Генерирование электрической энергии. Трансформаторы. Генераторы электрической энергии

Генерирование электрической энергии. Трансформаторы

В данной теме речь пойдёт о способах генерирования электрической энергии. А также изучим устройство простейшего трансформатора.

Электромагнитная индукция – это явление заключается в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает электрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитного потока. А полученный таким способом ток называется индукционным током.

Переменным называется ток, периодически изменяющийся со временем.

Для того чтобы в цепи существовал синусоидальный переменный ток, источник в этой цепи должен создавать переменное электрическое поле, изменяющееся синусоидально. На практике синусоидальная ЭДС создается генераторами переменного тока, работающими на электростанциях.

Генераторы — это электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую.

К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи и т.д.

В настоящее время также исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов. Так, например, разрабатываются и уже частично используются топливные элементы, в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно превращается в электрическую.

Область применения различных генераторов различна и определяется их характеристиками. Так, например, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но они не способны создать в цепи сколько-нибудь значимую силу тока. Гальванические же элементы наоборот могут дать большой ток, но продолжительность их невелика.

В современной энергетике применяют индукционные генераторы переменного тока, в которых используется явление электромагнитной индукции. Такие генераторы позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

В прошлой теме была рассмотрена простейшая модель такого генератора — рамка с током, вращающаяся в однородном магнитном поле вокруг своей оси.

В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей.

Ранее нами рассматривался пример получения индукционного тока в плоском контуре при его вращении в магнитном поле. На этом принципе и работает электромеханической генератор переменного тока. Неподвижная часть генератора, аналогичная магниту, называется статором, а вращающаяся, т. е. рамка, — ротором.

В мощных промышленных генераторах вместо постоянного магнита используется электромагнит.

Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим для увеличения потока вектора магнитной индукции.

В рассмотренной нами ранее модели генератора, вращается проволочная рамка, играющая роль ротора.

Разумеется, можно было бы поступить и наоборот, т.е. вращать магнит, а рамку оставить неподвижной. В больших промышленных генераторах приводится во вращение именно электромагнит.

Статор промышленного генератора представляет собой стальную станину цилиндрической формы (станина — это основная несущая часть машины, на которой монтируются различные рабочие узлы, механизмы и прочее). Во внутренней его части прорезаются пазы, в которые укладывается толстый медный провод. Именно в них и индуцируется переменный электрический ток при изменении пронизывающего их магнитного потока. Магнитное поле создается ротором. Он представляет собой электромагнит: на стальной сердечник сложной формы надета обмотка, по которой протекает постоянный электрический ток. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток; а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Ток к этой обмотке подводится через щетки и кольца от постороннего источника постоянного тока, называемого возбудителем.

На рисунке представлена полная схема генератора переменного тока. При вращении ротора какой-либо внешней механической силой, создаваемое им магнитное поле тоже вращается. При этом магнитный поток, пронизывающий витки обмотки статора, периодически меняется, в результате чего в них индуцируется переменный ток.

На тепловых электростанциях ротор генератора вращается с помощью паровой турбины, на гидроэлектростанциях — с помощью водяной турбины.

Обратите внимание, что ротор гидрогенератора имеет не одну, а несколько пар магнитных полюсов. Чем больше пар полюсов, тем больше частота переменного электрического тока, вырабатываемого генератором при данной скорости вращения ротора. Поскольку скорость вращения водяных турбин обычно невелика, то для создания тока стандартной частоты используют многополюсные роторы.

Таким образом, электрическую энергию производят на электростанциях. Но ее каким-то образом надо передать потребителям, часто находящимся очень далеко от станции. Для этого между станцией и потребителем строят линии электропередач.

Однако при передаче электроэнергии неизбежны потери, связанные с нагреванием проводов. Чем дальше от электростанции находится потребитель тока, тем больше энергии тратится на нагревание проводов и тем меньше доходит до потребителя.

Уменьшение потерь электроэнергии при ее передаче от электростанций к потребителям является важной народнохозяйственной задачей. Из закона Джоуля-Ленца следует, что уменьшить потери можно либо за счет уменьшения сопротивления проводов, либо уменьшения силы тока в них. Сопротивление проводов будет тем меньше, чем больше площадь их поперечного сечения и чем меньше удельное сопротивление металла, из которого они изготовлены. Провода делают из меди или алюминия, так как среди относительно недорогих металлов они обладают наименьшим удельным сопротивлением. Однако увеличивать же толщину проводов экономически невыгодно, т.к. это ведет к перерасходу дорогостоящего цветного металла, а также возникновению трудностей при закреплении проводов на столбах. Поэтому такой способ снижения потерь практически невозможен.

Поэтому существенного снижения потерь можно добиться только за счет уменьшения силы тока. Но приданной мощности уменьшение силы тока возможно лишь при увеличении напряжения. Без такого преобразования силы тока и напряжения передача электроэнергии на большие расстояния становится невыгодной из-за существенных потерь.

Так, электроэнергия Волжской ГЭС передается в Москву при напряжении 500 кВ, от Саяно-Шушенской ГЭС — при напряжении 750 кВ. Хотя на самих электростанциях генераторы вырабатывают электрическую энергию при напряжениях, не превышающих 20 кВ.

Решение этой важнейшей технической задачи стало возможным только после изобретения трансформатора — устройства, служащего для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.

Первый трансформатор был изобретен в 1876 году русским ученым Павлом Николаевичем Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей — нового в то время источника света. А первый технический трансформатор впервые создал Иван Филиппович Усагин в 1882 г.

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции. Простейший трансформатор представляет собой две изолированные друг от друга катушки (их еще называют обмотками), намотанные на общий замкнутый сердечник. По одной из обмоток (первичной) пропускается преобразуемый переменный ток, а вторичная обмотка соединяется с потребителем.

Переменный ток в первичной обмотке создает в сердечнике переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукциив витках каждой обмотки. Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле так, что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Мгновенное значение ЭДС индукции во всех витках первичной или вторичной обмотки одинаково. Согласно закону Фарадея, оно будет определяться формулой

e = –Ф’

где Ф’ — производная потока магнитной индукции по времени.

Если первичная обмотка имеет N1 витков, а вторичная N2 витков, то в обмотках индуцируются (без учета потерь на рассеивание магнитного потока) соответственно e1 и e2, а их отношение будет равно

Т.е. возникающие в катушках ЭДС индукции (или самоиндукции) пропорциональны числу витков в них.

Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь. В этом случае модуль напряжения на зажимах первичной обмотки примерно равен модулю суммарной ЭДС индукции.

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не идет, поэтому суммарная ЭДС индукции равна напряжению на зажимах вторичной обмотки.

Изменение мгновенных значений ЭДС происходит так, что они одновременно достигают максимума и одновременно проходят через ноль, т.е. изменяются синфазно. Поэтому их отношения можно заменить отношением действующих значений этих ЭДС или отношением действующих значений напряжений.

Отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной называют коэффициентом трансформации k.

В зависимости от того, какое значение принимает коэффициент трансформации, различают повышающий и понижающий трансформатор.

Его обычно определяют при холостом ходе трансформатора, т.е. при разомкнутой цепи вторичной обмотки.

Если коэффициент трансформации меньше единицы, то трансформатор называется повышающим, а если больше единицы — то понижающим.

При включении во вторичную цепь какой-либо нагрузки (это рабочий ход трансформатора) в ней начинает проходить ток нагрузки (он переменный и такой же частоты). Этот ток создает в сердечнике магнитный поток, направленный по правилу Ленца навстречу потоку первичной обмотки. В результате суммарный поток магнитной индукции в первичной катушке уменьшается, уменьшается и ЭДС, а, следовательно, сила тока будет увеличиваться. Это увеличение силы тока в первичной цепи приводит к увеличению магнитного потока, ЭДС индукции и силы тока во вторичной цепи. Но, как мы знаем, увеличение тока во вторичной цепи сопровождается увеличением тока самоиндукции и, следовательно, уменьшением магнитного потока который только что возрастал.

В конце концов, при постоянной нагрузке устанавливаются определенные магнитный поток, ЭДС индукции во вторичной цепи и ток в первичной цепи. Получается, что трансформатор сам, автоматически регулирует потребление энергии в зависимости от нагрузки во вторичной цепи.

При рабочем ходе трансформатора происходит непрерывная передача энергии из первичной цепи во вторичную.

Мощность, потребляемая в первичной цепи, будет определяться формулой

а выделяемая на нагрузке

Коэффициент полезного действия трансформатора будет определяться отношением выделяемой мощности на нагрузке к потребляемой мощности в первичной цепи.

Однако не вся энергия, вырабатываемая генератором, передается потребителю. При работе трансформатора имеются потери на нагревание обмоток трансформатора, на рассеивание магнитного потока в пространство, на вихревые токи Фуко в сердечнике и его перемагничивание.

Для уменьшения этих потерь принимаются следующие меры:

1) обмотка низкого напряжения делается большего сечения, так как по ней проходит ток большей силы;

2) сердечник делают замкнутым, что уменьшает рассеивание магнитного потока;

3) сердечник делают из изолированных пластин для уменьшения токов Фуко.

Благодаря этим мерам коэффициент полезного действия современных трансформаторов достигает 95—99%, а сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения близки к нулю.

Если иногда можно пренебречь потерями в трансформаторе, т.е. считать его коэффициент полезного действия равным 100%, то мощность, потребляемая в первичной цепи, будет равна мощности, выделяемой на нагрузке. Тогда отношение силы тока в первичной обмотке к силе тока во вторичной обмотке будет обратно пропорционально соответствующим напряжениям. А это значит, что увеличивая с помощью трансформатора напряжение, во столько же раз будем уменьшать силу тока и наоборот.

В настоящее время трансформаторы нашли широкое применение, как в технике, так и в быту. Например, для передачи электроэнергии на большие расстояния используются как повышающие, так и понижающие трансформаторы (об этом, кстати, мы более подробно будем говорить в одном из следующих уроков).При подзарядке сотового телефона имеющийся в зарядном устройстве трансформатор понижает напряжение, полученное из осветительной сети до 5.5 В, пригодного для телефона. В телевизоре имеется несколько трансформаторов (как понижающих, так и повышающих), поскольку для питания различных его узлов требуется напряжение от 1,5 В до 25 кВ и так далее.

Основные выводы:

– Генератор переменного тока – устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.

– В современной энергетике применяются индукционные генераторы, работа которых основана на явлении электромагнитной индукции, и позволяющие получить большие токи при достаточно высоком напряжении.

– Конструкций индукционных генераторов существует достаточное количество, однако, неизменными в каждом из них, остаются ротор — подвижная часть генератора, и статор — неподвижная часть генератора.

– Трансформатор – устройство, служащее для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.

– Трансформатор характеризуется коэффициентом трансформации, т.е. отношением числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке.

– В зависимости от значения этого коэффициента, различают повышающий и понижающий трансформаторы.

videouroki.net

Генератор электрической энергии

 

Использование: в народном хозяйстве и в быту для получения электроэнергии. Сущность изобретения: статор 1 выполнен разъемным с кольцевой полостью и имеет разрез для размещения ступицы ротора, в каждой половине статора размещены секторы кольцевых постоянных магнитов 2, установленных по окружности статора одноименными полюсами друг к другу. Ротор выполнен в виде тороидального кольца на магнитопроводах которого размещены кольцевые катушки индуктивности 3, последовательно соединенные с конденсаторами 7. Катушки индуктивности 3 индуктивно связаны с неподвижной тороидальной катушкой индуктивности 8 проводником. 7 ил.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в народном хозяйстве и в быту.

