Неподвижный электромагнитный генератор
Патрик и др .
(26 марта 2002 г.)
Аннотация ~
Электромагнитный генератор без движущихся частей включает постоянный магнит и магнитный сердечник, включающий первую и вторую магнитные дорожки. Первая входная катушка и первая выходная катушка проходят вокруг частей первого магнитного пути, тогда как вторая входная катушка и вторая выходная катушка проходят вокруг частей второго магнитного пути. Входные катушки поочередно подаются импульсами для создания импульсов индуцированного тока в выходных катушках. Пропуск электрического тока через каждую из входных катушек снижает уровень магнитного потока от постоянного магнита внутри пути магнита, вокруг которого проходит входная катушка. В альтернативном варианте электромагнитного генератора магнитный сердечник включает в себя кольцевые разнесенные пластины со штырями и постоянными магнитами, проходящими поочередно между пластинами. Выходная катушка проходит вокруг каждого из этих столбов. Входные катушки, проходящие вокруг частей пластин, подаются импульсами, вызывая индукцию тока внутри выходных катушек.
Изобретатели: Патрик, Стивен Л. (2511 Woodview Dr. SE., Хантсвилл, Алабама, 35801); Берден, Томас Э. (2211 Cove Rd., Хантсвилл, Алабама, 35801); Хейс, Джеймс К. (16026 Deaton Dr. SE., Хантсвилл, Алабама, 35803); Мур, Кеннет Д. (1704 Montdale Rd., Хантсвилл, Флорида 35801); Кенни, Джеймс Л. (925 Tascosa Dr., Хантсвилл, Алабама, 35802)
Прил. №: 656313 ~ Заявлено 6 сентября 2000 г.
Текущий класс в США: 336/214 ~ Международный класс: H01F 027/24
Область поиска: 363/16,24,25,26,56.06,56.08,133,134 336/15,110,155,177,180,213,214, 221 222
Цитированные ссылки (патентные документы США) ~
2153378 (апрель 1939 г.), Крамер (171/95) ~ 2892155 (июнь 1959 г.), Радус и др. (324/117) ~ 3 079 535 (февраль 1963 г.), Шульц (317/201) ~ 3 165 723 (январь 1965 г.), Радус (340/174) ~ 3 228 013 (январь 1966 г.), Олсон и др. (340/174) ~ 3 254 268 (май 1966 г.), Радус и др. (317/14) ~ 3 316 514 (апрель 1967 г.), Радус и др. (335/291) ~ 3 368 141 (февраль 1968 г.), Субьета-Гаррон (323/44) ~ 3 391 358 (июль 1968 г.), Братковски и др. (335/21) ~ 3 453 876 (июль 1969 г.), Радус (73/141) ~ 3 517 300 (июнь 1970 г.), МакМюррей. ~ 3 569 947 (март 1971 г.), Радус (340/174) ~ 3 599 074 (август 1971 г.), Адамс. ~ 4 006 401 (февраль 1977 г.), де Ривас (323/92)
4 077 001 (февраль 1978 г.), Ричардсон (323/92) ~ 4 366 532 (декабрь 1982 г.), Роза и др. (363/69) ~ 4 482 945 (ноябрь 1984 г.), Wolf и др. (363/129) ~ 4 554 524 (ноябрь 1985 г.), Радус (337/3) ~ 4 853 668 (август 1989 г.), Блум (336/214) ~ 4 864 478 (сентябрь 1989 г.), Блум (363/16) ~ 4 904 926 (февраль 1990 г.), Пасичинский (323/362) ~ 5 011 821 (апрель 1991 г.), Маккалоу (505/1) ~ 5 221 892 (июнь 1993 г.), Салливан и др. (323/362) ~ 5 245 521 (сентябрь 1993 г.), Спрен (363/37) ~ 5 327 015 (июль 1994 г.), Хакет (505/211) ~ 5 335 163 (август 1994 г.), Зайерсен (363/126) ~ 5 694 030 (декабрь 1997 г.), Сато и др. (323/282)
Другие ссылки ~
Раймонд Дж. Радус, «Цепь с постоянным магнитом, использующая принцип передачи потока», Engineers' Digest , 24 (1–6) января – июня. 1963, с. 86.
Роберт О'Хэндли, Современные магнитные материалы, принципы и приложения , John Wiley & Sons, Inc., 2000, стр. 456-468.
Роберт К. Уэст, редактор, Справочник CRC по химии и физике , 1978–1979, стр. Б-50.
Веб-сайт Honeywell.com, «Аморфные металлы».
Главный эксперт: Нгуен; Мэтью ~ Адвокат, агент или фирма: Фридланд; Норман
Описание ~
- Область изобретения ~
Настоящее изобретение относится к магнитному генератору, используемому для производства электрической энергии без движущихся частей, и, более конкретно, к такому устройству, имеющему возможность во время работы производить электрическую энергию без внешнего приложения входной мощности через входные катушки.
- Описание предшествующего уровня техники ~
В патентной литературе описан ряд магнитных генераторов, каждый из которых включает в себя постоянный магнит, два магнитных пути, внешних по отношению к постоянному магниту, каждый из которых проходит между противоположными полюсами постоянного магнита, переключающее средство, вызывающее попеременное течение магнитного потока вдоль каждый из двух магнитных путей и одну или несколько выходных катушек, в которых ток индуцируется посредством изменений магнитного поля внутри устройства. Эти устройства работают в соответствии с расширением закона Фарадея, указывающим, что электрический ток индуцируется внутри проводника в изменяющемся магнитном поле, даже если источник магнитного поля неподвижен.
Метод переключения магнитного потока, чтобы течь преимущественно по одному из двух магнитных путей между противоположными полюсами постоянного магнита, описан Р. Дж. Радусом в журнале Engineer's Digest от 23 июля 1963 года как принцип «переноса потока». Этот принцип используется для мощная магнитная сила на одном конце северного и южного полюсов и очень низкая сила на другом конце, без использования в конструкции магнитного генератора. Этот эффект может быть вызван механически, за счет движения держателя, или электрически, за счет пропускания электрического тока через одну или несколько обмоток управления, проходящих вокруг удлиненных вариантов полюсных наконечников 14. Несколько устройств, использующих этот эффект, описаны в патенте США № 14,200,200. №№ 3165723, 3228013 и 3316514, которые включены сюда в качестве ссылки.
