Патент на изобретение №2329586
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) ГЕНЕРАТОР МЕХАНИЧЕСКОЙ ВРАЩАТЕЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ)
(57) Реферат:
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для получения механической вращательной энергии, возникающей в результате взаимодействия магнитного поля и магнитного поля нескольких отрезков проводника с током. Генератор механической вращательной энергии выполнен в виде немагнитного колеса, установленного осью-ступицей на подшипниках неподвижной немагнитной вилки. Его ось-ступица и обод соединены между собой К спицами, расположенными на одинаковом угловом расстоянии
Изобретение относится к области получения механической вращательной энергии, возникающей за счет взаимодействия магнитного поля внешнего пространства, например магнитного поля Земли, и магнитного поля нескольких Автономных эквивалентов отрезка проводника с током [1] (далее по тексту – Эквивалент), перемещающихся во вращательном движении поперек магнитно-силовых линий этого внешнего магнитного поля. В технической и патентной литературе устройств, аналогичных предлагаемому генератору механической вращательной энергии, не обнаружено. Целью генератора механической вращательной энергии (далее по тексту Генератор) является, при помещении Генератора во внешнее магнитное поле (1-ый вариант), получение механической вращательной энергии, которая может быть использована для получения электрической энергии, путем конструктивного объединения Генератора и генератора электрического тока – электрогенератора. Указанная цель достигается тем, что используется сила, действующая на Автономный эквивалент отрезка проводника с током [1] (далее по тексту – Эквивалент), помещенный в магнитное поле внешнего пространства, в частности в магнитное поле Земли. В данном описании Эквивалентом названа (в соответствии с [1]) совокупность декларируемых в формуле изобретения полого тонкостенного цилиндрического тела из сверхпроводникового материала, вокруг стенки которого в продольном направлении намотана сверхпроводниковая обмотка, вводы которой подключены к сверхпроводниковому устройству импульсной накачки магнитного потока- Вводы этого устройства накачки магнитного потока, т.е. вводы Эквивалента, через коллекторные кольца и скользящие контакты подключены к источнику электропитания. При этом Генератор выполнен (см. фиг.1) в виде изготовленного из немагнитного материала колеса, установленного осью-ступицей 1 на подшипниках немагнитной вилки 2, ось-ступица и обод 3 которого соединены между собой К спицами, расположенными на одинаковом угловом расстоянии Целью изобретения по 2-му варианту является исключение зависимости от магнитного поля внешнего пространства и создание самодостаточности системы Генератор – электрогенератор. Указанная цель достигается тем, что в Генератор (см. фиг.1 и фиг.4), содержащий изготовленное из немагнитного материала колесо, установленное осью 6 оси-ступицы 1 на подшипниках неподвижной немагнитной вилки, с установленными на спицах 4 колеса, соосно с ними, эквивалентами отрезка проводника с током (далее Эквиваленты) 5, укрепленный на оси-ступице двухполюсный кольцевой электроколлектор 7, к каждому кольцу которого единообразно подсоединены вводы каждого Эквивалента, к кольцам электроколлектора через скользящие контакты 8 и через замкнутые ключи (и/или через размыкаемые разъемы) подключен отключаемый источник электропитания (ОИЭП) предварительной, первоначальной запитки Эквивалентов током, а к оси оси-ступицы присоединена механическая нагрузка – электрогенератор, например, сверхпроводниковый униполярный электрогенератор, в Генератор в плоскости вращения колеса и соосно с этим колесом, снаружи, установлен и укреплен на вышеупомянутой вилке индуктор 9 [4, гл.18] – сверхпроводниковая кольцевая катушка возбуждения магнитного поля, запитываемая от источника электропитания через устройство накачки магнитного потока [3, гл.Х1], например, через циклический трансформатор апериодического тока [4, гл.10, §10.4], создающая в плоскости вращения колеса Генератора поперечное магнитное поле, причем все сверхпроводниковые элементы Генератора до времен появления сверхпроводниковых материалов, не требующих охлаждения, помещены в криостаты, создающие и поддерживающие условия функционирования сверхпроводниковых элементов Генератора в сверхпроводящем состоянии. Целью изобретения по п.3 является расширение конструктивно-компоновочных возможностей, заключающееся в том, что, в отличие от плоского расположения элементов Генератора (1-го и 2-го вариантов), в Генераторе 3-го варианта расположение его элементов приводит к возможности применения объемной компоновки, т.