Известен генератор электрической энергии, содержащий корпус со статором с постоянными магнитами, закрепленный на валу ротор с катушками обмотки (Гусев С.А. Очерки по истории развития электрических машин, М-Л. ГЭИ, 1955, с. 80 81, фиг. 2 8). Недостатком такого генератора электрической энергии является низкий коэффициент мощности, cos которого меньше единицы, и недостаточный КПД. Задача, достигаемая изобретением, состоит в том, чтобы обеспечить в генераторе электрической энергии cos, равным единицы, и увеличить КПД генератора электрической энергии. Указанная задача достигается тем, что статор выполнен разъемным с кольцевой полостью и имеет разрез для размещения ступицы ротора, в каждой половине статора размещены секторы кольцевых постоянных магнитов, установленных по окружности статора одноименными полюсами друг к другу, а ротор выполнен в виде тороидального кольца, на магнитопроводах которого размещены кольцевые катушки индуктивности обмотки якоря и конденсаторы, имеющие последовательное соединение с катушками индуктивности, индуктивно связанные с неподвижной тороидальной катушкой индуктивности, проводником. Изобретение имеет признаки новизны, так как в отличие от прототипа статор выполнен разъемным с кольцевой полостью и имеет разрез для размещения ступицы ротора, в каждой половине статора размещены секторы кольцевых постоянных магнитов, установленных по окружности статора одноименными полюсами друг к другу, а ротор выполнен в виде тороидального кольца, на магнитопроводах которого размещены кольцевые катушки обмотки якоря и конденсаторы, имеющие последовательное соединение с катушками индуктивности, индуктивно связанные с неподвижной тороидальной катушкой индуктивности, проводником, в результате этого в генераторе электрической энергии cos становится равным единицы и увеличивается КПД генератора электрической энергии. Предлагаемый генератор электрической энергии поясняется на фиг. 1 7. Генератор состоит (фиг.1) из алюминиевого корпуса 1, состоящего из двух разъемных частей, постоянных кольцевых секторных магнитов 2, армированных в разъемных частях корпуса, катушек индуктивности 3, намотанных на ферросплавном каркасе, ферросплавного диска 4, являющегося ротором, опорных подшипников 5, вала 6, несущего ротор, конденсаторов 7, неподвижной катушки индуктивности 8, подшипниковых щитов 9, изготовленных из диэлектрического материала. Генератор электрической энергии работает следующим образом (фиг. 1). При вращении вала 6, ротор 4 с установленными на нем катушками индуктивности колебательных контуров 3 и конденсаторами 7 начнет совершать вращательное движение во внутренней полости секторных кольцевых постоянных магнитов 2, образующих систему возбуждения на статоре. При достижении ротором частоты вращения, равной резонансной частоте последовательных колебательных контуров, установленных на роторе 4, в катушках индуктивности 3 начнет индуктироваться электродвижущая сила, которая посредством индуктивной связи будет индуктироваться в тороидальной катушке индуктивности 8, установленной на корпусе генератора электрической энергии неподвижно, к выводам которой может быть подключен потребитель тока. Рассмотрим, как в генераторе электрической энергии при помощи кольцевых секторных постоянных магнитов образуется система возбуждения, при помощи которой наводится электродвижущая сила в катушках индуктивности последовательных колебательных контуров, а также, каким образом происходит трансформирование ЭДС в неподвижную тороидальную катушку индуктивности. Так как отдельный кольцевой постоянный магнит (фиг. 2) содержит две зоны, в которых магнитное поле меняет свое направление, то установив постоянные кольцевые магниты на статоре по окружности с минимальным зазором, с одинаковым шаговым расстоянием, одноименными полюсами друг к другу, во внутренней кольцевой полости статора получают сфокусированный магнитный поток, одинаковый по величине и переменный по направлению, в котором магнитно-силовые линии от кольцевого постоянного магнита к рядом стоящему кольцевому магниту меняют свое направление, как показано на (фиг. 3 и фиг. 4), имея дугообразную форму, в результате проводники катушек индуктивности ротора при движении по внутренней кольцевой полости статора пересекают магнитно-силовые линии поперек магнитного потока возбуждения, а ферросплавный сердечник, на котором намотана катушка индуктивности, пересекает магнитно-силовые линии вдоль магнитно-силовых линий потока возбуждения. Поэтому элементарные магнетики внутри ферросплавного сердечника будут стремиться ориентироваться вдоль магнитно-силовых линий потока возбуждения периодически от магнита к рядом стоящему магниту, меняя свою ориентацию, перемагничиваться. Иначе говоря, в проводниках катушек индуктивности последовательных колебательных контуров будет индуктироваться ток, стремящийся по закону Ленца задерживать перемену магнитного поля в катушках индуктивности. Применение такого механизма индуктирования ЭДС увеличивает силу тока и мощность генератора электрической энергии, потому что действующее значение тока, изменяясь по направлению, не изменяется по величине, так как магнитный поток переменный по направлению, но одинаковый по величине. Но с другой стороны, чем больший ток протекает через индуктивное сопротивление катушек индуктивности по сравнению с током, протекающим через активное сопротивление, тем больше ток в проводе отстает по фазе от напряжения. Для исключения этого недостатка катушки индуктивности, установленные на роторе генератора электрической энергии, соединены последовательно с конденсаторами, образующими кольцевую замкнутую цепь. В такой последовательно замкнутой цепи емкостное и индуктивное сопротивление при резонансе сравняются друг с другом. В цепи возникает резонанс напряжений, при котором результирующее реактивное сопротивление последовательной цепи равно нулю. Полное сопротивление цепи равно активной составляющей. Следовательно, при частоте резонанса сопротивление цепи становится наименьшим, а сила тока в цепи становится наибольшей. Коэффициент мощности при резонансе напряжений равен единице. (Федосеев П.Г. Электротехника, М. Госкиноиздат, 1951, с. 266). Так как катушки индуктивности колебательных контуров возбуждаются в одной фазе, то образующиеся магнитно-силовые линии магнитного потока колебательных контуров будут стремиться к сращиванию, образуя кольцевые линии магнитного поля внутри тороидальной неподвижной катушки индуктивности. Каждый раз при смене полярности, при перемагничивании сердечников катушек индуктивности последовательных колебательных контуров, ток в катушках индуктивности последовательных колебательных контуров будет менять свое направление, а магнитно-силовые линии магнитного поля внутри тороидальной катушки индуктивности (фиг. 5 и фиг. 6) будут периодически смыкаться и размыкаться, в результате в тороидальной неподвижной катушке индуктивности будет индуктироваться ток, стремящийся по закону Ленца задержать спадание магнитного поля, вызываемое перемагничиванием сердечников катушек индуктивности последовательных колебательных контуров во время движения в переменном магнитном потоке внутри кольцевой полости статора. Подобный случай электромагнитной индукции описан в литературе (Говорков А.В. Электрические и магнитные поля, М: Энергия, 1969, с. 243). Если сравнивать обмотки индуктивности прототипа с обмотками индуктивности заявленного генератора электрической энергии, то хорошо видно, что при одном и том же количестве числа витков активное сопротивление катушек индуктивности, установленных на роторе, будет намного меньше, чем в прототипе, что является важным необходимым условием для создания резонанса напряжений при последовательном соединении индуктивности и емкости. В заявленном генераторе электрической энергии конструкция катушек индуктивности колебательных контуров в технологическом плане намного проще, чем у прототипа и содержит (фиг. 7) ферросплавный каркас 1, внутренняя поверхность которого имеет изоляцию из диэлектрического материала 2, которым может служить стеклотекстолит или фторопласт. Катушка содержит обмотку из медного провода 3. Установку катушек индуктивности на ферросплавном диске 4 можно осуществлять как показано на (фиг. 7) при помощи кронштейнов с резьбовым соединением. Ввиду того, что кольцевой постоянный магнит содержит две магнитные зоны, в которых магнитное поле меняет свое направление, то при поступательном движении катушки индуктивности внутри магнитного кольца в ее витках будет индуктироваться ЭДС отрицательной и положительной величины при минимальной затрате времени где W число витков в катушке индуктивности; величина магнитного потока, и так как время, в течение которого изменяется магнитный поток, равно t S/V где S путь, равный толщине кольцевого постоянного магнита; U скорость перемены магнитного потока, то установив секторные постоянные магниты в статоре одноименными полюсами друг к другу с одинаковым шаговым расстоянием, с минимальным зазором между торцами магнитов, тогда время, в течение которого будет изменяться магнитный поток, окажется равным где h путь, равный шаговому расстоянию между постоянными секторными кольцевыми магнитами; U скорость перемены магнитного потока. В результате формула величины ЭДС примет вид: Но так как секторные постоянные магниты установленные по окружности друг к другу одноименными полюсами с одинаковым шаговым расстоянием, то в результате этого в катушках индуктивности 3 будет наводиться периодическая ЭДС, тогда формула величины ЭДС примет вид: где F количество кольцевых постоянных магнитов. Сравнивая новую конструкцию генератора электрической энергии с прототипом, ясно видно, что затраченная механическая работа A PS где P сила; S путь, при преобразовании механической энергии в электрическую будет минимальной, так как путь S, за который образуется положительной и отрицательной величины ЭДС, равны величине h ширине шагового расстояния между магнитами, а в прототипе этот путь S равен расстоянию D длине окружности, по которой вращается катушка индуктивности со скоростью V, где В результате того, что электрическая машина преобразует механическую энергию в электрическую, то КПД генератора электрической энергии можно выразить соотношением электрической мощности к механической мощности где P электрическая полезная мощность генератора электрической энергии равна P UJ, заменяя , тогда формула электрической мощности примет вид: а затраченная механическая мощность в генераторе электрической энергии равна произведенной механической работе за единицу времени исходя из этого, КПД генератора электрической энергии можно выразить соотношением: преобразуя полученное выражение, получим но так как в прототипе время, в течение которого происходит преобразование механической энергии в электрическую, равно где S путь, равный расстоянию пД длине окружности, за которое образуется положительная и отрицательная величина ЭДС, а в новом генераторе электрической энергии время, в течение которого происходит преобразование механической энергии в электрическую, равно где S путь равный величине h, равной шаговому расстоянию между кольцевыми постоянными магнитами, в течение которого образуется положительная и отрицательная величина ЭДС, то полученная разница в пути дает основание утверждать, что КПД генератора электрической энергии увеличится в несколько раз, так как пД больше h. Генератор электрической энергии предполагается использовать для выработки электроэнергии постоянного тока, для этого к нему необходимо установить выпрямитель.