Еще один шаг на пути к разработке магнитного генератора описан в пат. № 3368141, который включен сюда посредством ссылки, как устройство, включающее постоянный магнит в сочетании с трансформатором, имеющим первую и вторую обмотки вокруг сердечника, с двумя путями магнитного потока, ведущими от каждого полюса постоянного магнита к любому концу сердечник, так что, когда переменный ток вызывает изменение направления магнитного потока в сердечнике, магнитный поток от постоянного магнита автоматически направляется по пути, который соответствует направлению, принимаемому магнитным потоком через сердечник из-за тока. Таким образом, магнитный поток усиливается. Это устройство можно использовать для улучшения коэффициента мощности обычно индуктивно нагруженной цепи переменного тока.
В других патентах описаны магнитные генераторы, в которых электрический ток от одной или нескольких выходных катушек доступен для управления нагрузкой более традиционным способом генератора. Например, патент США. В патенте США № 4006401, включенном сюда посредством ссылки, описан электромагнитный генератор, включающий постоянный магнит и элемент с сердечником, в котором магнитный поток, текущий от магнита в элементе с сердечником, быстро изменяется путем переключения для генерации переменного тока в обмотке при включении. основной член. Устройство включает в себя постоянный магнит и две отдельные цепи магнитного потока между северным и южным полюсами магнита. Каждая из цепей включает в себя два переключающих средства для поочередного открытия и закрытия цепей, генерации переменного тока в обмотке на сердечнике. Каждое из средств переключения включает в себя переключающую магнитную цепь, пересекающую путь цепи, при этом переключающая магнитная цепь имеет катушку, через которую подается ток, индуцирующий магнитный поток для насыщения пути цепи, проходящего к постоянному магниту. Мощность для возбуждения этих катушек поступает непосредственно от выхода постоянно подаваемого источника переменного тока. Необходим электромагнитный генератор, не требующий применения такого источника тока.
Патент США. В патенте США № 4077001, включенном сюда посредством ссылки, описан магнитный генератор или преобразователь постоянного тока в постоянный, содержащий постоянный магнит, имеющий разнесенные полюса, и постоянное магнитное поле, простирающееся между полюсами магнита. Сердечник с переменным сопротивлением расположен в поле в фиксированном положении по отношению к магниту, и сопротивление сердечника изменяется, вызывая смещение структуры силовых линий магнитного поля. Выходной проводник расположен в поле неподвижно относительно магнита и расположен так, чтобы его разрезали смещающиеся линии постоянной магнитной силы, так что в проводнике индуцируется напряжение. Магнитный поток переключается между альтернативными путями с помощью переключающих катушек, проходящих вокруг частей сердечника, при этом поток тока чередуется между этими переключающими катушками с помощью пары транзисторов, управляемых выходами триггера. Входной сигнал триггера управляется генератором регулируемой частоты. Питание для этой схемы управления подается через дополнительный отдельный источник питания. Необходим магнитный генератор, не требующий применения такого источника энергии.
Патент США. В патенте США № 4904926, включенном сюда в качестве ссылки, описан другой магнитный генератор, использующий движение магнитного поля. Устройство включает в себя электрическую обмотку, образующую магнитопроводящую зону, имеющую основания на каждом конце, причем обмотка включает элементы для отвода из нее наведенного тока. Генератор дополнительно включает в себя два полюсных магнита, каждый из которых имеет первый и второй полюс, причем каждый первый полюс находится в магнитной связи с одним основанием магнитопроводящей зоны. Генератор дополнительно включает в себя третий полюсный магнит, третий полюсный магнит ориентирован между первыми полюсами двух полюсных электромагнитов, третий полюсный магнит имеет магнитную ось, по существу поперечную оси магнитопроводящей зоны, третий магнит имеет полюс ближайшим к проводящей зоне и находящимся в магнитном притяжении к первым полюсам двухполюсных электромагнитов, у которых их первые полюса подобны полюсам. Также в состав генератора входят элементы в виде обмоток для циклического изменения магнитной полярности электромагнитов. Эти реверсивные средства посредством циклического изменения магнитной полярности электромагнитов заставляют линии магнитного потока, связанные с отношениями магнитного притяжения между первыми полюсами электромагнитов и ближайшим полюсом третьего магнита, соответственно меняться, вызывая эффект вытирания. через магнитопроводящую зону, когда линии магнитного потока колеблются между соответствующими первыми полюсами двух электромагнитов, тем самым вызывая движение электронов внутри выходных обмоток и, таким образом, генерируя поток тока внутри выходных обмоток.
Патент США. В патенте США № 5221892, включенном в настоящий документ посредством ссылки, описан магнитный генератор в форме трансформатора сжатия потока постоянного тока, включающего в себя магнитную оболочку, имеющую полюса, определяющие магнитную ось, и характеризующийся узором линий магнитного потока с полярной симметрией относительно оси. . Линии магнитного потока пространственно смещаются относительно магнитной оболочки с помощью элементов управления, механически неподвижных относительно сердечника. Кроме того, предусмотрены индуктивные элементы, которые также механически неподвижны относительно магнитной оболочки. Пространственное смещение потока относительно индуктивных элементов вызывает протекание электрического тока. Кроме того, предусмотрены клапаны магнитного потока, которые обеспечивают изменение магнитного сопротивления для создания во временной области структуры соответственно увеличенного и уменьшенного магнитного сопротивления на магнитных клапанах и, тем самым, на индуктивных элементах.