е. позволяет, увеличив длину Генератора вдоль его оси, уменьшить его диаметр, не ухудшая мощностных параметров. Такая возможность позволяет сконструировать Генератор так, чтобы его можно было поместить в удлиненное пространство ограниченного диаметра, например, в корпусе ракеты, что при плоской конструкции Генератора приводит к определенным трудностям. Указанная цель достигается тем, что изготовленное из немагнитного материала колесо, установлено осью-ступицей на подшипниках немагнитной вилки, ось-ступица и обод которого соединены между собой несколькими спицами, расположенными на одинаковом угловом расстоянии На фиг.1 изображен генератор механической вращательной энергии (Генератор). На фиг.2 показаны обозначения размеров и некоторых величин, необходимых для описания работы Генератора. На фиг.3 приведен рисунок [2, рис.156], иллюстрирующий результат взаимодействия магнитного поля внешнего пространства и циркулярного магнитного поля линейного тока, в нашем случае – тока Эквивалента [1]. На фиг.4 приведена упрощенная схема электро-механических соединений Генератора (системы Генератор-электрогенератор). На фиг.1 и фиг.4 позициями обозначено: 1 – ось-ступица колеса Генератора; 2 – неподвижная немагнитная вилка (или корпус Генератора); 3 – обод колеса; 4 – спицы с установленными на них Эквивалентами; 5 – Эквиваленты (включающие в себя тонкостенное тело из сверхпроводникового материала, вокруг стенки которого в продольном направлении намотана сверхпроводниковая обмотка, вводы которой подключены к выходным выводам устройства импульсной накачки магнитного потока); 6 – ось (вал) оси-ступицы 1, к которой механически подсоединен ротор (якорь) электрогенератора; 7 – кольца электроколлектора, установленные через изолирующую прокладку на оси-ступице 1 Генератора, 8 – вводы электропитания, через скользящие контакты и кольца электроколлектора единообразно соединенные со вводами Эквивалентов; 9 – индуктор Генератора (включающий в себя последовательно соединенные кольцевую сверхпроводниковую катушку и устройство импульсной накачки магнитного потока). На фиг.4 обозначено: УНМП – устройство накачки магнитного потока; БУ – блок управления; СПУЭГ – сверхпроводниковый униполярный электрогенератор; ДСВ – датчик скорости вращения оси (вала) Генератора; ЭН – электропагрузка, например; сверхпроводниковый индуктивный накопитель электроэнергии (СПИНЭ) и/иди криогенная аппаратура, предназначенная для поддержания сверхпроводящего состояния сверхпроводниковых элементов и устройств Генератора; ОИЭП – отключаемый источник электропитания, предназначенный для первоначальной (предварительной) запитки током Эквивалентов 5 и индукторов 9; МН – механическая нагрузка. Угловыми стрелками обозначены цепи сигналов управления, тонкими стрелками – цепи электропитания. [Поскольку в предлагаемом Генераторе применен Эквивалент [1], то данную заявку можно отнести к разряду заявок «на применение». Однако Генераторов, подобных предлагаемому, не известно, поэтому данную заявку следует отнести к разряду заявок «на устройство»]. Работа Генератора основана на особых свойствах примененных в нем Эквивалентов [1]. Эквивалент – это электромагнитно-силовой элемент, представляющий собой полое тонкостенное протяженное тело, выполненное из сверхпроводникового материала, вокруг стенки которого в продольном направлении намотана сверхпроводниковая, замкнутая через внутренний источник электропитания, включающий в себя схему управления и защиты [4, гл.10, рис.10.2, рис.10.3] и устройство накачки магнитного потока [3, гл.Х1], или, например, циклический трансформатор апериодического тока [4, гл.10, §10.4), обмотка, по которой протекает незатухающий ток. Полое тонкостенное протяженное сверхпроводниковое тело («труба») в сверхпроводящем состоянии является «идеальным» диамагнитным экраном [11, с.72-75, 13, с.65, 66, 72-75], экранирующим части витков обмотки, расположенные в его полости как от магнитного поля наружной части обмотки, так и от магнитного поля внешнего пространства. Предполагается, что до времен, когда появятся сверхпроводниковые материалы, не требующие охлаждения, каждый Эквивалент и иные сверхпроводниковые узлы заключены в криостат и приведены в сверхпроводящее состояние. Токи витков обмотки (при ее запитке током) индуцируют в сверхпроводящей поверхности экрана суммарный ток, направление которого совпадает с продольным направлением тока в проводе обмотки. Токи обмотки и экрана генерируют циркулярные магнитные поля, которые снаружи обмотки циркулируют вокруг продольной оси Эквивалента в том же направлении и, складываясь, простираются в бесконечность. Магнитные поля, создаваемые обратными токами обмотки и экрана в полости экрана, практически полностью взаимно компенсируются так, что суммарное магнитное поле в полости экрана