Формула изобретения

Генератор электрической энергии, содержащий статор, ротор, подшипниковые узлы, отличающийся тем, что статор выполнен разъемным с кольцевой полостью для размещения тороидального кольца ротора и с разрезом, обеспечивающим зазор для размещения ферросплавного диска ротора со ступицей, в каждой половине статора размещены секторы кольцевых постоянных магнитов, установленных по окружности статора одноименными полюсами друг к другу, в тороидальном кольце ротора на ферросплавных каркасах кольцевые катушки индуктивности, последовательно соединенные с конденсаторами, образуя колебательные контуры, причем катушки индуктивности индуктивно связаны с неподвижной тороидальной катушкой статора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7

www.findpatent.ru

Статический генератор электрической энергии

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для получения электроэнергии. Статический генератор электрической энергии включает корпус с пакетом металлических пластин обоих знаков, разделенных слоем стабилизированного монокристаллического сегнетоэлектрика, при этом в пакете все слои плотно прилегают друг к другу. Согласно изобретению металлические пластины выполнены из разнородных проводников с различной концентрацией свободных электронов: двух различных металлов, например сурьма-висмут, железо-никель, титан-алюминий; различных сплавов, например хромель-алюмель, хромель-копель; комбинации металла и сплава, например железо-копель, сурьма-алюмель, висмут-хромель, при этом пакет пластин включает минимально одну элементарную ячейку, которая состоит из одного сегнетоэлектрика и двух разнородных проводников, которые размещены в следующей последовательности: проводник - сегнетоэлектрик - проводник, а при наличии в пакете больше одной элементарной ячейки они подключены к источнику потребления электрической энергии последовательно, или параллельно, или комбинированно - несколько элементарных ячеек подключены последовательно, а несколько элементарных ячеек подключены параллельно. Техническим результатом является простота конструкции, увеличение электрической мощности. 4 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для получения электроэнергии.

Наряду с широко применяемыми традиционными промышленными генераторами получения электроэнергии известны менее распространенные, в которых используется энергия химических реакций, тепловая энергия, энергия магнитного поля и т.д.

Известен конденсатор с зарядовым устройством (см. заявка RU 95106327, МПК Н01G 4/12, опубл. 1997.02.20). Конденсатор содержит корпус, в котором заключены пакеты пластин одного и другого знака, вставленные друг в друга и разделенные слоем сегнетоэлектрика. Конденсатор выполнен в виде нескольких секций, каждая из которых имеет в нижней торцевой части зарядовую пластину, отделенную от других пластин слоем такого же сегнетоэлектрика, причем все зарядовые пластины соединены между собой проводником и подключены к дополнительному выводу. Известное устройство представляет собой модернизированный конденсатор в котором зарядовая пластина выполнена из металла.

Однако в случае применения известного конденсатора в качестве статического генератора постоянного электрического тока необходима постоянная зарядка зарядовых пластин внешним дополнительным источником питания.

Известно устройство для получения электрической энергии, в котором используется внутренняя энергия активных диэлектриков - сегнетоэлектриков и электретов (см. патент на полезную модель UA №34582, МПК 6 Н01J 45/00, опубл. 2008.08.11).

Известно устройство для получения электрической энергии, включающее корпус с пакетами пластин обоих знаков, разделенных слоем сегнетоэлектрика и оборудованных зарядовой пластиной, отделенной от остальных слоем сегнетоэлектрика, при этом зарядовая пластина выполнена из биполярного электрета, например из политетрафторэтилена, поликарбоната, титаната кальция, стекла и др., а в качестве сегнетоэлектрика используется стабилизированный монокристаллический сегнетоэлектрик, например титанат бария, поливинилиденфторид, триглицинсульфат, сегнетовая соль, дигидрофосфат калия, ниобат лития, фторберилат аммония и др., при этом пакет пластин включат минимально один элемент, который состоит из одного электрета, двух пластин сегнетоэлектрика и двух металлических пластин, при этом все слои плотно прилегают друг к другу и размещены в следующей последовательности: металлическая пластина-сегнетоэлектрик-электрет-сегнетоэлектрик-металлическая пластина, а при наличие в пакете больше одного элемента они чередуются таким образом, что каждый последующий элемент размещается по отношению к предыдущему, прилегая одноименными зарядами проводниковой части.

Для успешной работы известного устройства необходима упорядоченная поляризация спонтанно поляризующихся сегнетоэлектриков. Такая поляризация происходит в известном устройстве под действием постоянного электромагнитного поля, которое создается зарядовыми пластинами, роль которых исполняют электреты.

Недостатками известного устройства являются малая продолжительность жизни электретов, низкая их стабильность в процессе эксплуатации, а также сложность изготовления электретов и, естественно, их высокая себестоимость.

Известное устройство выбрано прототипом. Прототип и заявляемое устройство имеют следующие общие признаки:

- корпус с пакетом электропроводных пластин обоих знаков, которые разделены слоем стабилизированного монокристаллического сегнетоэлектрика;

- пакет пластин включает минимально одну элементарную ячейку, состоящую из одного сегнетоэлектрика и двух металлических пластин.

Известно, что в разных металлах концентрация свободных электронов различна, при этом при тесном их соприкосновении всегда происходит переход части электронов с поверхности одного из них на поверхность другого. Вследствие этого между этими металлами создается разность потенциалов.

Известно, что чем дальше друг от друга располагаются оба соприкасающихся металла в приведенном ниже ряду (положительно заряжается стоящий левее металл), тем напряжение больше (см. Б.В.Некрасов. Основы общей химии. М.: Химия, 1973, т.2, стр.383). Термоэлектрический ряд металлов

Sb Fe Mo Cd W Сu Zn Au Ag Pb Sn Mg Al Hg Pt Pd Ni Bi

Описанное выше явление присуще не только для всех чистых металлов, но и для их сплавов - проводников электричества, например таких широко известных и применяемых, как хромель, алюмель, копель и т.д. (см. Советский энциклопедический словарь, издательство «Советская энциклопедия», Москва, 1982, стр.46, 634, 1473).

Если между парой разнородных проводников, имеющих значительную разницу концентраций свободных электронов, поместить слой активного диэлектрика, например сегнетоэлектрика, происходит упорядочивание его поляризации в направлении силовых линий взаимодействия электронно-магнитных полей пары разнородных проводников.

Таким образом, пара разнородных проводников, имеющих значительную разницу концентраций свободных электронов, будет обеспечивать наличие постоянного электромагнитного поля для упорядочивания спонтанной поляризации сегнетоэлектрика. При замыкании внешней электрической цепи возникает электрический ток, мощность которого зависит от величины суммарного внутреннего сопротивления, рабочей площади контакта сегнетоэлектрика с проводниками, степени поляризации сегнетоэлектрика, природы самого сегнетоэлектрика и природы пары проводников, а также от электрической емкости системы в целом. Известно, что даже наиболее долгоживущие электреты (до ста лет) по своей стабильности и долговечности в десятки раз уступают любой паре проводников.

В заявляемом устройстве нет движущихся составляющих, таким образом генератор электрической энергии является статическим.

В основу изобретения поставлена задача создания устройства для получения электрической энергии за счет утилизации внутренней энергии используемых веществ.

Поставленная задача решается в статическом генераторе электрической энергии, включающем корпус с пакетом металлических пластин обоих знаков, разделенных слоем стабилизированного монокристаллического сегнетоэлектрика, при этом в пакете все слои плотно прилегают друг к другу тем, что металлические пластины выполнены из разнородных проводников с различной концентрацией свободных электронов: двух различных металлов, например сурьма-висмут, железо-никель, титан-алюминий, или различных сплавов, например хромель-алюмель, хромель-копель, или комбинации металла и сплава, например железо-копель, сурьма-алюмель, висмут-хромель, при этом пакет пластин включат минимально одну элементарную ячейку, которая состоит из одного сегнетоэлектрика и двух разнородных проводников, которые размещены в следующей последовательности: проводник - сегнетоэлектрик - проводник, а при наличии в пакете больше одной элементарной ячейки они подключены к источнику потребления электрической энергии последовательно, или параллельно, или комбинированно - несколько элементарных ячеек подключены последовательно, а несколько элементарных ячеек подключены параллельно.

Новым в заявляемом устройстве является то, что металлические пластины выполнены из разнородных проводников с различной концентрацией свободных электронов: двух различных металлов, например сурьма-висмут, железо-никель, титан-алюминий, или различных сплавов, например хромель-алюмель, хромель-копель, или комбинации металла и сплава, например железо-копель, сурьма-алюмель, висмут-хромель, при этом пакет пластин включат минимально одну элементарную ячейку, которая состоит из одного сегнетоэлектрика и двух разнородных проводников, которые размещены в следующей последовательности: проводник-сегнетоэлектрик-проводник, а при наличии в пакете больше одной элементарной ячейки они подключены к источнику потребления электрической энергии последовательно, или параллельно, или комбинированно - несколько элементарных ячеек подключены последовательно, а несколько элементарных ячеек подключены параллельно.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных отличий и достигаемым техническим результатом состоит в следующем:

- использование в одной элементарной ячейке разнородных проводников со значительной разницей концентраций свободных электронов, между которыми помещен стабилизированный монокристаллический сегнетоэлектрик, позволяет обеспечить наличие постоянного электромагнитного поля, необходимого для упорядочивания спонтанной поляризации сегнетоэлектрика. Экспериментально установлены пары проводников, позволяющие обеспечить столь необходимое упорядочивающее электромагнитное поле.

При наличии в пакете больше одной элементарной ячейки они подключаются к источнику потребления электрической энергии как последовательно, так и параллельно, в зависимости от преследуемой цели.

Во всех случаях происходит увеличение электрической мощности пакета. Однако при последовательном их соединении рост мощности происходит за счет повышения электрического напряжения, а при параллельном соединении рост мощности происходит за счет роста электрического тока. Комбинация соединений элементарных ячеек резко расширяет конструктивные возможности при проектировании и изготовлении статических генераторов электрической энергии с заданными вольтамперными характеристиками.

Статический генератор электрической энергии, состоящий минимально из одной элементарной ячейки, приведен на фиг.1. Статический генератор электрической энергии состоит из корпуса 1, внутри которого размещена пара проводников 2, выполненных из разнородных проводников с различной концентрацией свободных электронов, между которыми размещен сегнетоэлектрик 3, через изоляторы 4 проводники 2 подключены к потребителю энергии.

На фиг.2 приведен внешний вид статического генератора электрической энергии, состоящего из четырех элементарных ячеек, соединенных последовательно.

На фиг.3 приведен внешний вид статического генератора электрической энергии, состоящего из семи элементарных ячеек, соединенных параллельно.

На фиг.4 приведен внешний вид статического генератора электрической энергии, состоящего из пяти элементарных ячеек, имеющих смешанное соединение.

В качестве примеров материалов, которые используют для изготовления пар металлических пластин, приведены следующие металлы и сплавы;

сурьма-висмут

железо-никель

титан-алюминий

хромель-алюмель

хромель-копель

железо-копель

сурьма-алюмель

хромель-висмут,

при этом в качестве сегнетоэлектрика используют титанат бария, точка Кюри°С (Тк) - 120, максимальная спонтанная поляризация (Ps) мкКл/м2 - 300.

Элементарную ячейку изготавливают путем последовательного вакуумного напыления на антиадгезионную подложку площадью 1 дм2 и 0,25 дм2. Слои проводников формируют толщиной 9-10 мкм, слой сегнетоэлектрика формируют толщиной менее 1 мкм, обеспечивая сплошное беспористое равномерное покрытие.

Пример 1.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из сурьмы и висмута.