Другие патенты описывают устройства, использующие сверхпроводящие элементы для создания движения магнитного потока. Эти устройства работают в соответствии с эффектом Мейснера, который описывает вытеснение магнитного потока изнутри сверхпроводящей структуры при переходе структуры в сверхпроводящую фазу. Например, патент США. В патенте США № 5011821, включенном сюда посредством ссылки, описано устройство, генерирующее электроэнергию, включающее пучок проводников, которые помещены в магнитное поле, создаваемое северным и южным полюсными наконечниками постоянного магнита. Магнитное поле перемещается вперед и назад через пучок проводников с помощью пары тонких пленок сверхпроводящего материала. Одна из тонких пленок находится в сверхпроводящем состоянии, а другая тонкая пленка находится в несверхпроводящем состоянии. Поскольку состояния между двумя пленками циклически меняются местами, магнитное поле отклоняется взад и вперед через пучок проводников.
Патент США. В патенте США № 5327015, который включен сюда посредством ссылки, описано устройство для создания электрического импульса, содержащее трубку, изготовленную из сверхпроводящего материала, источник магнитного потока, установленный около одного конца трубки, средство, такое как катушка, для перехвата поток, установленный вдоль трубки, и средство для изменения температуры сверхпроводника, установленное вокруг трубки. По мере того, как трубка постепенно становится сверхпроводящей, магнитное поле захватывается внутри трубки, создавая электрический импульс в средствах перехвата. Изменение состояния сверхпроводимости приводит к появлению второго импульса.
Ни одно из запатентованных устройств, описанных выше, не использует часть электроэнергии, генерируемой внутри устройства, для питания реверсивных средств, используемых для изменения пути магнитного потока. Таким образом, как и обычные роторные генераторы, эти устройства требуют постоянной подачи мощности, которая может быть в форме электрической энергии, приводящей в движение реверсивное средство одного из этих магнитных генераторов, или крутящего момента, приводящего в движение ротор обычного роторного генератора. Тем не менее, основная функция магнитной части электрического генератора заключается в простом переключении магнитных полей в соответствии с точным временем. В большинстве традиционных применений магнитных генераторов напряжение переключается на катушки, создавая в катушках магнитные поля, которые используются для подавления полей постоянных магнитов, так что для питания переключающих средств генератору необходимо подавать значительное количество энергии. , снижая КПД генератора.
Недавние достижения в области магнитных материалов, которые были особенно описаны Робертом К. О'Хэндли в книге «Современные магнитные материалы, принципы и приложения», John Wiley & Sons, Нью-Йорк, стр. 456-468, позволили создать нанокристаллические магнитные сплавы, которые особенно хорошо подходит для быстрого переключения магнитного потока. Эти сплавы в основном состоят из кристаллических зерен или кристаллитов, каждый из которых имеет по крайней мере один размер в несколько нанометров. Нанокристаллические материалы могут быть изготовлены путем термообработки аморфных сплавов, которые образуют предшественники нанокристаллических материалов, к которым добавляются нерастворимые элементы, такие как медь, для ускорения массового зародышеобразования, и к которым добавляются стабильные тугоплавкие легирующие материалы, такие как карбид ниобия или тантала. добавляются для подавления роста зерна. Большую часть объема нанокристаллических сплавов составляют хаотично распределенные кристаллиты размером около 2-40 нм. Эти кристаллиты зарождаются и растут из аморфной фазы, при этом нерастворимые элементы отторгаются в процессе роста кристаллитов. В магнитных терминах каждый кристаллит представляет собой однодоменную частицу. Остальной объем нанокристаллических сплавов состоит из аморфной фазы в виде границ зерен толщиной около 1 нм.
Магнитные материалы, обладающие особенно полезными свойствами, получают из аморфного сплава Co-Nb-B (кобальт-ниобий-бор), имеющего почти нулевую магнитострикцию и относительно сильную намагниченность, а также хорошую механическую прочность и коррозионную стойкость. Процесс отжига этого материала можно варьировать, чтобы изменить размер кристаллитов, образующихся в материале, что в результате сильно влияет на коэрцитивную силу постоянного тока. Выделение нанокристаллитов также улучшает характеристики аморфных сплавов при переменном токе.
Другие магнитные материалы изготавливаются с использованием богатых железом аморфных и нанокристаллических сплавов, которые обычно демонстрируют большую намагниченность, чем сплавы на основе кобальта. Такими материалами являются, например, сплавы Fe-B-Si-Nb-Cu (железо-бор-кремний-ниобий-медь). Хотя проницаемость аморфных сплавов с высоким содержанием железа ограничена их относительно высоким уровнем магнитострикции, формирование нанокристаллического материала из такого аморфного сплава резко снижает этот уровень магнитострикции, способствуя легкому намагничиванию.
Достигнуты также успехи в разработке материалов для постоянных магнитов, особенно в разработке материалов, включающих редкоземельные элементы. Такие материалы включают самарий-кобальт SmCo 5 , который используется для формирования материала постоянного магнита, имеющего самую высокую устойчивость к размагничиванию среди всех известных материалов. Другие магнитные материалы изготавливаются, например, с использованием комбинаций железа, неодима и бора.
Краткое описание изобретения ~
Первой целью настоящего изобретения является создание магнитного генератора, в котором исключается необходимость во внешнем источнике энергии во время работы генератора.
Второй целью настоящего изобретения является создание магнитного генератора, в котором путь магнитного потока изменяется без необходимости подавления магнитного поля для изменения его направления.
Третьей целью настоящего изобретения является создание магнитного генератора, в котором выработка электроэнергии осуществляется без движущихся частей.