практически равно нулю. Можно сказать, что сверхпроводящий экран экранирует токи и поля, циркулирующие в его полости, то есть они никак не проявляют себя снаружи Эквивалента. Наружные поля также практически не проникают в полость экрана [11, с.72-75; 13] и не взаимодействуют с полями полости, тем более, что суммарное значение полей токов обмотки и экрана в полости экрана равно нулю. Таким образом, Эквивалент представляет собой как бы отрезок проводника, в поверхности которого ток обмотки и ток экрана протекают в одном и том же продольном направлении от одного конца Эквивалента к другому его концу. А как известно, [2, §76, §84], на отрезок проводника массы m, длины l, с продольным поверхностным током I, помещенный в магнитное поле внешнего пространства перпендикулярно магнитно-силовым линиям этого поля (т.е. перпендикулярно к вектору магнитной индукции В поля), действует (движущая) сила Ампера FA=B·l·I или m·а = B·l·I (т.к. FA=m·а), направление которой определяется правилом «левой руки» [2, §76, рис.111]. Результат взаимодействия магнитного поля внешнего пространства и циркулярного магнитного поля проводника (Эквивалента) проиллюстрирован рисунком [2, рис.156], представленным на фиг.3. Следовательно, с началом запитки Эквивалента, помещенного в магнитное поле, током dI от внешнего источника электропитания появится действующая на Эквивалент движущая сила, направленная перпендикулярно к продольной оси Эквивалента dFA=m·da=B·l·dI, где В нормальная составляющая магнитного поля внешнего пространства. В отсутствие поля тяготения отдельный (свободный) Эквивалент под действием силы dFA начнет перемещаться в пространстве внешнего магнитного поля с ускорением da=dFA/m=B·(l/m)·dI. А в Генераторе под действием на Эквиваленты силы dFA колесо начнет вращаться с возрастающей скоростью. В Генераторе процесс запитки каждого Эквивалента током dI (до некоторого значения Io) производится в соответствии с формулой [3, гл.Х1, (11.3); 4, ф-ла (10-1)] u=L·dI/dt или dI=(u/L)·dt, или dI/dt=u/L в течение времени То, пока полный ток Эквивалента (Io=Iэ+Iоб, [1]) не достигнет значения Io=(uo/L)·To, определяемого известными ограничивающими факторами (критический ток и критическая напряженность поля применяемых сверхпроводниковых материалов); здесь L – индуктивность Эквивалента. По прошествии времени Тo внешний источник электропитания первоначальной запитки отключается с одновременным замыканием обмотки каждого Эквивалента на внутренний источник питания, необходимый для компенсации резистивных потерь [3, с.187], а также для осуществления требуемых корректировок под управлением системы автоматического регулирования. Внутренним источником электропитания могут служить вышеупомянутые униполярный генератор, топологический генератор, а также предварительно запитанный электроэнергией сверхпроводниковый индуктивный накопитель электроэнергии [13, с.21-23] (далее, в рабочем режиме, питаемый электрогенератором). Формула, отображающая силовое взаимодействие прямолинейного тока Эквивалента и магнитного поля внешнего пространства, приобретает классический вид FA=m·а=B·l·Io. При вращательном движении Эквивалента в Генераторе (фиг.1, фиг.2) элементарная механическая работа, совершаемая током Iо Эквивалента, помещенного во внешнее магнитное поле с индукцией В, описывается формулой [2, §84]
где dS=l·r·d d l – длина Эквивалента, r – расстояние от оси Генератора до середины Эквивалента (плечо). Поскольку FA=m·a=B·l·I, то r·d Если каждый Эквивалент Генератора выполнить, например, в соответствии со следующими размерами: – радиус экрана rэ=l/20=0,05·l, где l длина экрана ( – толщина стенки экрана bэ=0,01 dэ=0,02 rэ=0,001·l, то число витков, которое можно уложить в один слой вплотную (с некоторым зазором от поверхности экрана, приблизительно равным 50·10-6 м) на внутренней поверхности экрана, наматывая обмотку вокруг его стенки в продольном направлении сверхпроводниковым проводом [7, с.182, нижний провод] с диаметром dпр=400·10-6 м (rпр=200·10-6 м), будет w=2 Приняв для определенности, что длина Эквивалента l=1 м, найдем число витков обмотки w=6,28[0,05-(0,001+250·10-6)]/400·10-6=6,28·48,75·10-3/400·10-6=765 В [1] приведена формула для оценки индуктивности Эквивалента, полученная с использованием формул [12, гл.10], L=2·10-7·l·w[ln(2l/rоб)+ln(2l/rэ)+2ln(2l/(rоб-rэ))-4], где l – длина Эквивалента ( w – число витков обмотки, rоб – радиус наружного слоя обмотки (по осям провода), rэ – радиус наружной поверхности экрана, (rоб-rэ) – расстояние между поверхностью экрана и наружным слоем обмотки по осям провода, ln – натуральный логарифм. В процессе первоначальной запитки Эквивалента к моменту То средняя точка Эквивалента приобретет тангенциальную скорость При этом приращение ускорения средней точки Эквивалента будет da=(B·l/m)·dI=(B·l/m)·(dI/dt)·dt=(B·l/m)·(u/L)·dt, т.к. (dI/dt) u/L. Интегрирование дает ao А поскольку ao