На полированную фторопластовую подложку, обработанную полиметилсилоксаном, накладывают шаблон заданной площади (1 дм2 или 0,25 дм2) и напыляют слой сурьмы толщиной 9-10 мкм. Шаблон убирают и напыляют следующий слой титаната бария, обеспечивая сплошное беспористое равномерное покрытие толщиной до 1 мкм. Затем возвращают шаблон на прежнее место и напыляют слой висмута толщиной 9-10 мкм. Шаблон убирают и с помощью вакуумной присоски отделяют готовый элемент от подложки. С помощью диэтилового эфира удаляют следы полиметилсилоксана с поверхности слоя из сурьмы, а остатки диэтилового эфира удаляют обдувом сухим воздухом. Затем помещают элементарную ячейку между клеммами, изготовленными из сурьмы и висмута соответственно. Полученный статический генератор электрической энергии подключают к потребителю энергии.

Пример 2.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из железа и никеля.

Элементарная ячейка изготовлена по методике, описанной в примере 1, при этом вместо сурьмы использовали железо, а вместо висмута - никель.

Пример 3.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из титана и алюминия.

Элементарная ячейка изготовлена по методике, описанной в примере 1, при этом вместо сурьмы использовали титан, а вместо висмута - алюминий.

Пример 4.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из хромеля и алюмели.

Элементарная ячейка изготовлена по методике, описанной в примере 1, при этом вместо сурьмы использовали хромель, а вместо висмута - алюмель.

Пример 5.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из хромеля и копели.

Элементарная ячейка изготовлена по методике, описанной в примере 1, при этом вместо сурьмы использовали хромель, а вместо висмута - копель.

Пример 6.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из железа и копели.

Элементарная ячейка изготовлена по методике, описанной в примере 1, при этом вместо сурьмы использовали железо, а вместо висмута - копель.

Пример 7.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из сурьмы и алюмели.

Элементарная ячейка изготовлена по методике, описанной в примере 1, при этом вместо висмута использовали алюмель.

Пример 8.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из висмута и хромеля.

Элементарная ячейка изготовлена по методике, описанной в примере 1, при этом вместо сурьмы использовали хромель.

В таблице 1 представлена зависимость величины электрической мощности (мВт), а также величин напряжения (В) и электрического тока (мА) одной элементарной ячейки при внешней нагрузке в 1000 Ом от материалов, из которых изготовлена пара проводников, и их площади (дм2).

Изучалась длительность работы каждой пары металлических пластин, входящей в состав одной элементарной ячейки. В интервале температур - 20°С+110°С каждая элементарная ячейка непрерывно работает на протяжении более 18000 часов.

В таблице 2 представлена зависимость величин электрической мощности (мВт), напряжения (В)и величины тока (мА) пакета, состоящего из десяти последовательно соединенных элементарных ячеек, при внешней нагрузке в 1000 Ом от материалов, из которых изготовлена каждая пара проводников, и их площади.

Изучалась длительность работы каждой пары проводников, входящих в состав десяти элементарных ячеек. В интервале температур - 20°С+110°С каждый пакет из десяти последовательно соединенных элементарных ячеек непрерывно работает на протяжении более 18000 часов.

В таблице 3 представлена зависимость величин электрической мощности (мВт), напряжения (В)и величины тока (млА) пакета, состоящего из десяти параллельно соединенных элементарных ячеек, от материалов, из которых изготовлена пара проводников при внешней нагрузке в 1000 Ом и площади проводников.

Изучалась длительность работы каждой пары проводников, входящих в состав десяти элементарных ячеек. В интервале температур - 20°С+110°С каждый пакет из десяти параллельно соединенных элементарных ячеек при внешней нагрузке в 1000 Ом непрерывно работает на протяжении более 18000 часов.

Примеры зависимости величины мощности, напряжения и тока от геометрических параметров и материала проводников и принципа сборки пакетов в статическом генераторе электрической энергии приведены в таблицах 1-3.

Как видно из приведенных таблиц (см. таблицы 1, 2, 3), при использовании пары проводников сурьма-висмут и сегнетоэлектрика титаната бария мощность одной элементарной ячейки при рабочих площадях 1,00 дм2 и 0,25 дм2 составляет 1,268 и 0,301 мВт соответственно. Мощности пакета из десяти элементарных ячеек при этих же рабочих площадях, подключенных последовательно и параллельно, составляют 18,97/4,514 мВт и 18,91/4,515 мВт соответственно. Такой генератор работает в интервале температур - 20°С+110°С более 18000 часов.

Заявляемый статический генератор электрической энергии может найти применение в электротехнике в качестве автономного источника электропитания. По сравнению с известными заявляемый генератор конструктивно прост и позволяет получать электрическую энергию, используя внутреннюю энергию материалов, использованных при его изготовлении.

Таблица1
Материал пары проводников	1,00 дм2	0,25 дм2
Мощность, мВт, ячейка 1 дм2	Напряжение, В, ячейка 1 дм2	Ток, мА, ячейка 1 дм2	Мощность, мВт, ячейка 0,25 дм2	Напряжение, В, ячейка0.25 дм2	Ток, мА, ячейка 0,25 дм2
Сурьма-висмут	1,268	1,126	1,127	0,301	1,121	0,269
Железо-никель	1,129	1,062	1,063	0,268	1,055	0,254
Титан алюминий	1,090	1,044	1,045	0,260	1,030	0,252
Хромель-алюмель	1,115	1,055	1,056	0,265	1,041	0,255
Хромель-копель	0.993	0,996	0,997	0,236	0,989	0,239
Железо-копель	1,100	1,048	1,049	0,261	1,094	0,240
Сурьма-алюмель	1,120	1,058	1,059	0,267	1,116	0,239
Хромель-висмут	1,236	1,112	1,111	0,294	1,130	0,260

Таблица 2
Материал пары проводников	1,00 дм2	0,25 дм2
Мощность, мВт, ячейка 1 дм2	Напряжение, В, ячейка 1 дм2	Ток, мА, ячейка 1 дм2	Мощность, мВт, ячейка 0,25 дм2	Напряжение, В, ячейка 0,25 дм2	Ток, мА, ячейка 0,25 дм2
Сурьма-висмут	18,970	16,80	1,129	4,514	16,78	0,269
Железо-никель	17,870	16,32	1,095	4,138	16,29	0,255
Титан-алюминий	15,670	14,90	1,052	3,742	14,85	0,252
Хромель-алюмель	17,050	15,73	1,084	4,019	15,70	0,256
Хромель-копель	12,700	12,55	1,012	2,988	12,50	0,239
Железо-копель	16,120	15,21	1,060	3,651	15,15	0,241
Сурьма-алюмель	14,890	15,95	1,071	3,802	15,91	0,239
Хромель-висмут	17,790	16,50	1,078	4,299	16,47	0,261

Таблица 3
Материал пары проводников	1,00 дм2	0,25 дм2
Мощность, мВт, ячейка 1 дм2	Напряжение, В, ячейка 1 дм2	Ток, мА, ячейка 1 дм2	Мощность, мВт ячейка 0,25 дм2	Напряжение, В, ячейка 0,25 дм2	Ток, мА, ячейка 0,25 дм2
Сурьма-висмут	18,91	1,1270	16,78	4,515	1,126	4,009
Железо-никель	17,85	1,064	16,78	4,139	1,062	3,900
Титан-алюминий	15,66	1,045	14,99	3,742	1,044	3,584
Хромель-алюмель	17,03	1,056	16,13	4,020	1,056	3,807
Хромель-копель	12,71	1,000	12,71	2,989	0,998	2,995
Железо-копель	16,11	1,050	15,34	3,650	1,094	3,336
Сурьма-алюмель	14,90	1,059	14,07	3,800	1,116	3,405
Хромель-висмут	17,76	1,114	15,94	4,229	1,130	3,742

Статический генератор электрической энергии, включающий корпус с пакетом металлических пластин обоих знаков, разделенных слоем стабилизированного монокристаллического сегнетоэлектрика, при этом в пакете все слои плотно прилегают друг к другу, отличающийся тем, что металлические пластины выполнены из разнородных проводников с различной концентрацией свободных электронов: двух различных металлов, например сурьма-висмут, железо-никель, титан-алюминий, или различных сплавов, например хромель-алюмель, хромель-копель, или комбинации металла и сплава, например железо-копель, сурьма-алюмель, висмут-хромель, при этом пакет пластин включат минимально одну элементарную ячейку, которая состоит из одного сегнетоэлектрика и двух разнородных проводников которые размещены в следующей последовательности: проводник - сегнетоэлектрик - проводник, а при наличии в пакете больше одной элементарной ячейки они подключены к источнику потребления электрической энергии последовательно, или параллельно, или комбинированно - несколько элементарных ячеек подключены последовательно, а несколько элементарных ячеек подключены параллельно.

www.findpatent.ru

Генерирование электрической энергии. Генератор переменного тока

Разделы: Физика

Цели урока:

Обучающие:

1. Показать преимущества электрической энергии перед другими видами энергии.
2. Дать понятие о принципиальном устройстве генератора переменного тока.
3. Осветить экологические проблемы, связанные с выработкой электроэнергии.

Развивающая: Развитие логического мышления, профессиональной лексики.

Воспитывающая: Воспитывать самосознание и настойчивость в овладении профессией.

Оборудование:

• компьютер,
• проектор,
• источники тока – батарея карманного фонарика,
• фотоэлемент,
• модель генератора постоянного тока,
• DVD - диск «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия»,
• проверочный тест.

Тип урока: комбинированный, время проведения 40 минут.

Литература:

1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика-11 - М.: Просвещение, 2004г., 335с.
2. Мякишев Г.Я., Синяков А.З.,Физика-11,- М.: Дрофа, 2002г.,288стр.
3. Т.А.Демина, Экология, природопользование, охрана окружающей среды,- М., «Аспект Пресс», 1998г.,143с.
4. DVD – диск: «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия».
5. Газета «Физика», №21, 2003г, статья «Народонаселение и энергопотребление».

Основные этапы урока:

1. Организационный момент (2 мин.)
2. Актуализация опорных знаний (3-5 мин.)
3. Изучение нового материала (15 мин.)
4. Закрепление новой темы (5 мин.)
5. Проверка знаний (10 мин.)
6. Подведение итогов. (3 мин.)

Ход урока

1. Организационный момент
- приветствие, настрой деятельности на успех.(1 Слайд)

Здравствуйте ребята, сегодня тема нашего урока «Генерирование электрической энергии. Генератор переменного тока».

Эта тема созвучна с вашей профессией, вы будите изучать ее на уроках спецтехнологии, электротехники, на классном часе «Вы будущие энергетики» мы встречались со специалистами Сургутских ГРЭС, вы успешно прошли производственную практику, и многое уже знаете. Поэтому я рассчитываю на вашу помощь, заинтересованность. Надеюсь, что сегодня вы узнаете много нового и полезного.

2. Актуализация опорных знаний
– фронтальная беседа со студентами.

Прежде чем мы будем говорить о производстве электрического тока, давайте вспомним:

Вопрос: Что называют электрическим током?

Ответ: Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц.

Вопрос: Какие вам известны источники тока?

Ответ: Аккумуляторы, батарейки и т. д.