В устройстве по настоящему изобретению путь магнитного потока от постоянного магнита переключается таким образом, чтобы не требовалось подавление магнитных полей. Кроме того, процесс самоинициируемого итеративного переключения используется для переключения магнитного потока от постоянного магнита между альтернативными магнитными путями внутри устройства, при этом мощность для управления итеративным переключением обеспечивается через схему управления, состоящую из компонентов, которые, как известно, используют низкую мощность. уровни власти. Благодаря самопереключению устраняется необходимость во внешнем источнике питания во время работы генератора, при этом отдельный источник питания, например аккумулятор, используется только в течение очень короткого времени во время запуска генератора.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предусмотрен электромагнитный генератор, включающий в себя постоянный магнит, магнитный сердечник, первую и вторую входные катушки, первую и вторую выходные катушки и схему переключения. Постоянный магнит имеет магнитные полюса на противоположных концах. Магнитный сердечник включает в себя первую магнитную дорожку, вокруг которой проходят первая входная и выходная катушки, и вторую магнитную дорожку, вокруг которой проходят вторые входная и выходная катушки, между противоположными концами постоянного магнита. Схема переключения поочередно пропускает электрический ток через первую и вторую входные катушки. Электрический ток, проходящий через первое входное масло, заставляет первую входную катушку создавать магнитное поле, противодействующее концентрации магнитного потока от постоянного магнита внутри первого магнитного пути. Электрический ток, проходящий через вторую входную катушку, заставляет вторую входную катушку создавать магнитное поле, противодействующее концентрации магнитного потока от постоянного магнита внутри второго магнитного пути.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предусмотрен электромагнитный генератор, включающий магнитный сердечник, множество постоянных магнитов, первое и второе множество входных катушек, множество выходных катушек и схему переключения. Магнитный сердечник включает в себя пару разнесенных пластин, каждая из которых имеет центральное отверстие, а также первое и второе множество штифтов, проходящих между разнесенными пластинами. Каждый из постоянных магнитов проходит между парой разнесенных друг от друга пластин. Каждый постоянный магнит имеет магнитные полюса на противоположных концах, при этом магнитные поля всех постоянных магнитов выровнены и простираются в одном направлении. Каждая входная катушка проходит вокруг части пластины внутри разнесенных пластин, между штырем и постоянным магнитом. Выходная катушка проходит вокруг каждого столба. Схема переключения поочередно пропускает электрический ток через первое и второе множество входных катушек. Электрический ток, проходящий через каждую входную катушку в первом множестве входных катушек, вызывает увеличение магнитного потока внутри каждого столба в первом множестве столбов от постоянных магнитов на каждой стороне столба и уменьшение магнитного потока внутри каждого столба во втором. множество столбов из постоянных магнитов с каждой стороны столба. Электрический ток, проходящий через каждую входную катушку во втором множестве входных катушек, вызывает уменьшение магнитного потока внутри каждого столба в первом множестве столбов от постоянных магнитов на каждой стороне столба и увеличение магнитного потока внутри каждого столба во втором множестве. множество столбов из постоянных магнитов с каждой стороны столба.
Краткое описание чертежей ~
Фигура 1 представляет собой частичный схематический вид спереди магнитного генератора и связанных с ним электрических цепей, построенных в соответствии с первой версией первого варианта осуществления настоящего изобретения;
Фигура 2 представляет собой схематический вид первой версии схемы переключения и управления в связанных электрических схемах Фигуры 1;
Фигура 3 представляет собой графическое представление сигналов возбуждения, вырабатываемых в схеме, показанной на фигуре 2;
Фигура 4 представляет собой схематический вид второй версии схемы переключения и управления в связанных электрических схемах Фигуры 1;
Фигура 5 представляет собой графическое представление сигналов возбуждения, вырабатываемых в схеме, показанной на фигуре 3;
Фигура 6А представляет собой графическое представление первого сигнала возбуждения в устройстве по фигуре 1;
Фигура 6B представляет собой графическое представление второго сигнала возбуждения в устройстве по фигуре 1;
Фигура 6C представляет собой графическое изображение сигнала входного напряжения в устройстве, показанном на фигуре 1;
Фигура 6D представляет собой графическое представление входного токового сигнала в устройстве, показанном на фигуре 1;
Фигура 6E представляет собой графическое представление первого сигнала выходного напряжения в устройстве по фигуре 1;
Фигура 6F представляет собой графическое изображение второго сигнала выходного напряжения в устройстве по фигуре 1;
Фигура 6G представляет собой графическое представление первого выходного токового сигнала в устройстве по фигуре 1;
Фигура 6H представляет собой графическое представление второго выходного токового сигнала в устройстве, показанном на фигуре 1;
Фигура 7 представляет собой графическое представление выходной мощности, измеренной в устройстве, показанном на фигуре 1, в зависимости от входного напряжения;
Фигура 8 представляет собой графическое изображение коэффициента полезного действия, рассчитанного на основе измерений внутри устройства, показанного на Фигуре 1, в зависимости от входного напряжения;
Фигура 9 представляет собой вид в разрезе второй версии первого варианта осуществления настоящего изобретения;
Фигура 10 представляет собой вид сверху магнитного генератора, построенного в соответствии с первой версией второго варианта осуществления настоящего изобретения;
Фигура 11 представляет собой вид спереди магнитного генератора, показанного на Фигуре 10; и
Фигура 12 представляет собой вид сверху магнитного генератора, построенного в соответствии со второй версией второго варианта осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения~
Фигура 1 представляет собой частично схематический вид спереди электромагнитного генератора 10, построенного в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения и содержащего постоянный магнит 12 для подачи входных линий магнитного потока, движущегося от северного полюса 14 магнита 12 наружу в Материал 16 сердечника пути магнитного потока. Материал сердечника 16 пути магнитного потока выполнен с возможностью формирования правого магнитного пути 18 и левого магнитного пути 20, оба из которых проходят наружу между северным полюсом 14 и южным полюсом 22 магнита 12. Электромагнитный генератор 10 приводится в действие с помощью схемы переключения и управления 24, которая поочередно пропускает электрический ток через правую входную катушку 26 и левую входную катушку 28. Каждая из этих входных катушек 26, 28 проходит вокруг части материала сердечника 16, при этом правая входная катушка 26 окружает часть правого магнитного пути 18, а левая входная катушка 28 окружает часть левого магнитного пути 20. Правая выходная катушка 29 также окружает часть правого магнитного пути 18, в то время как левая выходная катушка 30 окружает часть левого магнитного пути 20.
В соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения схема 24 переключения и управления и входные катушки 26, 28 расположены так, что, когда правая входная катушка 26 находится под напряжением, на ее левом конце 31 присутствует северный магнитный полюс, конец, ближайший к северному полюсу 14 постоянного магнита 12, и чтобы, когда левая входная катушка 28 находится под напряжением, на ее правом конце 32 присутствовал северный магнитный полюс, который также является концом, ближайшим к северному полюсу 14. постоянного магнита 12. Таким образом, когда правая входная катушка 26 намагничена, магнитный поток от постоянного магнита 12 отталкивается от прохождения через правую входную катушку 26. Аналогично, когда намагничена левая входная катушка 28, магнитный поток от постоянного магнита 12 отталкивается. постоянный магнит 12 отталкивается от прохождения через левую входную катушку 28.
Таким образом, видно, что прохождение электрического тока через правую входную катушку 26 противодействует концентрации потока от постоянного магнита 12 внутри правого магнитного пути 18, в результате чего по меньшей мере часть этого потока передается на левый магнитный путь 20. с другой стороны, прохождение электрического тока через левую входную катушку 28 препятствует концентрации потока постоянного магнита 12 внутри левого магнитного пути 20, в результате чего по меньшей мере часть этого потока передается на правый магнитный путь 18.
Хотя в примере на фиг.1 входные катушки 26, 28 расположены по обе стороны от северного полюса постоянного магнита 12 и расположены вдоль части сердечника 16, простирающейся от северного полюса постоянного магнита 12, это Понятно, что входные катушки 26, 28 могут быть легко попеременно размещены по обе стороны от южного полюса постоянного магнита 12, располагаясь вдоль части сердечника 16, простирающейся от южного полюса постоянного магнита 12, причем входные катушки 26, 28 подключены так, чтобы при подаче напряжения формировать магнитные поля, имеющие южные полюса, направленные к южному полюсу постоянного магнита 12. В общем, входные катушки 26, 28 расположены вдоль магнитного сердечника по обе стороны от конца. постоянного магнита, образующего первый полюс, такой как северный полюс, причем входные катушки устроены так, чтобы создавать магнитные поля полярности первого полюса, направленные к первому полюсу постоянного магнита.
Кроме того, в соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения входные катушки 26, 28 никогда не возбуждаются таким большим током, чтобы материал сердечника 16 насыщался. Доведение материала сердечника 16 до насыщения означает, что последующее увеличение входного тока может происходить без соответствующих изменений магнитного потока, и, следовательно, входная мощность может быть потрачена впустую. Таким образом, устройство настоящего изобретения имеет преимущество с точки зрения эффективного использования входной мощности по сравнению с устройством по пат. № 4000401, в котором часть обоих концов каждого магнитного пути приводится в состояние насыщения, чтобы блокировать поток магнитного потока. В электромагнитном генераторе 10 переключение потока тока внутри входных катушек 26, 28 не обязательно должно быть достаточным для остановки потока магнитного потока в одном из магнитных путей 18, 20, одновременно стимулируя поток магнитного потока в другом магнитном пути. путь. Электромагнитный генератор 10 работает за счет изменения структуры потока; его не нужно полностью переключать с одной стороны на другую.
Эксперименты показали, что эта конфигурация превосходит альтернативу с точки зрения эффективности использования энергии во входных катушках 26, 28 для генерации электрической энергии в выходных катушках 29, 30, чем альтернатива, в которой входные катушки и схемы, управляющие ими, расположены так, что Поток постоянного магнита проходит через входные катушки, когда они находятся под напряжением. Такое расположение настоящего изобретения обеспечивает значительное преимущество по сравнению со способами предшествующего уровня техники, показанными, например, в пат. № 4077001, в котором магнитный поток пропускается через катушки под напряжением.
Конфигурация настоящего изобретения также имеет преимущество перед конфигурациями предшествующего уровня техники по пат. №№ 3,368,141 и 4,077,001 тем, что магнитный поток переключается между двумя альтернативными магнитными путями 18, 20, при этом только одна входная катушка 26, 28 окружает каждую из альтернативных магнитных дорожек. Конфигурации по пат. Для №№ 3368141 и 4077001 требуется по две входные катушки на каждой из магнитных дорожек. Это преимущество настоящего изобретения существенно как с точки зрения упрощения аппаратных средств, так и с точки зрения повышения эффективности преобразования энергии.
Правая выходная катушка 29 электрически соединена с выпрямителем и фильтром 33, выход которых управляется через регулятор 34, который обеспечивает выходное напряжение, регулируемое с помощью потенциометра 35. Выход линейного регулятора 34, в свою очередь, имеет вид вход в схему 36 считывания и переключения. В условиях запуска схема 36 считывания и переключения подключает схему 24 переключения и управления к внешнему источнику 38 питания, которым является, например, пусковая батарея. После того, как электромагнитный генератор 10 запускается должным образом, схема 36 измерения и переключения определяет, что напряжение, поступившее от регулятора 34, достигло заданного уровня, так что входная мощность в схему 24 переключения и управления переключается с внешнего источника 38 питания на выход регулятора 34. После этого переключения электромагнитный генератор 10 продолжает работать без приложения внешнего питания.
Левая выходная катушка 30 электрически соединена с выпрямителем и фильтром 40, выход которого подключен к регулятору 42, выходное напряжение которого регулируется с помощью потенциометра 43. Выход регулятора 42 в свою очередь подключен к внешней нагрузке 44.
На рис. 2 схематически показана первая версия схемы переключения и управления 24. Генератор 50 управляет тактовым входом триггера 54, при этом выходы Q и Q' триггера 54 подключаются через схемы управления. 56, 58 для питания полевых транзисторов 60, 62 так, чтобы входные катушки 26, 28 попеременно возбуждались. В соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения напряжение V, подаваемое на катушки 26, 28 через полевые транзисторы 60, 62, получается с выходного сигнала схемы 36 измерения и переключения.
Фигура 3 представляет собой графическое представление сигналов, управляющих затворами полевых транзисторов 60, 62 по фигуре 2 , при этом напряжение сигнала, возбуждающего затвор полевого транзистора 60, представлено линией 64, а напряжение сигнала, возбуждающего полевой транзистор 62, равно представлено линией 66. Обе катушки 26, 28 возбуждаются положительным напряжением.