или Таким образом, аo
[В вышеприведенных формулах u – некоторое, непосредственно не измеряемое напряжение; далее будет понятно, что u=w·Rэ·uоб.] В соответствии с [1], полный ток экрана Iэ, выраженный через полный ток обмотки Iоб, есть Iэ=Iоб·rэ/(rоб-rэ). Полный ток Эквивалента Io=Iэ+Iоб=Iоб·[rэ/(rоб-rэ)+1]=Iоб·Rэ, где Rэ=[rэ/(rоб-rэ)]+1, откуда Iэ=Iоб·(Rэ-1), а Io=Iоб·Rэ, причем полный ток в сечении наружного слоя обмотки Iоб=iоб·w, где iоб – ток, протекающий в проводе обмотки с числом витков w. Поэтому Iэ=iоб·w·(Rэ-1), Io=iоб·w·Rэ. Поскольку скорость нарастания тока в обмотке diоб/dt=uоб/L, то напряжение внешнего источника питания, приложенное к обмотке, будет uоб=L·diоб/dt. В [4, гл.10, с.101] отмечено, что обычно принимается diоб/dt К моменту То отключения внешнего источника питания и замыкания обмотки на внутренний источник питания, ток в проводе обмотки будет iоб=(uоб/L)·To=(diоб/dt)·To. Так как полный ток в сечении наружного слоя обмотки есть Iоб=iоб·w=(uоб/L)·То·w, и в наружной поверхности экрана Iэ=Iоб·(Rэ-1)=iоб·w·(Rэ-1)=w·(Rэ-1)·(uоб/L)·To, то полный ток Эквивалента (в его сечении) будет Iо=Iэ+Iоб=iоб·w·Rэ или Iо=(uоб·w/L)·Rэ·To, где Rэ=[rоб/(rоб-rэ)], откуда время первоначальной запитки можно определить как To=[(L/uоб·w)/Rэ]·Io. Таким образом, для тангенциальной скорости средней точки Эквивалента к моменту То можно записать
Следует отметить, что в последнем выражении величины, стоящие в знаменателе, четко указывают на то, что инерционность Эквивалента характеризуется инерционностью массы m, и инерционностью индуктивности L. Чем больше m и L, тем большее время, необходимо для достижения заданной скорости вращения Генератора. Для тангенциального ускорения средней точки Эквивалента можно записать ao аo Ранее было показано, что элементарная механическая работа, соответствующая току Iо Эквивалента, помещенного во внешнее магнитное поле, описывается формулой [2, §84; 6, гл.1.1-1.4, конкретно: §1.1.5, §1.3.1]:
Механическая мощность (мгновениая мощность) [6, гл.1.1-1.4; конкретно: §1.3.1] на валу Генератора, соответствующая одному Эквиваленту, т.е. элементарная работа, совершаемая в единицу времени одним Эквивалентом Генератора, равна: N1= (d r· используя FA=B·l·I=B·l·(iоб·w·Rэ), iоб=(uоб/L)·T,
N1=[(B·l·w)2/mL]·(Rэ)2·T2·(uоб/L)·uоб·T или N1=[(B·l·w)2/mL]·(Rэ)2·T2·(diоб/dt)2·L·T – механическая мгновенная мощность на валу Генератора, соответствующая одному Эквиваленту. NK=К·N1 – мощность, отдаваемая механической нагрузке, несколькими (К) Эквивалентами. Для получения наибольшей мощности в магнитном поле Земли Генератор следует устанавливать так, чтобы вектор магнитной индукции внешнею поля был параллелен оси Генератора. Эквиваленты Генератора должны запитываться током так, чтобы ток в наружной поверхности каждого Эквивалента, т.е. в наружной поверхности экрана и наружной части витков обмотки, протекал в одинаковом направлении либо от оси к ободу, либо, наоборот, от обода к оси. От направления этого тока зависит направление вращения колеса Генератора. При расположении Генератора в окрестности одного из магнитных полюсов Земли, где индукция вертикальной составляющей магнитного поля у поверхности Земли наибольшая и составляет около 70·10-6 Т [5, с.43], плоскость колеса Генератора должна быть перпендикулярна к магнитной оси Земли. Магнитно-силовые линии магнитного поля Земли, выходя из Южного магнитного полюса, огибают Землю и входят в нее в окрестности Северного магнитного полюса [5]. Однако в приведенных выше формулах не учтен один существенный факт. При перемещении в магнитном поле проводников со скоростью При запитке каждого Эквивалента током I от внешнего источника накачки тока напряжением u, колесо Генератора под действием силы FA=m·а=В·l·I начинает вращаться с возрастающей скоростью так, что тангенциальная скорость
Но с возрастанием скорости
Используя некоторые конкретные значения входящих в формулы величин: B=30·10-6 Т, l=1 м, m=100 кг, (diоб/dt)=1 А/с, L=3,2·10-3 Гн, uоб=L·(diоб/dt)=3,2·10-3 В, Rэ=201, w=750 вит., оценим, как изменяется тангенциальная скорость