У меня на столе всем известные источники тока: батарейка, фотоэлемент, модель индукционного генератора. Область применения каждого из перечисленных видов определяется их характеристиками. Давайте выясним, какие у них достоинства и недостатки и можно ли их применять повсеместно?

Химические источники тока: гальванические элементы; батареи аккумуляторов; ртутная батарейка, используемая в часах, калькуляторах и слуховых аппаратах, дает 1,4В; традиционная батарейка для карманного фонарика, дает 4,5 В. (демонстрация)

Достоинства – компактность, возможность использовать как автономный источник энергии.

Недостатки – небольшая энергоемкость, высокая стоимость энергии, недолговечность, проблема утилизации отходов.

Термоэлементы, фотоэлементы, солнечные батареи (демонстрация)

Достоинства – безмашинный способ получения энергии.

Недостатки – малый КПД, зависимость от погодных условий.

Преобладающую роль в наше время играют электромеханические

индукционные генераторы постоянного и переменного тока.

Практически они дают всю используемую энергию. Какие они имеют достоинства, преимущества и недостатки, нам предстоит выяснить сегодня на уроке.

3. Объяснение новой темы.

Так как мы сегодня изучаем генераторы переменного тока, давайте вспомним:

Вопрос: Что такое переменный ток?

Ответ: Переменный ток можно рассматривать как вынужденное колебательное движение свободных электронов или вынужденные электромагнитные колебания силы тока и напряжения, меняющееся со временем по гармоническому закону.

Переменный ток имеет преимущество перед постоянным, потому что напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовать (трансформировать) почти без потерь, а такие преобразования необходимы во многих электро- и радиотехнических устройствах. Но особенно большая необходимость трансформации напряжения и тока возникает при передаче электроэнергии на большие расстояния. Электрическая энергия обладает преимуществом перед всеми другими видами энергии: ее можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между потребителями. Главное же в том, что эту энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратить в другие формы: механическую, тепловую, световую и т.д.

(2 слайд) Запишите в тетради преимущества переменного тока.

В современной энергетике применяются индукционные генераторы переменного тока, действие которых основано на явлении электромагнитной индукции.

Вопрос: Вспомните, что такое электромагнитная индукция, и кто открыл это явление?

Ответ: Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, которое заключается в возникновении индукционного тока под действием переменного магнитного поля.

(3 слайд) После открытия этого явления многие скептики, сомневаясь, спрашивали: «Какая от этого польза?»

На что Фарадей ответил: «Какая может быть польза от новорожденного?»

Прошло немногим более половины столетия и, как сказал американский физик Р.Фейнман, «бесполезный новорожденный превратился в чудо-богатыря и изменил облик Земли так, как его гордый отец не мог себе и представить».

И этим богатырем, изменившим облик Земли, является генератор.

Генератор – это устройство, преобразующее энергию того или иного вида в электрическую энергию (запишите определение в тетрадь).

(4 слайд)

Электрический ток вырабатывается в генераторах - Откройте учебник на странице 106 рисунок 97. Давайте вместе назовем и запишем в тетради, как устроен генератор, его основные части.

- Что обозначено цифрой 1,2,3,4,5,6,7?

1. Ротор, вращающаяся часть генератора, создает магнитное поле от электромашины постоянного тока.

2. Статор, состоит из отдельных пластин для уменьшения нагрева от вихревых токов, пластины сделаны из электротехнической стали.
3. Щетки, неподвижные пластины, прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью.
4. Кольца, чтобы подводить ток к ротору и отводить из обмотки ротора во внешнюю цепь при помощи скользящих контактов.
5. Турбина, сочетание турбины с генератором переменного тока называется турбогенератором.
6. Станина, корпус, внутри которой размещены статор и ротор.
7. Возбудитель, генератор, вырабатываемый постоянный ток, который подводят к вращающему электромагниту.

В настоящее время существуют различные модификации индукционных генераторов. Но все они состоят, из одних и тех же, частей – это магнит или электромагнит, создающий магнитное поле, и обмотка в которой индуцируется ЭДС.

Один из сердечников (обычно внутренний) вращается вокруг вертикальной или горизонтальной оси – называется ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называют – статором.

(5слайд)

Обратите внимание, в данной модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором, магнитное поле создает неподвижный, постоянный магнит. При движении проводника его свободные заряды движутся вместе с ним. Поэтому на заряды со стороны магнитного поля действует сила Лоренца. ЭДС индукции, следовательно, имеет магнитное происхождение.

На многих электростанциях земного шара именно сила Лоренца вызывает появление тока. ε = εm sin ωt

(6 слайд)

В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, который является ротором. Обмотки, в которых наводится ЭДС, вложены в пазах статора – появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.

Из закона электромагнитной индукции следует: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Какова же должна быть скорость изменения магнитного потока, скорость вращения ротора, если в некоторых установках применяются токи в несколько килогерц и даже мегагерц? Для примера, попробуйте рассчитать скорость вращения ротора для стандартной частоты промышленного тока.

Чтобы ответить на данный вопрос, вспомните:

Вопрос: Чему равна частота промышленного тока?

Ответ: Стандартная частота промышленного переменного тока равна 50 Гц во многих странах мира, в США частота равна 60Гц, это означает, что на протяжении 1 с. ток 50 раз течет в одну сторону и 50 раз в противоположную.

-Тогда сколько колебаний будет происходить в 1 минуту?

Умножим на 60 сек. получается 3000 об/мин. Такая скорость нереальна и чтобы уменьшить скорость вращения, используют многополюсный магнит.

Частота наводимой ЭДС определяется формулой ν = p*n,

где р – число пар полюсов индуктора, n – частота вращения ротора.

Так, роторы генераторов Угличской ГЭС на Волге имеют 48 пар полюсов, и скорость их вращения уменьшается, становится 62,5 об/мин.

(7 слайд)

Мы живем в 21 веке и основой цивилизованного образа жизни, следовательно, и научно-технического прогресса, является энергия, которой требуется все больше и больше. Казалось бы, вырабатывайте ее сколько угодно, пока есть полезные ископаемые, есть машины, вырабатывающие эту энергию. Но здесь возникает проблема.

Эту проблему можно назвать - проблема «трех Э»: Энергетика + Экономика + Экология. Для бурного развития экономики, требуется все больше и больше энергии, увеличение выработки энергии - ведет к ухудшению экологии, наносит большой вред окружающей среде.

(8 слайд)

Ведь энергетика является одной из самых загрязняющих отраслей народного хозяйства. При неразумном подходе происходит нарушение нормального функционирования всех компонентов биосферы (воздуха, воды, почвы, животного и растительного мира), а в исключительных случаях, подобных Чернобылю, под угрозой оказывается и сама жизнь. Поэтому главным должен стать подход с экологических позиций, учитывающих интересы не только настоящего, но и будущего.

Между тем, ТЭС являются одними из основных загрязнителей атмосферы твердыми частицами золы, окислами серы и азота, а также углекислым газом, способствующим возникновению «парникового эффекта». Над городами образуются, так называемые острова тепла, из-за усиленного выброса энергии которых, нарушается нормальное течение атмосферных процессов. В сентябре этого года, мы все с вами были свидетелями образования торнадо над водохранилищем ГРЭС -2 в городе Сургуте.

(9 слайд)

Вопрос: Кто сможет объяснить это явление?

Ответ: Над поверхностью водохранилища образовался теплый воздушный фронт, в то время когда температура и давление окружающего воздуха были сравнительно низкими. Встреча, этих двух потоков и привела к образованию смерча.

Важнейшими направлениями экологизации научно-технического процесса, должны стать – внедрение ресурсосберегающих и безотходных технологий; переход к чистым и неисчерпаемым источникам энергии.

Уже разрабатываются, так называемые топливные элементы, в которых энергия освобождается в результате реакции водорода с кислородом, получили широкое применение МГД – генераторы. Строят электростанции разного типа, геотермальные, ветряные, солнечные и т.д.

4. Закрепление новой темы
- решение качественных и количественных задач.

Какими бы ни были типы электростанций, главное устройство на любом из них – это генератор.

Вопрос: Что называют генератором?

Ответ: Генератор – это устройство, преобразующее энергию того или иного вида в электрическую.

Вопрос: Назовите основные части генератора.

Ответ: Ротор, статор.

Вопрос: Фонари по дороге стоят одиноко.

Десять герц – частота переменного тока.

Кто ответит мне ясно, без тени смущенья:

Этот ток применяют ли для освещения?

Ответ: Нет.

Вопрос: Генератор переменного тока имеет на роторе 6 пар полюсов. Какой должна быть частота вращения ротора, чтобы генератор вырабатывал ток стандартной частоты?

Ответ: (500 об/мин)

5. Проверка знаний - проверь соседа! (приложение 1, приложение 2)

А сейчас проверим, на сколько, вы усвоили данный материал. У вас на столах лежат тестовые задания по теме нашего урока и карточка, в которую вы заносите правильный ответ. Кто ответит правильно на 6 вопросов, получит «5», на 4-5 вопросов, оценку - «4», за 3 правильных ответа получит «3».

6. Подведение итогов. (10 слайд)

Сегодня на уроке, мы с вами разобрали принцип действия генератора, этого внушительного сооружения из проводов, изоляционных материалов, стальных конструкций. Не перестаю удивляться, как при таких огромных размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготавливаются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать, электрическую энергию столь же непрерывно и экономично. А теперь постарайтесь ответить на вопрос, поставленный в начале урока.

- Какие достоинства и недостатки у генератора переменного тока?

О трехфазном генераторе вы узнаете на уроках электротехники, а к следующему уроку попрошу вас приготовить сообщение о новых, современных типах генераторов.

Выставление оценок в журнал. Домашнее задание. § 37 (учебник «Физика-11» Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев)

Спасибо за внимание. Всего хорошего. До свидания.

Презентация

xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai

Генератор электрической энергии

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в системах электроснабжения стационарных и мобильных потребителей электроэнергии. Техническим результатом является повышение кпд. В генераторе электрической энергии используется двухтактный принцип работы. Для создания магнитного потока с высоким пространственным градиентом магнитного поля одновременно участвуют две первичные обмотки трансформатора, по одной из которых протекает ток заряда, а по другой ток разряда соответствующего накопительного конденсатора, создавая при этом результирующий переменный магнитный поток удвоенной амплитуды, с частотой заданной блоком управления. Магнитное поле создается как током заряда, так и током разряда накопительного конденсатора, т.е. дважды используется в работе один заряд накопительного конденсатора. Вышеизложенное показывает, что двухтактный принцип работы значительно повышает выход электроэнергии генератора электрической энергии. 2 ил.

 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в системах электроснабжения стационарных и мобильных потребителей.