На рис. 4 схематически показана вторая версия схемы переключения и управления 24. В этой версии генератор 70 управляет тактовым входом триггера 72, при этом выходы Q и Q' триггера 72 подключены в качестве триггеров для одновибраторов 74, 76. Выходы одновибраторов 74, 76, в свою очередь, подключены через схемы возбуждения 78, 80 для управления полевыми транзисторами 82, 84, так что входные катушки 26, 28 попеременно включаются. управляется импульсами короче по длительности, чем выходы Q и Q' триггера 72.
Фигура 5 представляет собой графическое изображение сигналов, возбуждающих затворы полевых транзисторов 82, 84 по фиг. 4, где напряжение сигнала, управляющего затвором полевого транзистора 82, представлено линией 86, а напряжение сигнала, управляющего затвором полевого транзистора 84, представлено линией 88.
Снова обращаясь к фиг.1 , мощность генерируется в правой выходной катушке 29 только тогда, когда уровень магнитного потока меняется в правом магнитном пути 18, а в левой выходной катушке 30 только тогда, когда уровень магнитного потока изменяется в левой. магнитный путь 20. Поэтому желательно определить для конкретной конфигурации магнитного генератора ширину импульса, обеспечивающую наиболее быстрое практическое изменение магнитного потока, а затем обеспечить эту ширину импульса либо путем изменения частоты генератора 50, либо путем изменения частоты генератора 50 или устройство по фиг. 2 , так что эта ширина импульса обеспечивается сигналами, показанными на фиг. 3 , или путем изменения постоянной времени одновибраторов 74, 76 по фиг. 4 , так что эта ширина импульса обеспечивается сигналами Рисунок 5 при более низкой частоте генератора. Таким образом, входные катушки не остаются включенными дольше, чем необходимо. Когда любая из входных катушек остается включенной в течение периода времени, превышающего период времени, необходимый для изменения направления потока, мощность тратится впустую из-за нагрева внутри входной катушки без дополнительной генерации мощности в соответствующей выходной катушке.
Был проведен ряд экспериментов, чтобы определить адекватность электромагнитного генератора, построенного как генератор 10 на рисунке 1, для производства энергии как для управления логикой переключения и управления, подачи питания на входные катушки 26, 28, так и для управления внешним нагрузка 44. В конфигурации, использованной в этом эксперименте, входные катушки 26, 28 имели 40 витков медного провода 18-го калибра, а выходные катушки 29, 30 имели 450 витков медного провода 18-го калибра. Постоянный магнит 12 имел высоту 40 мм (1,575 дюйма между северным и южным полюсами в направлении стрелки 89), ширину 25,4 мм (1,00 дюйма) в направлении стрелки 90 и в другом направлении. Сердечник 16 имел высоту в направлении стрелки 89 90 мм (3,542 дюйма), ширину в направлении стрелки 90 135 мм ( 5,315 дюйма) и глубиной 70 мм (2,756 дюйма). Сердечник 16 имел центральное отверстие высотой в направлении стрелки 89 40 мм (1,575 мм) для размещения магнита 12 и шириной Сердечник 16 был изготовлен из двух С-образных половин, соединенных линиями 92, для размещения обмотки выходных катушек 29, 30 и входных катушек 26. , 28 над основным материалом.
Материалом сердечника был ламинированный магнитный сплав на основе железа, продаваемый компанией Honeywell под названием METGLAS Magnetic Alloy 2605SA1. Материал магнита представлял собой комбинацию железа, неодима и бора.
Входные катушки 26, 28 возбуждались с частотой генератора 87,5 кГц, которая была определена для обеспечения оптимальной эффективности с использованием схемы управления переключением, сконфигурированной, как показано на фиг.2 . Эта частота имеет период 11,45 микросекунд. Триггер 54 устроен, например, так, чтобы устанавливаться и сбрасываться по нарастающим фронтам тактового сигнала, входного от генератора, так что каждый импульс, возбуждающий один из полевых транзисторов 60, 62, имеет длительность 11,45 микросекунд, и так что последовательные Импульсы также разделены на каждый полевой транзистор и разделены интервалом 11,45 микросекунд.
Фигуры 6A-6H представляют собой графические изображения сигналов, которые одновременно возникали в устройстве, показанном на фигурах 1 и 2, во время работы с приложенным входным напряжением 75 вольт. На рисунке 6A показан первый управляющий сигнал 100, управляющий полевым транзистором 60, который управляет правой входной катушкой 26. На рисунке 6B показан второй управляющий сигнал 102, управляющий полевым транзистором 62, который управляет левой входной катушкой 28.
На рисунках 6C и 6D показаны сигналы напряжения и тока, связанные с током, возбуждающим оба полевых транзистора 60, 62 от источника батареи. На фигуре 6C показан уровень 104 напряжения V. Хотя номинальное напряжение батареи составляло 75 вольт, затухающий переходный сигнал 106 накладывается на это напряжение каждый раз, когда один из полевых транзисторов 60, 62 включается для проведения проводимости. Конкретный характер этого переходного сигнала зависит от внутреннего сопротивления батареи, а также от ряда характеристик магнитного генератора 10. Аналогичным образом, на фигуре 6D показан ток 106, протекающий в оба полевых транзистора 60, 62 от источника батареи. Поскольку сигналы 104, 106 показывают влияние тока, протекающего в оба полевых транзистора 60, 62, переходные пики находятся на расстоянии 11,45 микросекунды друг от друга.
На фигурах 6E-6H показаны уровни напряжения и тока, измеренные на выходных катушках 29, 30. На фигуре 6E показан выходной сигнал напряжения 108 правой выходной катушки 29, а на фигуре 6F показан выходной сигнал напряжения 110 левой выходной катушки 30. Например, выходной сигнал тока 116 правой выходной катушки 29 включает в себя первый переходный всплеск 112, возникающий, когда импульс тока в левой входной катушке 28 включается для направления магнитного потока через правый магнитный путь 18, и второй переходный всплеск 114, вызванное тем, что левая входная катушка 28 выключена, а правая входная катушка 26 включена. На фигуре 6G показан выходной сигнал тока 116 правой выходной катушки 29, а на фигуре 6H показан выходной сигнал тока 118 левой выходной катушки 30.