Данные, приведенные в таблице, отображают неутешительный результат: колесо Генератора (если не принять никаких мер коррекции) вращается очень медленно, вложенные энергетические затраты никак не оправдываются, Для того чтобы Генератор работал эффективно при заданной, более высокой, тангенциальной скорости вращения v т.е. прежний вид, и все ранее приведенные формулы останутся в силе. Формула, характеризующая выходную мощность Генератора, останется прежней NK=K·(FA· При этом, т.к. напряжение u uкорр=[(В·l·w)2/(m·L)]·Rэ·Т2·uоб. Тогда, как и ранее, будет Принцип компенсации влияния эдс э.-м. индукции должен применяться как при начальной запитке Эквивалентов током, так и в рабочем режиме, т.е. после отключения внешнего источника электропитания и замыкания обмоток Эквивалентов через внутренние источники питания (например, как показано в [1], через систему накачки магнитного потока [3, гл.Х1; 4, гл.10]), с применением системы автоматического регулирования, служащие как для компенсации влияния эдс э.-м. индукции, так и для компенсации иных возможных потерь и удержания скорости вращения колеса Генератора в заданных пределах при изменяющихся электрической и механической нагрузках. Мощность, развиваемая источником питания для получения механической мощности N1, есть Nип=iип·uип=(uоб+uкорр)2·Т/L, [т.к. uип/L=iип/T, то iип=uип·T/L, a uип=(uоб+uкорр), поэтому Nип=iип·uип=(uоб+uкорр)2·T/L]; а поскольку uкорр=[(B·l·w)2/m·L)·Rэ·uоб·T2=[(B·l·w)2/m·L)·Rэ·L·(diоб/dt)·T2, то Nип={1+[(B·l·w)2/mL]·Rэ·T2}2·(uоб/L)·uоб·T= ={1+[(B·l·w)2/mL]·Rэ·T2}2·(diоб/dt)2·L·T; iип=(uоб+uкорр)·T/L – ток, посылаемый в обмотку источником питания, причем часть тока iкорр=uкорр·T/L направлена противоположно току iэми=u Таким образом, механическая мощность на валу Генератора, создаваемая одним Эквивалентом, есть N1=[(B·l·w)2/mL]·(Rэ)2·(uоб/L)·uоб·T3 или N1=[(B·l·w)2/mL]·(Rэ)2·T2·(diоб/dt)2·L·Т при затратах мощности источником питания Nип={1+[(B·l·w)2/mL]·Rэ·T2}2·(uоб/L)·uоб·T или Nип={1+[(B·l·w)2/mL]·Rэ·T2}2·(diоб/dt)2·L·T;
N1/Nип – отношение получаемой механической мощности к мощности, расходуемой источником электропитания (эффективность преобразования Генератора); n= Время To, при котором избыточная мощность
=[(B·l·w)2/mL]·(Rэ)2·(uоб·/L)·uоб·T3-{1+[(B·l·w)2/mL]·Rэ·T2}2·(uоб/L)·uоб·T= ={[(B·l·w)2/mL]·(Rэ)2·T3-2[(B·l·w)2/mL]·Rэ·T3-[(B·l·w)4/(mL)2]·(Rэ)2·T5-T}· ·(uоб/L)·uоб={[(B·l·w)2/mL]·[(Rэ)2-2·Rэ]·T3-[(B·l·w)4/(mL)2]·(Rэ)2·T5-T}· ·(uоб/L)·uоб. Условие экстремума: d(N1-Nип)/d(T)=0; (uоб/L)·uоб=(diоб/dt)2·L 5[(B·l·w)4/mL)2]·(Rэ)2·T4-3·[(B·l·w)2/mL]·[(Rэ)2-2Rэ]·T2+1=0 или T4-{3·(mL)·(Rэ-2)/[5·[B·l·w)2·Rэ}·T2+(mL)2/[5·[B·l·w)4·(Rэ)2]=0. Поэтому To=±[(m·L/10·Rэ)/(B·l·w)2]0,5·{3·(Rэ-2)±[9·(Rэ-2)2-20]0,5}0,5. Анализ полученных выше формул приводит к следующему. Поскольку To=±[(m·L/10·Rэ)/(B·l·w)2]0,5·{3·(Rэ-2)±[9·(Rэ-2)2-20]0,5}0,5, то квадрат времени выхода Генератора на оптимальный режим работы пропорционален массе, соответствующей одному Эквиваленту, т.е. (Тo)2m. (Следует отметить, что масса m включает в себя не только массу Эквивалента, но и соответствующую долю массы элементов вращающегося колеса Генератора и других вращающихся элементов, в частности, вращающихся элементов электрогенератора). Из формулы для То следует (на первый взгляд), что при заданном значении величины [mL/(B·l·w)2] время То зависит только от коэффициента Rэ. Однако в формулу входит величина L (индуктивность Эквивалента), которая также зависит от Rэ. Ранее была приведена формула оценки индуктивности Эквивалента [1]: L=2·10-7·l·w·{ln(2l/rоб)+ln(2l/rэ)+2ln[2l/(rоб-rэ)]-4}. С учетом того, что Rэ=[rэ/(rоб-rэ)]+1=[rоб/(rоб-rэ)] – коэффициент, показывающий, во сколько раз радиус наружной части обмотки rоб больше “зазора” (rоб-rэ) между наружной поверхностью экрана и центрами проводов наружной части однослойной обмотки Эквивалента; [rэ(rоб-rэ)]=Rэ-1; (rоб-rэ)=rэ/(Rэ-1); rоб=rэ·Rэ/(Rэ-1); для индуктивности L можно записать L=2·10-7·l·w·{4ln(2l/rэ)+3ln(Rэ-1)-ln(Rэ)-4}. Например, при l=1 м, rэ=0,05 м, w=750 вит. для Rэ=201 имеем Rэ-1=200, (rоб-rэ)=rэ/(Rэ-1)=0,05/200=250·10-6 м. 4ln(2l/rэ)=4ln40=4·3,6888=14,7552, 3ln(Rэ-1)=3ln200=15,9099, ln(Rэ)=ln201=4,6052, поэтому L=2·10-7·1·750·{14,7552+15,9099-4,6052-4}=3,158985·10-3 Гн. В [1] для обмотки выбран провод, радиус которого rпр=200·10-6 м (при радиусе сверхпроводниковой жилы rж=125·10-6 м), поэтому минимальный зазор между экраном и центрами проводов наружной части обмотки может составлять (rоб-rэ)мин=200·10-6 м. Следовательно, минимально возможный наружный радиус обмотки (при rэ=0,05 м) может быть rоб=rэ+rпр=0,05+200·10-6=0,050200 м. Минимальному зазору (rоб-rэ)мин=200·10-6 м соответствует максимально возможное значение коэффициента Rэ макс=[rэ/(rоб-rэ)мин]+1=[0,05/(200·10-6)]+1=251. Поэтому для Rэ макс=251 L=2·10-7·1·750·{4ln40+3ln250-ln251-4}=3,26913·10-3 Гн. Другим значениям Rэ соответствуют другие значения L. Ниже (табл.2) приведены результаты оценочных расчетов для заданных значений: В=30·10-6 Т, l=1 м, r=0,05 м, w=750 вит., m=100 кг, diоб/dt=1 А/с и ряда значений коэффициентов Rэ (от Rэ макс=251 до Rэ мин=3,4907119); при этом оценены: (rоб-rэ)=rэ/(Rэ-1) – значение величины зазора между поверхностью экрана и наружным слоем обмотки (по центрам проводов); L=2·10-7·1·750·{4·ln40+3·ln(Rэ-1)-ln(Rэ)-4} – индуктивность Эквивалента; To=±[(m·L/10·Rэ)/(B·l·w)2]0,5·{3·(Rэ-2)±[9·(Rэ-2)2-20]0,5}0,5 – момент времени выхода Генератора на оптимальный режим работы (когда избыточная мощность Генератора