Известен трансформатор Тесла, представляющий собой генератор высоковольтных высокочастотных колебаний и состоящий из, вставленных друг в друга, первичной и вторичной катушки индуктивности, разрядника, конденсатора и источника высоковольтного напряжения, соответственно соединенных между собой (Эйхенвалд А.А. Электричество. М., тип. И.М.Кушнерова, 1918. Опыты Тесла. С.434-43). Его недостатком является низкий к.п.д.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство получения электрической энергии, состоящее из подключенного к внешнему источнику электрической энергии преобразователя низкого напряжения в высокое, которое через диод подается на зарядный электрический конденсатор, с которого накопленный заряд через разрядник периодически подается на первую катушку индуктивности, внутри которой соосно с ней установлена вторая катушка индуктивности с увеличенным числом витков, которая с конденсатором настроена в резонанс с периодом разряда и с которой напряжение, через диод, передается на зарядный электрический конденсатор, а выход электрической энергии внешнему потребителю осуществляется с помощью третьей катушки индуктивности, установленной соосно первым двум, связанной с ними взаимной индукцией и соединенной с выпрямителем (Патент РФ №2261521, от 27.09.2004). В данном устройстве необходимым условием получения избыточного баланса электроэнергии является высокий пространственный градиент напряженности магнитного поля, что достигается созданием на первичной обмотке трансформатора импульсов тока с крутым передним и задним фронтом.

Недостатком известного изобретения является однотактный принцип работы, недостатком является и принцип стабилизации верхнего уровня высокого напряжения, посредством замыкания варистором части витков второй обмотки, что приводит к дополнительной потере энергии на трансформаторе. Приведенные причины ограничивают возможности получения высокого пространственного градиента напряженности магнитного поля и кпд соответственно.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении кпд.

Вышеуказанный технический результат достигается тем что, в генератор электрической энергии, содержащий внешний источник питания, подключенный соответственно, через входной выпрямитель, к плюсу и минусу выпрямителя обратной связи и зарядному конденсатору, трансформатор, на котором размещены первичная, вторичная и обмотка обратной связи с повышенным числом витков, подключенная соответственно к конденсатору и входам выпрямителя обратной связи, дополнительно введена вторая, противоположно направленная и идентичная первой, первичная обмотка трансформатора, при этом входы первичных обмоток подключены соответственно к выходам первого и второго накопительного конденсатора, а выходы первой - к силовому выходу первого и силовому входу третьего электронного ключа, - второй - к силовому выходу второго и силовому входу четвертого электронного ключа, при этом силовые выходы третьего и четвертого электронного ключа соединены с минусом входного выпрямителя, выпрямителя обратной связи и зарядного конденсатора, плюс которых соединен с силовыми входами первого и второго электронного ключа, с входами первого и второго накопительного конденсатора и с входом блока управления, первый выход которого подключен к управляющим входам первого и четвертого электронного ключа, а второй - к управляющим входам второго и третьего электронного ключа, при этом вторичная обмотка трансформатора соединена соответственно с преобразователем напряжения, силовые выходы которого подключены соответственно к нагрузке, а информационный выход - к второму входу блока управления.

Сущность заявленного изобретения заключается в том, что для создания магнитного потока с высоким пространственным градиентом напряженности магнитного поля применен двухтактный принцип работы, где в работе одновременно участвуют обе первичные обмотки трансформатора, по одной из которых протекает ток заряда, а по другой ток разряда соответствующего накопительного конденсатора, создавая при этом результирующий переменный магнитный поток удвоенной амплитуды с частотой, заданной блоком управления, при этом магнитное поле создается как током заряда, так и током разряда, т.е. дважды используется в работе один заряд накопительного конденсатора.

Сущность изобретения поясняется схемой Фиг.1 и временной диаграммой работы Фиг.2.

Генератор электрической энергии содержит внешний источник 1 питания, подключенный соответственно к входному выпрямителю 2, минус выхода которого соединен с минусом выхода выпрямителя 3 обратной связи и зарядного конденсатора 4, а также - с силовыми выходами третьего 5 и четвертого 6 электронного ключа, при этом плюс выхода входного выпрямителя 2 соединен с плюсом выхода выпрямителя 3 обратной связи и зарядного конденсатора 4, силовыми выходами первого 7 и второго 8 электронного ключа, входами первого 9 и второго 10 накопительного конденсатора и входом блока 11 управления, первый выход которого подключен к управляющим входам первого 7 и четвертого 6 электронного ключа, а второй - к управляющим входам второго 8 и третьего 5 электронного ключа, трансформатор 12, на котором размещены первая 13 и вторая 14 первичные обмотки, входы которых подключены соответственно к выходам накопительных конденсаторов 9 и 10, а выход первой 13 - к силовому выходу первого 7 и силовому входу третьего 5 электронного ключа, - второй 14 - к силовому выходу второго 8 и силовому входу четвертого 6 электронного ключа, обмотка 15 обратной связи, соединенная соответственно с конденсатором 16 и входами выпрямителя 3 обратной связи, вторичная обмотка 17, соединенная соответственно с преобразователем 18 напряжения, силовые выходы которого подключены соответственно к нагрузке 19, а информационный выход - к второму входу блока 11 управления.

Генератор электрической энергии работает следующим образом. В момент включения на выходе входного выпрямителя 2 появляется напряжение (Фиг.2а) внешнего источника 1 питания и заряжает зарядный конденсатор 4 до уровня, необходимого для получения минимальной величины избыточной энергии. Одновременно с выходов блока 11 управления на входы электронных ключей поступают импульсы (Фиг.2д), которые поочередно включают-выключают то одну (первый 7 и четвертый 6), то другую (второй 8 и третий 5) пару электронных ключей, заряжая-разряжая, через первичные обмотки 13 и 14 трансформатора, накопительные конденсаторы 9 и 10, создавая при этом переменный магнитный поток (Фиг.2б), который индуцирует, с частотой, заданной блоком 11 управления, переменное напряжение в обмотках трансформатора 12. С контура обратной связи, образованного конденсатором 16 и обмоткой 15 и настроенного в резонанс с рабочей частотой генератора электрической энергии, через выпрямитель 3 обратной связи, поступает повышенное напряжение на зарядный конденсатор 4 и подзаряжает его с каждым полупериодом, при этом входной выпрямитель 2 закрывает поступление энергии от внешнего источника 1 питания. Напряжение на зарядном конденсаторе 4 стремительно растет (Фиг.2а), вызывая на первичных обмотках 13 и 14 импульсы тока с крутым передним и задним фронтом. Первичные обмотки, работая одновременно (одна на заряд другая на разряд соответствующего накопительного конденсатора), создают на трансформаторе мощный результирующий магнитный поток (Фиг.2б) с высоким пространственным градиентом напряженности магнитного поля, вызывая стремительный рост избыточной электроэнергии. Одновременно растет напряжение и на выходе вторичной обмотки 17, которое, достигнув заданной величины, включает преобразователь 18, где электроэнергия накапливается, преобразуется в удобный для потребителя вид (Фиг.2в) и подается на нагрузку 19. В процессе работы блок 11 управления анализирует информацию о величине высокого напряжения (Фиг.2а) и тока нагрузки (Фиг.2г) и выдает на управляющие входы электронных ключей пачки импульсов (Фиг.2д), длительность которых меняется в заданном временном интервале от нуля до полного заполнения, тем самым поддерживается заданное значение высокого напряжения (Фиг.2а).

Таким образом, двухтактный принцип работы, при котором одновременно работают обе первичные обмотки трансформатора, позволил создать результирующий переменный магнитный поток удвоенной амплитуды, что значительно увеличивает пространственный градиент магнитного поля трансформатора, при этом магнитное поле создается как током заряда, так и током разряда, дважды используя в работе один заряд накопительного конденсатора, а также отсутствуют потери энергии в трансформаторе, связанные с поддержанием верхнего уровня высокого напряжения. Вышеизложенное показывает, что двухтактный принцип работы значительно повышает выход избыточной электроэнергии, т.е. повышает кпд генератора электрической энергии.

Генератор электрической энергии, содержащий внешний источник питания, подключенный соответственно через входной выпрямитель к плюсу и минусу выпрямителя обратной связи и зарядному конденсатору, трансформатор, на котором размещены вторичная обмотка и обмотка обратной связи с повышенным количеством витков, которая подключена соответственно к конденсатору и входам выпрямителя обратной связи, отличающийся тем, что в него дополнительно введена вторая идентичная и противоположно направленная первой первичная обмотка трансформатора, при этом входы первичных обмоток подключены соответственно к выходам первого и второго накопительных конденсаторов, а выход первой - к силовому выходу первого и силовому входу третьего электронных ключей, второй - к силовому выходу второго и силовому входу четвертого электронных ключей, при этом силовые выходы третьего и четвертого электронных ключей соединены с минусом входного выпрямителя, выпрямителя обратной связи и зарядного конденсатора, плюс которых соединен с силовыми входами первого и второго электронных ключей, входами первого и второго накопительных конденсаторов и с входом блока управления, первый выход которого подключен к управляющим входам первого и четвертого электронных ключей, а второй - к управляющим входам второго и третьего электронных ключей, при этом вторичная обмотка трансформатора соединена соответственно с преобразователем напряжения, силовые выходы которого подключены соответственно к нагрузке, а информационный выход - к второму входу блока управления.