Рисунок 7 представляет собой графическое изображение выходной мощности, измеренной с использованием электромагнитного генератора 10 и восьми уровней входного напряжения в диапазоне от 10 В до 75 В. Частота генератора была сохранена на уровне 87,5 кГц. Точки измерения представлены индексами 120, а кривая 122 генерируется с помощью полиномиального регрессионного анализа с использованием метода наименьших квадратов.
Фигура 8 представляет собой графическое представление коэффициента производительности, определенного как отношение выходной мощности к входной мощности, для каждой из точек измерения, показанных на фигуре 7 . В каждой точке измерения выходная мощность существенно превышала входную. Измерения реальной мощности рассчитывались в каждой точке данных с использованием измеренных уровней напряжения и тока, а результаты усреднялись по периоду сигнала. Эти измерения согласуются со среднеквадратичным значением мощности, измеренным с помощью цифрового осциллографа Textronic THS730.
Хотя электромагнитный генератор 10 был способен работать при гораздо более высоких напряжениях и токах без насыщения, входное напряжение было ограничено до 75 вольт из-за ограничений по напряжению используемых переключающих схем. Специалисты в соответствующей области техники поймут, что компоненты для коммутационных схем, способных выдерживать более высокие напряжения в этом приложении, легко доступны. Экспериментально измеренные данные были экстраполированы для описания работы при входном напряжении 100 В, входном токе 140 мА, входной мощности 14 Вт и результирующей выходной мощности 48 Вт для каждой из двух выходных катушек 29. , 30, при среднем выходном токе 12 мА и среднем выходном напряжении 4000 вольт. Это означает, что для каждой из выходных катушек 29, 30 КПД будет равен 3,44.
Хотя для некоторых приложений может потребоваться выходное напряжение 4000 В, выходное напряжение также можно изменять путем простого изменения конфигурации электромагнитного генератора 10. Выходное напряжение легко снизить за счет уменьшения количества витков в выходных обмотках. . Если это количество витков уменьшить с 450 до 12, выходное напряжение упадет до 106,7, в результате чего выходной ток увеличится до 0,5 А для каждой выходной катушки 29, 30. Таким образом, выходной ток и напряжение электромагнитного Генератор можно изменять, изменяя количество витков выходных катушек 29, 30, не внося существенного изменения в выходную мощность, которая вместо этого определяется входным током, который определяет величину магнитного потока, перемещаемого во время процесса переключения.
Коэффициенты производительности, все из которых были значительно больше 1, изображенные на рисунке 8, показывают, что уровни выходной мощности, измеренные в каждой из выходных катушек 29, 30, были существенно выше, чем соответствующие уровни входной мощности, возбуждающие обе входные катушки 26. , 28. Следовательно, очевидно, что электромагнитный генератор 10 может быть выполнен в самодействующей форме, как обсуждалось выше со ссылкой на Фиг.1 . В примере, показанном на фиг.1 , за исключением кратковременного применения мощности от внешнего источника питания 38 для запуска процесса генерации энергии, мощность, необходимая для возбуждения входных катушек 26, 28, полностью получается из мощности, вырабатываемой на правильном выходе. катушка 29. Если мощность, генерируемая в одной выходной катушке 29, 30, более чем достаточна для возбуждения входных катушек 26, 28, может быть добавлена дополнительная нагрузка 126, которая будет приводить в действие мощность, генерируемую в выходной катушке 29, используемую для генерации мощности. для управления входными катушками 26, 28. С другой стороны, каждая из выходных катушек 29, 30 может использоваться для удовлетворения части требований к мощности входной катушки, например, когда одна из выходных катушек 26, 28 обеспечивает напряжение V для полевого транзистора 60 (показано на рисунке 2 ), в то время как другая выходная катушка обеспечивает это напряжение для полевого транзистора 62.
Что касается термодинамических соображений, следует отметить, что когда электромагнитный генератор 10 работает, это открытая система, не находящаяся в термодинамическом равновесии. Система получает статическую энергию от магнитного потока постоянного магнита. Поскольку электромагнитный генератор 10 является самопереключающимся без дополнительного подвода энергии, термодинамическая работа системы представляет собой открытую диссипативную систему, принимающую, собирающую и рассеивающую энергию из окружающей среды; в данном случае от магнитного потока, накопленного внутри постоянного магнита. Продолжение работы электромагнитного генератора 10 вызывает размагничивание постоянного магнита. Использование магнитного материала, включающего редкоземельные элементы, такого как материал самарий-кобальт или материал, включающий железо, неодим и бор, является предпочтительным в рамках настоящего изобретения, поскольку такой магнитный материал имеет относительно длительный срок службы в этом применении.
Таким образом, электромагнитный генератор, работающий в соответствии с настоящим изобретением, следует рассматривать не как вечный двигатель, а как систему, в которой поток, излучаемый постоянным магнитом, преобразуется в электричество, которое используется как для питания аппарата, так и для питание внешней нагрузки. Это аналогично системе, включающей ядерный реактор, в котором несколько топливных стержней излучают энергию, которая используется для поддержания цепной реакции и нагрева воды для выработки электроэнергии для управления внешними нагрузками.