N1=[(B·l·w)2/mL]·(Rэ)2·Т2·(diоб/dt)2·L·Т – получаемая механическая мощность; Nип={1+[(B·l·w)2/mL]·RэT2}2·{diоб/dt}2·L·T – затрачиваемая электрическая мощность;
N1/Nип – отношение получаемой механической мощности к мощности, расходуемой источником электропитания (эффективность Генератора); uоб=L·(diоб/dt) – результирующее напряжение, приложенное к обмотке; iоб=(uоб/L)·То=(diоб/dt)·То – ток в обмотке Эквивалента к моменту времени То; Iоб=iоб·w=(uоб/L)·w·To=(diоб/dt)·w·То=(diоб/dt)·w·To – полный (суммарный) ток в сечении наружной части обмотки, Iэ=Iоб·(Rэ-1)=iоб·w·(Rэ-1)=w·(Rэ-1)·(uоб/L)·То=w·(Rэ-1)·(diоб/dt)·To – полный ток в сечении наружной поверхности экрана; Io=Iэ+Iоб=iоб·w·Rэ=w·(uоб/L)·Rэ·Тo=w·(diоб/dt)·Rэ·To – полный (суммарный) ток в сечении наружной поверхности Эквивалента; FA=B·l·Io=(В·l·w)·iоб·Rэ=(B·l·w)·(uоб/L)·Rэ·To=(B·l·w)·Rэ·To·(diоб/dt) – движущая сила, приложенная к средней точке Эквивалента перпендикулярно к его оси; аo
n= uкорр=(B·l·w)· u uип=(uоб+uкорр) – напряжение источника электропитания, приложенное к обмотке Эквивалента; iип=(uоб+uкорр)·T/L – ток, посылаемый в обмотку источником питания, причем часть тока iкорр=uкорр·Т/L направлена противоположно току iэми=u Nип=iип·uип=(uоб+uкорр)2·T/L={1+[(B·l·w)2/mL]·Rэ·T2}2·(uоб/L)·uоб·T или Nип={1+[(B·l·w)2/mL]·Rэ·T2}2·(diоб/dt)2·L·T. Результаты расчетов сведены в таблицу 2. B=30·10-6 Т, l=1 м, r=0,05 м, w=750 вит., m=100 кг, diоб/dt=1 А/с;
Для определенности оценим динамику изменения различных величин в процессе первоначальной запитки Эквивалентов, соответствующем описанному ранее подходу, использующему коррекцию (компенсацию) влияния электромагнитной индукции. При расчетах воспользуемся следующими исходными параметрами Эквивалента: l=1 м длина; m=100 кг – масса; Rэ=rэ·/[(rоб-rэ)+1]=201; rэ=0,05·l=0,05 м – радиус экрана; (rоб-rэ)=250·10-6 м – расстояние от поверхности экрана до наружного слоя витков обмотки (но центрам провода); w=750 вит. – число витков обулотки, намотанной вокруг стенки экрана Эквивалента проводом с диаметром dпр=400·10-6 м (dж=250·10-6 м – диаметр сверхнроводниковой жилы) [7, с.181]; L=3,158985·103 Гн – расчетная индуктивность Эквивалента (при Rэ=201); В=30·10-6 Т; 60·10-6 Т – индукция (плотность магнитного потока) внешнего магнитного поля (В=30·10-6 Т – горизонтальная составляющая магнитного поля Земли в окрестности магнитного экватора, B=60·10-6 Т – вертикальная составляющая магнитного поля Земли в окрестности магнитных полюсов [5, с.43]); для В=30·10-6 Т время To=19,252729 с; для В=60·10-6 Т время Тo=9,6263653 с; (diоб/dt)=2А/с; 4А/с; 8А/с; 16А/с – скорость возрастания тока в проводе обмотки в процессе запитки. Результаты расчетов сведены в таблицы 3…6. B=30·10-6 T; (diоб/dt)=(uоб/L)=2A/c; L=3,158985·10-3 Гн; w=750 вит.; l=1 м; m=100 кг, uоб=L·(diоб/dt)=6,31797·10-3 B; rэ=0,05 м; (rоб-rэ)=250·10-6 м; Rэ=201;
B=60·10-6 T; (diоб/dt)=(uоб/L)=4A/c; L=3,158985·10-3 Гн; w=750 вит.; l=1 м; m=100 кг; rэ=0,05 м; (rоб-rэ)=250·10-6 м; uоб=L·(diоб/dt)=12,63594·10-3 В; Rэ=201;
В табл.5 и табл.6 отображена динамика изменения исследуемых величин в функции от заданной скорости изменения тока обмотки – (diоб/dt), А/с для случая, когда избыточная мощность B=30·10-6 Г; (diоб/dt)=2 A/c; 4 A/c; 8 A/c; L=3,158985·10-3 Гн; To=19,252729 с;
В=60·10-6; (diоб/dt)=4 A/c; 8 A/c; 16 А/с; L=3,158985·10-3 Гн; Тo=9,6263653 с;
Оценка в режиме предварительной запитки изменения мощностных параметров Генератора в функции от значения массы m, приводит к следующему. Для любых В, l, w, L и Rэ (постоянные величины), поскольку To=[(m·L/10·Rэ)/(B·l·w)2]0,5·{3·(Rэ-2)+[9·(Rэ-2)2-20]0,5}0,5=D·(m)0,5, то можно записать N1=[(B·l·w)2/mL]·(Rэ)2·(To)2·(diоб/dt)2·L·Тo=A·(diоб/dt)2·(m)0,5, Nип={1+[(B·l·w)2/mL]·Rэ·(To)2}2·(diоб/dt)2·L·To=С·(diоб/dt)2·(m)0,5, где A, C, D – постоянные величины для каждого набора В, l, w, L и Rэ. Поэтому для Rэ=201 N1/m=А·(diоб/dt)2/(m)0,5, Nип/m=С·(dtоб/dt)2/(m)0,5,
N1/Nип=(N1/m)/(Nип/m)=А/С=1,6555927=const. Таким образом, в режиме предварительной запитки, несмотря на то, что с увеличением массы относительная избыточная мощность Генератора Ранее при оценке работы Генератора в различных режимах масса вращающихся элементов Генератора была условно принята m=100 кг. Ниже, в табл.7, приведены результаты оценки влияния массы вращающихся частей Генератора, включая вращающиеся части механической нагрузки – электрогенератора, приходящейся на один Эквивалент. B=30·10-6 T; l=1 м; w=750 вит., L=3,158985·10-3 Гн; Rэ=201; (diоб/dt)=2 A/c; uоб=L·(diоб/dt)=6,31797·10-3 В;