www.findpatent.ru

генератор электрической энергии - патент РФ 2073299

Использование: в народном хозяйстве и в быту. Сущность изобретения: корпус статора 1 выполнен в виде секторов, образующие кольцевые магниты 2 с прорезью для ротора 3, собранные в пакет по три штуки в каждом и обращенные друг к другу одноименными полюсами, образуя секторную тороидальную полость для катушек обмотки ротора с конденсаторами, образующих параллельные колебательные контуры 5 и, дополнительных катушек 6, установленных на одном ферросплавном сердечнике 7 с катушками колебательных контуров 5 и соединенных с трансформатором 8, первичная обмотка которого закреплена на роторе 3, а вторичная - на статоре 1. 5 ил. Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в народном хозяйстве и в быту. Известен генератор электрической энергии, содержащий корпус со статором с постоянными магнитами, закрепленный на валу ротор с катушками обмотки. Статор с магнитами служит для возбуждения главного магнитного поля машины, а во вращающемся роторе индуктируется ЭДС и проходят токи. Недостатком такого генератора электрической энергии является имеющаяся система возбуждения, при которой затрачивается большая механическая работа при преобразовании механической энергии в электрическую. Задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы изменить систему возбуждения в генераторе электрической энергии, уменьшить затрачиваемую механическую работу при преобразовании механической энергии в электрическую и увеличить КПД генератора электрической энергии. Указанная задача достигается тем, что корпус статора выполнен из двух половин, в которых закреплены постоянные магниты, выполненные в виде секторов, образующие кольцевые магниты с прорезью для ротора, собранные в пакет по три штуки в каждом и обращенные друг к другу одноименными полюсами, образуя секторную тороидальную полость для катушек обмотки ротора с конденсаторами, образующих параллельные колебательные контуры, и дополнительных катушек, установленных на одном ферросплавном сердечнике с катушками колебательных контуров и соединенных с трансформатором, первичная обмотка которого закреплена на роторе, а вторичная на статоре. Изобретение является новым, так как в отличие от прототипа корпус статора изготовлен из двух половин, в которых закреплены постоянные магниты, выполненные в виде секторов, образующие кольцевые магниты с прорезью для ротора, собранные в пакеты по три штуки в каждом и обращенные друг к другу одноименными полюсами, образуя секторную тороидальную полость для катушек обмотки ротора с конденсаторами, образующих параллельные колебательные контуры, и дополнительных катушек, установленных на одном ферросплавном сердечнике с катушками колебательных контуров и соединенных с трансформатором, первичная обмотка которого закреплена на роторе, а вторичная на статоре. В результате этого в генераторе электрической энергии изменяется система возбуждения, при которой затрачивается минимальная механическая работа при преобразовании механической энергии в электрическую и увеличивается КПД генератора электрической энергии. На фиг.1-5 изображен предлагаемый генератор. Предлагаемый генератор электрической энергии состоит (фиг. 1) из неподвижной части статора 1, состоящего из двух разъемных частей, в которых установлены кольцевые секторные постоянные магниты 2, подвижной части ротора 3, закрепленного на валу 4, параллельных колебательных контуров 5, дополнительных катушек индуктивности 6, установленных на ферросплавном сердечника 7, трансформатора 8. Генератор электрической энергии работает следующим образом (фиг. 1). При вращении вала 4 ротор 3 с параллельными колебательными контурами 5 и дополнительными катушками индуктивности 6, установленными на ферросплавном сердечнике 7, начнет совершать вращательное движение во внутренней тороидальной полости секторов, образованных из кольцевых постоянных магнитов 2. При достижении синхронизации частоты вращения ротора с резонансной частотой колебательных контуров в катушках индуктивности колебательных контуров 5 и в дополнительных катушках индуктивности 6 будет индуктироваться электродвижущая сила, которая посредством индуктивной связи начнет поступать с дополнительных катушек индуктивности 6 через проводники на трансформатор 8, первичная обмотка которого находится на роторе, а вторичная обмотка располагается на статоре, к проводникам которой может быть подключен потребитель электроэнергии. Для того, чтобы генератор электрической энергии был работоспособен, необходимо, чтобы катушки параллельных колебательных контуров 5 и дополнительные катушки индуктивности 6 возбуждались в противоположной фазе. Для этого ширина обмоток катушек индуктивности должна соответствовать шаговому расстоянию между кольцевыми магнитами, а толщина сечения постоянного кольцевого магнита должна выбираться с таким расчетом, чтобы при делении среднего диаметра окружности, по которой вращается ферросплавный сердечник с катушками на величину шагового расстояния между магнитами, где 2rср длина среднего диаметра окружности; h шаговое расстояние между магнитами, получалось целое число, что будет соответствовать кратному числу колебаний, совершаемому колебательным контуром за один оборот ротора при резонансной частоте. Рассмотрим, как в генераторе электрической энергии при помощи кольцевых секторных постоянных магнитов образуется система возбуждения, при помощи которой наводится электродвижущая сила в катушках индуктивности параллельных колебательных контуров. Известно, что кольцевой постоянный магнит внутри магнитного кольца содержит гомогенный магнитный поток, одинаковый по величине, магнитно-силовые линии которого располагаются в одном направлении. Тот торец магнита, из которого силовые линии выходят, является северным полюсом, а противоположный - южным полюсом. Но кроме всего этого, кольцевой постоянный магнит (фиг. 2) в поперечном сечении, на торцевых поверхностях отверстий, по осевой линии содержит две магнитные зоны, в которых фокусируются магнитно-силовые линии и магнитное поле меняет свое направление. Это утверждение основано на проведенном исследовании кольцевого магнита при помощи металлических опилок и картона, который укладывался на торцевую поверхность кольцевого магнита, после чего на него насыпались металлические опилки, которые при подъеме и опускании картона относительно торцевой плоскости кольцевого магнита проявляли изменение направления магнитного потока. Причем, если внимательно посмотреть на структуру магнитно-силовых линий, проявленную металлическими опилками, то можно также заметить, что магнитно-силовые линии внутри магнитного кольца кольцевого магнита (фиг. 2) имеют дугообразную форму. Подтверждением этому может послужить публикация в журнале "Техника молодежи" N 6, 1991 г. с. 2. В результате этого при установке кольцевых постоянных магнитов друг к другу одноименными полюсами в пакет по три штуки (фиг. 3 и 4) на границе сопряжения одноименных полюсов увеличивается плотность магнитно-силовых линий и как следствие увеличивается магнитный поток. В итоге катушки индуктивности параллельных колебательных контуров при движении во внутренней тороидальной полости секторов будут пересекать магнитно-силовые линии поперек усиленного магнитного потока, а ферросплавный сердечник, на котором установлена катушка индуктивности будет пересекать магнитно-силовые линии вдоль магнитно-силовых линий потока возбуждения. Поэтому элементарные магнетики внутри ферросплавного сердечника будут стремиться ориентироваться вдоль магнитно-силовых линий потока возбуждения, периодически от магнита к рядом стоящему магниту меняя свою ориентацию, перемагничиваться. Иначе говоря, в проводниках катушек индуктивности параллельных колебательных контуров будет индуктироваться ток, стремящийся по закону Ленца задерживать перемену магнитного поля в катушках индуктивности. Применение такого механизма индуктивности ЭДС увеличивает силу тока и мощность генератора электрической энергии, потому что действующее значение тока, изменяясь по направлению, не изменяется по величине, так как магнитный поток переменный по направлению, но одинаковый по величине. Ввиду того, что кольцевой постоянный магнит содержит две магнитные зоны, в которых магнитное поле меняет свое направление, то при поступательном движении катушки индуктивности параллельного колебательного контура внутри магнитного кольца в ее витках будет индуктироваться ЭДС отрицательной и положительной величины при минимальном затрате времени, где W число витков в катушке индуктивности; величина магнитного потока. Так как время, в течение которого изменяется магнитный поток равно, где S путь равный толщине кольцевого постоянного магнита; V скорость перемены магнитного потока, то, установив секторные постоянные магниты на статоре одноименными полюсами друг к другу с одинаковым шаговым расстоянием, с минимальным зазором между торцами полюсов, тогда время, в течение которого будет изменяться магнитный поток для проводников катушек индуктивности, окажется равным, где h путь равный шаговому расстоянию между постоянными секторными кольцевыми магнитами; V скорость изменения магнитного потока. В результате формула величины индуктируемой ЭДС для катушки колебательного контура примет вид Рассмотрим, каким образом запускается в работу параллельный колебательный контур. Так как кольцевой постоянный магнит содержит внутри магнитного кольца две зоны, в которых магнитное поле меняет свое направление, то в катушке индуктивности колебательного контура при пересечении ее витками магнитного потока кольцевого постоянного магнита в витках катушки будет наводиться электродвижущая сила. Причем при входе в кольцевой постоянный магнит в катушке индуктивности индуктируется положительная амплитуда ЭДС, а при выходе из кольцевого магнита отрицательная амплитуда ЭДС, при этом энергия магнитного поля индуктивности переходит в энергию электрического поля конденсатора, а при выходе индуктивности колебательного контура из тороидальной полости колебательный контур 5 будет продолжать работать в режиме свободных колебаний согласно закону сохранения энергии, при котором происходит перекачка энергии из электрического поля конденсатора в магнитное поле катушки индуктивности и наоборот. В параллельном колебательном контуре возникает колебательный процесс, который будет сопровождаться изменением направления магнитно-силовых линий в ферросплавном сердечнике 7, то есть в ферросплавном сердечнике образуется переменный магнитный поток, в результате которого в дополнительных катушках индуктивности 6 будет наводиться электродвижущая сила. При этом период свободных колебаний в контуре будет определяться значением электроемкости C конденсатора и индуктивности L катушки, где период равен С возникновением свободного колебательного процесса, сопровождающегося изменения магнитного потока в катушках индуктивности, сила тока в контуре (i= q) и напряжения на конденсаторе будет изменяться с течением времени по гармоническому закону, то есть по закону синуса и косинуса Используя уравнение напряжения для колебательного контура, в котором примем, тогда уравнение напряжения в генераторе электрической энергии для колебательного контура примет вид При этом работа сил электрического поля по любому замкнутому пути, а также при перемещении заряда q по электрическому контуру равна нулю. A=qUC+qUL=0 то есть в любой момент времени напряжение Uc на обкладках конденсатора равно по абсолютному значению и противоположно по знаку напряжению UL на концах катушки индуктивности UC=-UL При частоте резонанса ток индуктивный IL равен току емкостному IC и их разность также будет равна нулю, следовательно, ток резонансный в контуре будет равен току активного сопротивления Iрез=Ir В связи с этим можно утверждать, что коэффициент мощности генератора электрической энергии будет равен единице, так как ток и напряжение в контуре будут совпадать по фазе. Рассмотрим подробно колебательный процесс, происходящий в параллельном колебательном контуре. Пусть в некоторый момент времени при выходе катушки индуктивности колебательного контура из тороидального сектора ток в катушке отсутствует. При этом вся энергия контура сосредоточена в конденсаторе. Заряд конденсатора равен q0=CU0, а полная электрическая энергия колебательного контура Под действием напряжения конденсатора U0 через катушку потечет ток I, который будет возрастать до тех пор, пока конденсатор полностью не разрядиться. В этот момент электрическая энергия колебательного контура равна нулю, а магнитная энергия индуктивности равна, далее ток начнет падать, а напряжение на конденсаторе возрастать по абсолютной величине, но с противоположным знаком. Через время от начала процесса ток прекратиться, а конденсатор зарядится до напряжения (-U0). Энергия контура вновь сосредоточена в конденсаторе. Далее процесс повторяется, но с противоположным направлением тока. Таким образом, дважды за время T0 в колебательном контуре происходит переход электрической энергии в магнитную и обратно. Так как энергия колебательной системы равна, следовательно, из этого следует Эта энергия по закону Джоуля-Ленца превращается во внутреннюю W=Q=I2срRt Преобразуя формулу превращения энергии относительно времени, получим, тогда В итоге получается, чем больше индуктивность катушки и меньше ее активное сопротивление, тем больше свободных колебаний совершит колебательный контур прежде чем затухнет. Это требование легко реализуется в изобретении, так как, если сравнить обмотки катушки индуктивности генераторов электрической энергии прототипа и изобретения, то видно, что при одном и том же количестве витков одного и того же диаметра обмоточного провода, длина проводника в обмотках катушек индуктивности в генераторе электрической энергии с кольцевыми магнитами будет намного меньше, чем у прототипа. Уменьшение активного сопротивления катушек индуктивности обеспечивает увеличение тока в замкнутой цепи генератора и, как следствие, в результате этого увеличивается мощность генератора электрической энергии. В заявленном генераторе электрической энергии конструкция катушек индуктивности колебательных контуров и дополнительных катушек индуктивности 6 в технологическом плане намного проще, чем у прототипа и имеют конструкцию (фиг. 5), состоящую из феppосплавного каркаса 9, внутренняя поверхность которого содержит изоляцию из диэлектрика 10, которым может быть фторопласт или стеклотекстолит и индуктивную обмотку из медного провода 6. Закрепление на роторе катушек индуктивности, установленных на ферросплавном сердечнике, можно осуществить при помощи хомутов 11 с болтовым соединением, предварительно установив в предусмотренные пазы. Сравнивая новую конструкцию генератора электрической энергии с прототипом, ясно видно, что затраченная механическая работа A=PS, где Р сила приводного устройства; S путь, равный толщине кольцевого постоянного магнита при преобразовании механической энергии в электрическую, будет минимальной, так как путь S, за который образуется положительная и отрицательная величины ЭДС, получается равным величине h ширина шагового расстояния между постоянными кольцевыми магнитами, а в прототипе этот путь S равен расстоянию "D" длине окружности, по которой вращается катушка индуктивности со скоростью V. Если посмотреть на эскиз чертежа (фиг. 1), то можно увидеть, что в пределах одного оборота ротора электромагнитный тормозной момент, уравновешенный первичным двигателем, действует короткое время, то есть только в момент прохождения катушками индуктивности пакетов магнитного кольца, где 3h пакет из магнитных колец. Дальнейший путь в пределах одного оборота ротора катушки индуктивности параллельных колебательных контуров совершают по воздуху. В этом время электродвижущая сила в дополнительных катушках индуктивности 6 наводится за счет колебательного процесса, происходящего в параллельных колебательных контурах при помощи запасенной энергии электрическим полем конденсаторов. При этом, как уже было сказано ранее, работа сил электрического поля по любому замкнутому пути равна нулю. Известно, что электрическая машина генератор преобразует механическую энергию в электрическую. В связи с этим КПД генератора электрической энергии можно выразить соотношением электрической мощности и механической мощности, где P электрическая полезная мощность генератора электрической энергии равна P=UI, заменяя, тогда формула электрической мощности примет вид, где , а затраченная механическая мощность в генераторе электрической энергии равна произведенной механической работе за единицу времени Исходя из этого, КПД генератора электрической энергии можно выразить соотношением Преобразуя полученное выражение, получим, но так как в прототипе время, в течение которого происходит преобразование механической энергии в электрическую, равно, где S путь, равный расстоянию "D" длине окружности, за который образуется положительная и отрицательная величины ЭДС, а в новом генераторе электрической энергии время, в течение которого происходит преобразование механической энергии в электрическую равно , где S путь, равный величине h, равный шаговому расстоянию между кольцевыми постоянными магнитами, в течение которого образуется положительная и отрицательная величины ЭДС, то полученная разница в пути дает основание утверждать, что КПД генератора электрической энергии, увеличится в несколько раз, так как "D" больше h. В результате того, что количество колебательных контуров может быть установлено на роторе генератора электрической энергии множество и возбуждаться они будут при резонансной частоте в одной фазе, то полученный КПД генератора электрической энергии в этом случае нужно умножить на количество установленных колебательных контуров. , где n количество колебательных контуров. Генератор электрической энергии предполагается использовать для выработки электроэнергии постоянного тока, для этого к генератору электрической энергии необходимо установить выпрямитель.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Генератор электрической энергии, содержащий корпус со статором с постоянными магнитами, закрепленный на валу ротор с катушками обмотки, отличающийся тем, что корпус статора выполнен из двух половин, в которых закреплены постоянные магниты, выполненные в виде секторов, образующие кольцевые магниты с прорезью для ротора, собранные в пакет по три штуки в каждом и обращенные друг к другу одноименными полюсами, образуя секторную тороидальную полость для катушек обмотки ротора с конденсаторами, образующих параллельные колебательные контуры, и дополнительных катушек, установленных на одном ферросплавном сердечнике с катушками колебательных контуров и соединенных с трансформатором, первичная обмотка которого закреплена на роторе, а вторичная на статоре.