Фигура 9 представляет собой вид в разрезе электромагнитного генератора 130, построенного в соответствии со второй версией первого варианта осуществления настоящего изобретения. Этот электромагнитный генератор 130 в целом аналогичен по конструкции и работе электромагнитному генератору 10, построенному в соответствии с первой версией этого варианта осуществления, за исключением того, что магнитный сердечник 132 электромагнитного генератора 10 выполнен из двух половин, соединенных по линиям 134, что позволяет каждому выходных катушек 135 следует намотать на пластиковую бобину 136 перед тем, как бобина 136 будет размещена на ножках 137 сердечника 132. На фиг.9 также показано альтернативное размещение входной катушки 138. В примере, показанном на фиг.1 , обе входные катушки катушки 26, 28 были размещены на верхней части магнитного сердечника 16, причем эти катушки 26, 28 были сконфигурированы для создания магнитных полей, имеющих северные магнитные полюса на внутренних концах 31, 32 катушек 26, 28, причем эти северные магнитные полюса таким образом, полюса оказываются ближе всего к концу 14 постоянного магнита 12, имеющему северный магнитный полюс. В примере на фиг.9 первая входная катушка 26 такая же, как описано выше со ссылкой на фиг.1 , но вторая входная катушка 138 расположена рядом с южным полюсом 140 постоянного магнита 12. Эта входная катушка 138 сконфигурирована для создания южный магнитный полюс на ее внутреннем конце 142, так что, когда входная катушка 138 включена, поток постоянного магнита 12 направлен от левого магнитного пути 20 в правый магнитный путь 18.
На фигурах 10 и 11 показан электромагнитный генератор 150, построенный в соответствии с первой версией второго варианта осуществления настоящего изобретения, причем фигура 10 представляет собой его вид сверху, а фигура 11 представляет собой его вид спереди. Этот электромагнитный генератор 150 включает в себя выходные катушки 152, 153 в каждом углу и постоянный магнит 154, проходящий вдоль каждой стороны между выходными катушками. Магнитный сердечник 156 включает в себя верхнюю пластину 158, нижнюю пластину 160 и квадратный штырь 162, проходящий внутри каждой выходной катушки 152, 153. И верхняя пластина 158, и нижняя пластина 160 содержат центральные отверстия 164.
Каждый из постоянных магнитов 154 ориентирован одинаковым полюсом, например северным полюсом, напротив верхней пластины 158. Восемь входных катушек 166, 168 расположены вокруг верхней пластины 158 между выходной катушкой 152, 153 и постоянным магнитом 158. магнит 154. Каждая входная катушка 166, 168 выполнена с возможностью формирования магнитного полюса на своем конце, ближайшем к соседнему постоянному магниту 154, с полярностью, аналогичной магнитным полюсам магнитов 154, прилегающих к верхней пластине 158. Таким образом, входные катушки 166 включаются для отвода магнитного потока постоянных магнитов 154 от соседних выходных катушек 152, при этом этот поток отводится в магнитные пути через выходные катушки 153. Затем входные катушки 168 включаются для отклонения магнитного потока постоянных магнитов. 154 от соседних выходных катушек 153, причем этот поток отводится в магнитные пути через выходные катушки 152. Таким образом, входные катушки образуют первую группу входных катушек 166 и вторую группу входных катушек 168, причем эти первая и вторая группы входных катушек поочередно запитываются способом, описанным выше со ссылкой на рисунок 1 для одиночных входных катушек 26, 28. Выходные катушки производят ток в первой серии импульсов, возникающих одновременно в катушках 152, и во второй серии импульсов, возникающих одновременно. внутри витков 153.
Таким образом, возбуждающий ток через входные катушки 166 вызывает увеличение потока от постоянных магнитов 154 внутри штырей 162, проходящих через выходные катушки 153, и уменьшение потока от постоянных магнитов 154 внутри штырей 162, проходящих через выходные катушки 152. С другой стороны, возбуждающий ток через входные катушки 168 вызывает уменьшение потока от постоянных магнитов 154 внутри штырей 162, проходящих через выходные катушки 153, и увеличение потока от постоянных магнитов 154 внутри штырей 162, проходящих через выходные катушки 152.
Хотя пример на Фигурах 10 и 11 показывает все входные катушки 166, 168, развернутые вдоль верхней пластины 158, понятно, что некоторые из этих входных катушек 166, 168 могут попеременно размещаться вокруг нижней пластины 160, как это показано в общих чертах. на фиг.9 , где одна входная катушка 166, 168 находится внутри каждой магнитной цепи между постоянным магнитом 154 и соседним штырем 162, проходящим внутри выходной катушки 152, 153, и при этом каждая входная катушка 166, 168 устроена так, чтобы создавать магнитное поле. имеющий магнитный полюс, подобный ближайшему полюсу соседнего постоянного магнита 154.
Фиг.12 представляет собой вид сверху второй версии 170 второго варианта осуществления настоящего изобретения, который аналогичен его первой версии, которая обсуждалась со ссылкой на Фиг.10 и Фиг.11 , за исключением того, что верхняя пластина 172 и аналогичная нижняя пластина (не показана) имеет кольцевую форму, тогда как постоянные магниты 174 и штыри 176, проходящие через выходные катушки 178, имеют цилиндрическую форму. Входные катушки 180 ориентированы и переключаются, как описано выше со ссылкой на Фиг.9 и Фиг.10 .
Хотя пример на рисунке 12 показывает четыре постоянных магнита, четыре выходные катушки и восемь входных катушек, понятно, что описанные выше принципы могут быть применены к электромагнитным генераторам, имеющим различное количество элементов. Например, такое устройство может иметь два постоянных магнита, две выходные катушки и четыре входные катушки или иметь шесть постоянных магнитов, шесть выходных катушек и двенадцать входных катушек.
В соответствии с настоящим изобретением материал, используемый для магнитных сердечников, предпочтительно представляет собой нанокристаллический сплав и, альтернативно, аморфный сплав. Материал предпочтительно находится в ламинированной форме. Например, материал сердечника представляет собой сплав кобальт-ниобий-бор или магнитный сплав на основе железа.
Также в соответствии с настоящим изобретением материал постоянного магнита предпочтительно включает редкоземельный элемент. Например, материал постоянного магнита представляет собой самарий-кобальтовый материал или комбинацию железа, неодима и бора.
Хотя изобретение было описано в его предпочтительных вариантах и вариантах осуществления с некоторой степенью детализации, понятно, что это описание дано только в качестве примера и что многочисленные изменения в деталях конструкции, изготовления и использования, включая сочетание и расположение частей могут быть выполнены без отклонения от сущности и объема изобретения.
Претензии [Сюда не включены]