Анализ данных таблицы 7 приводит к следующему выводу: для получения максимального значения избыточной мощности В соответствии с законом э.-м. индукции [2, §91] и с учетом явления самоиндукции [2, §93], эдс э. м. индукции, возникающая в Эквивалентах при их вращении в Генераторе, есть Поскольку в рабочем режиме, т.е. после переключения обмотки каждого Эквивалента на внутренний источник электропитания, напряжение коррекции, выдаваемое внутренним источником электропитания, как ранее найдено, должно быть uкорр=(B·l·w)· то для скорости изменения тока, выдаваемого внутренним источником электропитания, можно записать, что L·(diип/dt)=[(B·l·w)2/m·L)·Rэ·(To)2·L·(diоб/dt)=dФ/dt, откуда (diип/dt)=[(В·l·w)2/m·L)]·Rэ·(To)2·(diоб/dt), и, соответственно, dФ/dt=L·(diип/dt)=uкорр. Таким образом, в рабочем режиме для поддержания требуемого магнитного потока в Эквиваленте, закачанного в него в процессе первоначальной запитки от внешнего источника электропитания, внутренний источник электропитания, основой которого может быть устройство импульсной накачки магнитного потока (УНМП) [3, гл.Х1], например, УНМП с использованием циклического трансформатора апериодического тока [4, гл.10], должен выдавать в обмотку каждого Эквивалента ток, среднее значение скорости изменения которого должно быть (diип/dt)=[(В·l·w)2/m·L)]·Rэ·(Тo)2·(diоб/dt). Так для случая, соответствующего данным таблицы 3: B=30·10-6 Т; (diоб/dt)=2 А/с; L=3,158985·10-3 Гн; Тo=19,252729 с; w=750 вит.; l=1 м; m=100 кг; rэ=0,05 м; (rоб-rэ)=250·10-6 м; Rэ=201, имеем: (diип/dt)=[(30·10-6·1·750)2/(100·3,158985·10-3)·201·(19,252729)2·2=238,79658 А/с. Это соответствует (в рабочем режиме) среднему значению напряжения внутреннего источника электропитания (uип.pp=uкорр, при То=19,252729 с, см. табл.3): uип.рр=L·(diип/dt)=3,158985·10-3·238,79658=0,75435481 В и мощности внутреннего источника электропитания Nип.pp=uип.рр·(diип/dt)=uкорр·(diип/dt)=0,75435481·238,79658=180,13734 Вт. Следовательно, в рабочем режиме коэффициент преобразования электрической энергии в механическую энергию теперь будет N1/Nип.pp=5838,3976/180,13734=32,410812, А коэффициент преобразования электрической энергии внутреннего источника электропитания в избыточную электроэнергию, получаемую от электрогенератора, вращаемого Генератором, без учета КПД электрогенератора, который может быть 0,92…0,98 [2, Табл.18.1], потерь в устройстве накачки магнитного потока (КПД – 0,94-0,98) [3, гл.XI, §2; 4, гл.10, §10.4] и расхода электроэнергии ( (N1-Nип.pp)/Nип,pp=(5838,3976-180,13734)/180,13734=31,410812. Анализ результатов расчета, приведенных в таблицах 3…6, отображающих режим предварительной запитки Эквивалентов Генератора оптимальным током, и оценка параметров, соответствующих рабочему режиму Генератора, позволяет сделать следующий главный вывод: при выходе предложенного Генератора на оптимальный режим, т.е. когда избыточная мощность (N1-Nип,pp)/Nип,pp А это означает, что появляется возможность получения практически неограниченного количества электрической энергии без каких-либо существенных затрат невосполнимых энергоносителей (угля, нефти и т.п.). Работа Генератора в рабочем режиме заключается в следующем (см. фиг.1 и фиг.4 без учета индуктора 9). Согласно 1-му варианту формулы изобретения и [1], обмотка каждого Эквивалента 5, находящегося в сверхпроводящем состоянии, в режиме первоначальной запитки подключена через устройство импульсной накачки магнитного потока (УИМП) [3, гл.XI, 4, c.109-110] к внешнему отключаемому источнику электропитания (ОИЭП) постоянного тока. В процессе первоначальной запитки (в режиме «разгона» колеса Генератора) обмотка каждого Эквивалента 5 запитывается через УНМП от внешнего ОИЭП постоянного тока и к моменту времени То избыточная мощность механической энергии на валу Генератора достигает максимального значения Работа Генератора по 2-му варианту формулы изобретения (фиг.4) заключается в следующем. Предварительно (первоначально) от внешнего отключаемого источника электропитания (ОИЭП) запитывается находящийся в сверхпроводящем состоянии индуктор 9 и замыкается на внутренний источник электропитания, содержащий УНМП и систему автоматического регулирования, компенсирующую изменения тока, возникающие за счет возможных резистивных потерь и других влияющих факторов. Индуктор 9 создает магнитное поле, играющее для Эквивалентов 5 в Генераторе роль магнитного поля внешнего пространства. Затем от внешнего источника ОИЭП в течение времени To запитываются находящиеся в сверхпроводящем состоянии Эквиваленты 5 Генератора, которые под действием силы FA начинают вращать вал 6 и, соответственно, якорь СПУЭГ, на электродах токосъемного устройства, которого появляется напряжение uэг, и в момент времени