диск 12 ротора 1 выполнен из немагнитного материала, например, из алюминия или меди.

На фиг. 2 токовывод 8 от тыльной поверхности 5 солнечного модуля 3 соединен с одним выводом 23 электрической обмотки 24, выполненной в виде тороидальной катушки 25 на каркасе 26 из электроизоляционного материала и закрепленной под изолирующей прокладкой 27 солнечного модуля 3 осесимметрично на оси 2 ротора 1, второй вывод 28 электрической обмотки 24 соединен с ободом 14 проводящего диска 12 ротора 1, по окружности тороидальной катушки 25 установлены неподвижно в виде цилиндра 29 соосно с осью 2 ротора 1 одноименными полюсами к оси 2 ротора дополнительные постоянные магниты 15 статора, плоскости 16 которых перпендикулярны плоскости 17 основного постоянного магнита 9 статора, а размеры дополнительных магнитов 15 статора связаны с размерами тороидальной катушки 25 соотношениями

H≥h_k, мм

D>d_k, мм,

где H и D - высота и внутренний диаметр цилиндрической поверхности дополнительных постоянных магнитов статора;

h_k - высота тороидальной катушки ротора;

d_k - диаметр тороидальной катушки.

На фиг. 3 токовыводы 7 и 8 солнечного модуля соединены с нагрузкой R_н и с выводами 23 и 28 электрической обмотки 24, выполненной в виде тороидальной катушки 25 на каркасе 26 из электроизоляционного материала и закрепленной под изолирующей прокладкой 27 солнечного модуля 3 осесимметрично на оси 2 ротора 1. Один токовывод 30 ротора 1 выполнен в виде скользящего контакта 31 к ободу 14 проводящего диска 12 ротора 1. Токовывод 30 ротора соединен с одним токовыводом нагрузки R_н и через разделительный диод 32 соединен с токовыводом 7 солнечного модуля 3. Второй токовывод 32 ротора 1 выполнен в виде скользящего контакта 33 к оси вращения 2 ротора 1 и соединен с другим токовыводом нагрузки R_н. Второй вывод 32 соединен с токовыводом 8 солнечного модуля 3 проводниками 34 и 35.

На фиг. 4 проводящий диск 36 ротора 1 состоит из четырех изолированных друг от друга криволинейных сегментов 37, соединенных между собой параллельно на оси 2 и на ободе 14 проводящего диска 12 ротора 1, границы 38 между сегментами 37 выполнены в виде логарифмической золотой спирали 39 с координатами

,

где r и θ - радиус вектор и угол радиуса вектора в полярной системе координат;

- параметр золотого сечения;

α - постоянная, определяющая размер спирали 39 и проводящего диска 12. Направления ветвей спирали 39 совпадают с направлением вращения ротора 1. Сегменты 37 соединены между собой параллельно в центре у оси 2 проводящего диска 12 и на ободе 14 диска 12 за счет того, что границы 38 между сегментами 37 начинаются на некотором расстоянии от оси 2 и центра проводящего диска 12, где R - радиус оси ротора, и заканчиваются на расстоянии δ от обода 14 проводящего диска 12.

Солнечный магнитный генератор работает следующим образом (фиг. 1).

При освещении солнечного модуля 3 при наличии внешней нагрузки R_н вольтамперная характеристика (BАХ) солнечного модуля 3 имеет вид:

,

где V, I - напряжение и ток солнечного модуля при сопротивлении нагрузки R_н;

I_ф - фототок;

I_кз - ток короткого замыкания генератора при R_н=0;

I_s - темновой ток насыщения;

R_ш - сопротивление, шунтирующее p-n переход;

k - постоянная Больцмана;

Т - температура, К;

А - коэффициент, учитывающий отклонение ВАХ от идеальной;

R_н - последовательное сопротивление, включающее внутреннее сопротивление солнечного модуля 3, сопротивление скользящих контактов 19 и 21 проводящего диска 12 и внешних проводников 37 и 38.

При R_n = 0, V = 0 ток короткого замыкания I_кз=I_ф.

В солнечном модуле 3 при малом R_n максимальный ток I при оптимальной нагрузке R_н незначительно, но отличается от тока I_кз:

Это позволяет использовать солнечный модуль 3 для питания внешней нагрузки 39.

При освещении солнечного модуля 3 солнечным излучением через электрическую обмотку 6, а также между ободом 14 и центром проводящего диска 12 через внешние неподвижные проводники 37 и 38 и сопротивление нагрузки протекает ток I.

Взаимодействие магнитных полей дополнительных постоянных магнитов 15 статора и тока в электрической обмотке 6 приводит к вращению обмотки 6 и ротора 1 вокруг оси 2.