www.freepatent.ru

Способ генерирования электрической энергии

Изобретение относится к устройствам генерирования электроэнергии. Техническим результатом от использования предложенного способа является повышение энергетической автономности боевой индивидуальной экипировки солдата и приборов, навешиваемых на стрелковое оружие, уменьшение веса устройств, генерирующих электрическую энергию, упрощение обслуживания и эксплуатации, уменьшение затрат на логистику, исключение дополнительных демаскирующих факторов и возможность генерирования электрической энергии для каждого солдата непосредственно во время боя. Для этого предлагается способ генерирования электрической энергии, заключающийся в использовании устройства, содержащего линейный или роторный электрический генератор и механизм его привода, отличающийся тем, что привод генератора осуществляется путем преобразования кинетической энергии подвижных частей затворной группы стрелкового оружия в процессе производства выстрелов во вращательное или возвратно-поступательное движение якоря электрического генератора путем взаимодействия затворной группы с механизмом привода генератора. 3 ил.

 

Изобретение относится к способам генерирования электрической энергии в полевых условиях, в частности к способам преобразования механической энергии в электрическую, преимущественно для энергообеспечения индивидуальной экипировки солдата и приборов, навешиваемых на стрелковое оружие.

Известен способ генерирования электрической энергии путем привода ротора электрического генератора при помощи мускульной силы человека (патент РФ №2376699).

Недостатком такого способа является низкая энергетическая эффективность, неудобство применения (быстрая утомляемость, большие затраты времени), невозможность использования данного способа непосредственно во время боя.

Известны способы генерирования электрической энергии путем преобразования возобновляемых видов энергии - энергии ветра и воды в электрическую энергию при помощи ветро или гидро двигателей и электрического генератора (статья «Американская армия будет использовать альтернативную энергию в полевых условиях», сайт www.ecovoice.ru).

Недостатки данного способа - непостоянство возобновляемых источников энергии, зависимость от природно-климатических условий, недостаточная энергетическая эффективность, относительно высокие массово габаритные показатели, неудобство применения в боевых условиях.

Наиболее близкими с предлагаемым способом, с технической точки зрения является способ генерирования электрической энергии путем преобразования механической энергии тепловых двигателей в электрическую энергию при помощи электрогенераторов (статья «Экипировка солдата будущего», сайт ОРУЖИЕ РОССИИ, www.arms-expo.ru).

Недостатками этого способа, применительно именно к способам генерирования электрической энергии для энергетического обеспечения индивидуальной экипировки солдата и приборов навешиваемых на стрелковое оружие, является необходимость ношения запаса топлива для питания теплового двигателя (что увеличивает вес индивидуальной экипировки солдата и создает дополнительные логистические проблемы), относительно большой вес собственно устройств для реализации данных способов, высокая стоимость подобных устройств и необходимость дополнительных затрат времени на обслуживание и эксплуатацию, крайняя затрудненность или практическая невозможность генерирования электрической энергии непосредственно во время боя, дополнительные демаскирующие факторы, связанные с шумом и тепловыделением создаваемым двигателем.

Целью изобретения является повышение энергетической автономности боевой индивидуальной экипировки солдата и приборов, навешиваемых на стрелковое оружие и уменьшение веса устройств генерирующих электрическую энергию.

Решением поставленной задачи является предлагаемый способ генерирования электрической энергии, основанный на использовании кинетической энергии затворной группы стрелкового оружия, путем преобразования ее в энергию электрическую.

Способ генерирования электрической энергии реализуется устройством, содержащим линейный или роторный электрический генератор с механизмом привода, отличающийся тем, что привод генератора осуществляется путем преобразования кинетической энергии подвижных частей затворной группы стрелкового оружия непосредственно во время движения в процессе выстрела или в конце отката и/или выката, во вращательное или возвратно-поступательное движение якоря/ротора электрического генератора путем взаимодействия затворной группы с механизмом привода генератора.

На Фиг.1 показано устройство для генерирования электрической энергии на основе использования кинетической энергии затворной группы стрелкового оружия в конце отката затворной группы во время выстрела, с механизмом привода, выполненного на основе поворотного рычага.

На Фиг.2 изображено устройство для генерирования электрической энергии на основе использования кинетической энергии затворной группы стрелкового оружия в конце отката во время выстрела с механизмом привода, выполненного на основе рычажного механизма, совершающего возвратно-поступательные перемещения.

На Фиг.3 изображено устройство для генерирования электрической энергии на основе использования кинетической энергии затворной группы стрелкового оружия во время возвратно-поступательного движения во время производства выстрелов.

Способ генерирования электрической энергии реализуется, в частности, устройством, изображенным на Фиг.1, которое работает следующим образом.

После того как произойдет выстрел, пороховые газы начинают давить на поршень затворной рамы и она совместно с затвором начинает откат в свое крайнее заднее положение. Не доходя некоторое расстояние до задней стенки ствольной коробки, затворная рама с затвором набегает на подпружиненный рычаг 1, передавая ему большую часть своей кинетической энергии и заставляет последний поворачиваться на некоторый угол, приводя, в свою очередь, во вращение вал 2 механизма свободного хода 3 (далее - МСХ). На валу МСХ закреплена шестерня 4, которая находится во взаимодействии с шестерней 5, закрепленной на валу генератора 6, и тем самым приводит якорь генератора во вращение. Генератор начинает вырабатывать электрический ток, который по проводам поступает в зарядное устройство 7. Наличие в конструкции МСХ обеспечивает вращение генератора в одном направлении, а значительный импульс затворной группы гарантирует достаточно высокую электрическую мощность устройства.

В случае, если способ генерирования электрической энергии реализуется устройством, изображенным на Фиг.2, оно работает следующим образом.

После того как произойдет выстрел, пороховые газы начинают давить на поршень затворной рамы, и она совместно с затвором начинает откатываться в свое крайнее заднее положение. Не доходя некоторое расстояние до задней стенки ствольной коробки, затворная рама набегает на подпружиненный рычаг 6 буферного механизма, передавая ему свой импульс и заставляя его перемещаться в свое крайнее заднее положение. Рычаг буферного устройства выполнен заодно с зубчатой рейкой 5, которая взаимодействует с передаточным механизмом, состоящим из шестерен 3 и 4 и МСХ, передаточный механизм взаимодействует с шестерней 2 привода генератора 1, заставляя якорь последнего вращаться. Генератор начинает вырабатывать электрический ток, который по проводам 7 подается на клеммы 8 и 10 зарядного устройства, обеспечивая зарядку аккумуляторных элементов 9.

В случае, если способ генерирования электрической энергии реализуется устройством, изображенным на Фиг.3, оно работает следующим образом.

После того как произошел выстрел, затворная группа 1 начинает откат в свое крайнее заднее положение, при этом зубчатая рейка 2, выполненная на корпусе затвора или затворной рамы взаимодействует с зубчатым колесом 3, генератора 9, являющегося частью устройства для генерирования электрической энергии, закрепленного на ствольной коробке 8, зубчатое колесо через вал 5 передает вращение МСХ 9, установленному на валу якоря генератора, или непосредственно якорю генератора. Генератор начинает вырабатывать электрический ток, который подается сначала в контроллер 6, а затем в зарядное устройство 7.

Аналогичными или любыми другими способами может быть реализованы устройства для генерации электрической энергии при использовании энергии выката затворной рамы (затвора) вперед.

Возможны любые другие варианты исполнения устройств, для реализации предложенного способа генерирования электрической энергии.

Способ генерирования электрической энергии, заключающийся в использовании устройства, содержащего линейный или роторный электрический генератор и механизм его привода, отличающийся тем, что привод генератора осуществляется путем преобразования кинетической энергии подвижных частей затворной группы стрелкового оружия во время выстрелов во вращательное или возвратно-поступательное движение якоря электрического генератора, путем взаимодействия затворной группы с механизмом привода генератора.

www.findpatent.ru

---

• 
  Генеральный директор моэск
• 
  Что лучше 220 или 380
• 
  Камыш бурунская тэц
• 
  Камыш бурунская тэц
• 
  Пхг глебовское
• 
  Пхг глебовское
• 
  Подключить тв кабель к тв розетке
• 
  Подключить тв кабель к тв розетке
• 
  Турбины принцип действия
• 
  Турбины принцип действия
• 
  Работа гэс