То, когда Генератор выйдет на оптимальный режим работы ( u Работа Генератора по п.3 формулы изобретения аналогична работе Генератора по п.2 формулы. В этом случае производится предварительная запитка током двух индукторов. (На фиг.4 показан только один индуктор. Второй индуктор подключен аналогичным образом, но полярность его подключения к источнику питания – обратная.) С целью снижения вентиляционных потерь при работе Генератора (системы Генератор-Электрогенератор) в желательном режиме высоких скоростей вращения его следует поместить в герметизированный или заполненный водородом или гелием кожух [8, гл.3]. В [8] описаны также способы снижения других видов потерь. Следует отметить, что оценка характеристик и возможностей Электрогенератора проводилась на основе значительно устаревших сверхпроводниковых материалов гелиевых температур, разработанных в 70-х годах пошлого столетия. За прошедшие с того времени 30-40 лет техника сверхпроводников перешла в высокотемпературную область, в область температур сжиженного азота, удешевляющих эксплуатационные расходы более, чем в 300 раз [9, с.127]. Токовые и магнитнополевые параметры разработанных высокотемпературных сверхпроводниковых материалов возросли в десятки и более раз. Близится появление сверхпроводниковых материалов, не требующих охлаждения. Следует подчеркнуть главную особенность предлагаемого Электрогенератора – его уникальные, ранее неизвестные характеристики как источника получения дешевой и практически неограниченной энергии. Источники информации 1. Заявка на изобретение №2004119071 от 24.06.2004 г. “Автономный эквивалент отрезка проводника с током”, (ФИПС, отд.11, Л.В.Андреев). 2. С.Г.Калашников. Электричество. Изд. “Наука”, Гл. ред. физ.-мат. литературы, M., 1977 г. 3. В.Б.Зенкевич, В.В.Сычев. Магнитные системы на сверхпроводниках. М.: Наука, 1972 г. 4. А.И.Бертинов к др. Сверхпроводниковые электрические машины и магнитные системы. Под ред. д-ра техн. паук проф. Б.Л.Алиевского. Изд-во МАИ, М., 1993 г. 5. В.И.Почтарев, Б.З.Михлин. Тайна намагниченной Земли. М.: Педагогика, 1986 г. 6. Б.М.Яворский. Справочник по физике. Гл. ред. физ.-мат. лит., М.: Наука, 1980 г. 7. Дж.Уильямс. Сверхпроводимость и ее применение в технике. Изд. “Мир”, М., 1973 г. 8. Н.В.Гулиа. Инерция. М.: Наука, 1982 г. 9. Ф.Г.Патрунов. Ниже 120° по Кельвину. М.: Знание, 1989 г. 10. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока. Под ред. В.Е.Фортова. – М.: Наука, 2002. – 399 с. 11. Введенский В.Л., Ожогин В.И. Сверхчувствительная магнитометрия и биомагнетизм. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. – (Соврем, пробл. физики). – 200 с. 12. Нейман Л.Р., Демирчян К.С., Теоретические основы электротехники, т.2. Изд. Энергия, Ленинградское отделение, 1967. 13. С.И.Бондаренко, В.И.Шеремет. Применение сверхпроводимости в магнитных измерениях. Ленинград, Энергоатомиздат, Ленинградское отд., 1982, стр.59-65.
Формула изобретения
1. Генератор механической вращательной энергии, характеризующийся тем, что он выполнен в виде немагнитного колеса, установленного осью-ступицей на подшипниках неподвижной немагнитной вилки, его ось-ступица и обод соединены между собой К спицами, расположенными на одинаковом угловом расстоянии 2. Генератор механической вращательной энергии, характеризующийся тем, что он выполнен в виде немагнитного колеса, установленного осью-ступицей на подшипниках неподвижной немагнитной вилки, его ось-ступица и обод соединены между собой К спицами, расположенными на одинаковом угловом расстоянии 3. Генератор механической вращательной энергии, характеризующийся тем, что он выполнен в виде немагнитного колеса, установленного осью-ступицей на подшипниках неподвижной немагнитной вилки, его ось-ступица и обод соединены между собой К спицами, расположенными на одинаковом угловом расстоянии
РИСУНКИ
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
=2
/К, где К=2, 3, 4, …, на каждой из которых соосно, вплотную к ободу колеса и на некотором расстоянии от оси-ступицы установлено тонкостенное тело из сверхпроводникового материала. Вокруг его стенки в продольном направлении намотана сверхпроводниковая обмотка. Сверхпроводниковые элементы помещены в криостаты. Немагнитное колесо может быть размещено во внешнем магнитном поле, направление максимального значения вектора магнитной индукции которого перпендикулярно плоскости колеса, или в поперечном магнитном поле одной и двух сверхпроводниковых катушек, установленных с одной или с противоположных сторон. 3 н.п. ф-лы, 4 ил., 7 табл.
A=B·I·dS=B·l·I·r·d
,
·r·d
длина Эквивалента), диаметр экрана (% диаметр Эквивалента) dэ=l/10=0,1·l,
o
=FA·
=-В·l·
(uоб=const, T, u
lim 
N1=(N1-Nип) – полезная (избыточная) мощность, отдаваемая одним Эквивалентом;
0;