При вращении ротора 1 в магнитном поле постоянного магнита 9 возникает эффект униполярной индукции, и в проводящем диске 12 возникает напряжение между центром и ободом 14 проводящего диска 12, которое пропорционально произведению числа оборотов на магнитный поток (Электрические униполярные машины. Под ред. Л.А. Суханова. - М.: ВНИЭМ, 1964. - 136 с.)

При вращении проводящего диска 12 между центром и ободом проводящего диска 12 возникают токи, которые своим магнитным полем усиливают внешнее магнитное поле постоянного магнита 9. 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 проводящего диска 12 изменяют путем изменения полярности полюсов дополнительных постоянных магнитов 9 или изменением полярности выводов электрической обмотки 6.

Напряжение солнечного модуля 3 и напряжение на проводящем диске 12 на фиг. 1 и 2 складываются при последовательном соединении токовыводов солнечного модуля 3 с контактами проводящего диска 12, что приводит к увеличению мощности солнечного магнитного генератора. Ток I солнечного модуля 3 при последовательном соединении равен току в проводящем диске 12 ротора 1 и току, протекающему через солнечный модуль 3, нагрузку Rн и скользящие контакты 19 и 21.

На фиг. 4 токи через нагрузку солнечного модуля 3 и ток в проводящем диске 12 складываются при параллельном соединении цепи солнечного модуля и магнитного генератора, что также приводит к увеличению мощности солнечного магнитного генератора.

На фиг. 4 разделение проводящего диска 12 на сегменты 37производят путем фрезерования границ 38 сегментов 37 или путем удаления части медного покрытия на границах 38 сегментов 37 при использовании в качестве проводящего диска 12 фольгированного стеклотекстолита с медным покрытием.

Разделение проводящего диска 12 на криволинейные изолированные сегменты 37 с границами 38 в виде логарифмических спиралей золотого сечения увеличивает длину пути носителей тока электронов в направлении движения диска в 5-10 раз по сравнению с радиальным движением тока в неразделенном проводящем диске 12, что значительно усиливает внешнее магнитное поле за счет магнитного поля тока в сегментах 37 ротора 1 и приводит к увеличению напряжения и мощности солнечного магнитного генератора.

Пример выполнения солнечного магнитного генератора.

На горизонтальный медный диск 12 диаметром d = 100 мм толщиной 1 мм (фиг. 2) через слой стеклоткани приклеен солнечный модуль 3 из двух скоммутированных последовательно солнечных элементов из кремния, выполненных из половины диска диаметром 100 мм. Токовывод 8 солнечного модуля 3 с тыльной поверхности 5 соединен с выводом 23 электрической обмотки 24, выполненной в виде тороидальной катушки 25 из 60 витков, расположенных на пластиковом каркасе высотой h = 30 мм. Второй вывод 28 электрической обмотки 24 соединен с ободом проводящего диска 12. Токовывод солнечного модуля 3 на рабочей освещаемой поверхности и соединен в центре солнечного модуля 3 со скользящим контактом 19. Проводящий диск 12 в центре соединен с осью 2 из латуни диаметром 6 мм. Постоянный Nd магнит 9 диаметром 100 мм и толщиной 5 мм с центральным отверстием 8 мм закреплен неподвижно осесимметрично под проводящим диском 12.

По окружности диаметром D = 110 мм вокруг тороидальной катушки 25 с зазором 5 мм установлены постоянные магниты 15 размером 30 × 20 × 5 мм, Н = 30 мм, обращенных северным полюсом к оси 2 ротора 1.

Ось вращения 2 закреплена на подшипнике 40, установленном на раме 41. При стандартном солнечном освещении плотностью потока 1000 Вт/м² рабочий ток солнечного модуля 3 составляет 2 А, напряжение солнечного модуля 1 В, электрическая мощность 2 Вт, скорость вращения 500 об/мин, напряжение на нагрузке 1,5 В, электрическая мощность солнечного магнитного генератора на нагрузке 3 Вт. В качестве нагрузки использована аккумуляторная батарея.

Преимуществом предлагаемого солнечного магнитного генератора являются круговая симметрия магнитного поля в проводящем диске 12 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 генератор создает при взаимодействии магнитных полей ротора и статора вращающий момент на валу и вырабатывает электрическую энергию на нагрузке, то есть выполняет функции двигателя и генератора. При вращении проводящего диска 12 между центром и ободом 14 проводящего диска 12 появляется напряжение, которое суммируется с напряжением солнечного модуля при надлежащем выборе полярности полюсов магнитов 9 и 15,полярности напряжения на электрической обмотке и направления вращения. В результате увеличиваются электрическая мощность солнечного магнитного генератора и эффективность преобразования солнечной энергии.