Перетворювач магнітної енергії в механічну

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве экологически чистых, не приносящих вреда окружающей среде двигателей, электрогенераторов, транспортных средств, исполнительных элементов в устройствах автоматики и т.п. В качестве источника питания для таких устройств используется магнетизм постоянных магнитов. Известен магнитный двигатель, содержащий статор в виде постоянного кольцевого магнита, ротор, выполненный из немагнитного неметаллического материала и имеющий размещенные в его пазах постоянные магниты [1]. Ротор этого двигателя имеет форму диска, установленного на валу с помощью втулки с возможностью ее перемещения вдоль оси вала. Для запуска и остановки двигателя на валу ротора установлен тормоз, состоящий из барабана и тормозных колодок, раздвигаемых поворотным кулачком. Двигатель не имеет внешнего источника энергии и работает за счет взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов статора и ротора. Однако, ввиду того, что ротор снабжен постоянными магнитами небольшой массы, двигатель имеет низкую энергоемкость и, вследствие этого, незначительный ресурс работы. Известен также магнитный двигатель, содержащий п секций, каждая из которых состоит из дисков статора, между которыми расположен диск ротора [2]. В этом двигателе все диски ротора жестко закреплены на общем валу, расположенном на станине. По периферии дисков статора и ротора установлены постоянные магниты со смешенным центром массы в виде треугольных призм. Такой двигатель также имеет небольшую энергетическую емкость. Кроме того, конструкция его нетехнологична, так как в процессе производства двигателя требуется выполнить сложные сборочные, юстировочные и наладочные работы. Наиболее близким к заявляемому преобразователю по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа преобразователь энергии магнитного поля, который можно использовать как двигатель или генератор [3]. Этот преобразователь изготовлен из диамагнитных материалов, вследствие чего в нем отсутствуют потери, т.к. передача усилий происходит без трения, бесшумно и без касания ступеней преобразователя. В зависимости от требуемой мощности преобразователь содержит несколько ступеней, каждая из которых имеет ротор в виде кольцеобразного диска и статор, снабженные высокоэнергетичными диаметрально намагниченными постоянными магнитами, например из магнитного сплава NdFeB. На каждом роторе кольцеобразно расположено нечетное число (11) сдвоенных магнитов, а на статоре аналогичным образом расположено четное число (8) магнитов. На второй и каждой последующей ступени статорные магниты смещены на несколько градусов по отношению к роторным таким образом, что на всех ступенях образуется спиралеобразное расположение статорных магнитов. При этом статорные и роторные магниты взаимно расположены своими полюсами так, что притягивающие магнитные силы (север-юг) и отталкивающие магнитные силы (север-север) действуют попеременно в направлении вращения ротора. Преобразователь также снабжен средствами управления, в качестве которого служит электронный счетчик оборотов, питающийся от автономной электробатареи, С помощью этого счетчика происходит запуск магнитного двигателя, а также регулируется число оборотов его ротора. Недостатками этого преобразователя является недостаточная энергоемкость из-за наличия постоянных магнитов небольшой массы, а также сложность его конструкции, требующей точной юстировки постоянных магнитов. Кроме этого, такому двигателю свойственна недостаточная плавность вращения ротора, вызванная кратковременностью взаимодействия локальных магнитных полей ротора и статора. Недостатком является и потребность в источнике электроэнергии для питания электронного счетчика числа оборотов. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка преобразователя магнитной энергии в механическую, технологичного в изготовлении, простой конструкции и с большой отдачей мощности. Созданная конструкция преобразователя магнитной энергии позволяет получить технический результат, заключающийся в упрощении конструкции устройства и повышении отдаваемой мощности. Для достижения требуемого технического результата в известном преобразователе энергии магнитного поля, содержащем диамагнитный корпус, установленный на валу ротора в виде кольцеобразных дисков, статор, которые снабжены высокоэнергетичными постоянными магнитами, например NdFeB-магнитами, и средство управления преобразователем, согласно изобретению, ротор и статор имеют по меньшей мере по одной паре высокоэнергетичных постоянных магнитов, выполненный в форме кольцеобразных дисков, направление намагниченности которых составляет с плоскостью диска угол менее 90°, причем магнитные диски заключены в держатели из диамагнитного материала. Статорные диски установлены соосно по обе стороны от роторных с возможностью осевого перемещения по шлицевым направляющим, закрепленным на внутренней поверхности корпуса, и имеют кольцевой зазор с валом, а средство управления преобразователем выполнено в виде рычагов, закрепленных в корпусе снаружи пары ротор статор с возможностью смещения статорных дисков в осевом направлении. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый преобразователь отличается тем, что ротор и статор имеет по меньшей мере по одной ларе дисков из постоянных магнитов, заключенных в держатели из диамагнитного материала. Отличие состоит также в ином направлении намагниченности постоянных магнитов и в том, что статорные диски имеют возможность перемещаться в осевом направлении по направляющим относительно ротора, корпуса и вала и расположены соосно по обе стороны от дисков ротора. При этом средство управления преобразователем выполнено в виде рычагов, смещающих статорные диски в осевом направлении. В доступных источниках информации не найдено описаний известных решений, характеризующихся совокупность признаков предлагаемого изобретения. Таким образом, заявляемый преобразователь соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, не позволило выявить в них совокупность отличительных от прототипа признаков и ее влияние на достижение технического результата. Это позволяет сделать вывод о творческом характере решения, т.е. о соответствии заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень". На фиг.1 показан преобразователь в аксонометрии и в разрезе, состоящий из двух рабочих пар, каждая из которых содержит два статорных и два роторных магнитных диска; на фиг.2 - в разрезе одна рабочая пара преобразователя в увеличенном масштабе, а также поперечные сечения статора и ротора (узел А на фиг.1); на фиг.3 и 5 схематически показаны рабочие пары магнитных дисков и средство управления преобразователем; на фиг.4 представлены силы отталкивания между магнитами и их составляющие: силы смещения и сила вращения; на фиг.6 - силы притяжения между постоянными магнитами и их составляющие: силы притяжения между постоянными магнитами и их составляющие: силы смещения и сила вращения. Преобразователь магнитной энергии в механическую (фиг.1 и 2) содержит диамагнитный корпус 1, ротор 2 в виде кольцеобразных дисков, установленных на валу 3, статор 4. Преобразователь может иметь несколько рабочих пар, каждая из которых включает два статорных кольцеобразных диска и два роторных. На фиг.1 изображен преобразователь, состоящий из двух рабочих пар. Диски статора и ротора являются высокоэнергетичными постоянными магнитами, например -магнитами, направление намагниченности которых составляет с плоскостью диска угол менее 90°. Магнитные диски заключены в держатели 5 из диамагнитного материала. Статорные диски установлены соосно по обе стороны от роторных с возможностью осевого перемещения по четырем шлицевым направляющим 6, закрепленным на внутренней поверхности корпуса 1. Статор 4 имеет кольцевой зазор 7 с валом 3. Средство управления преобразователем выполнено в виде рычагов 8, закрепленных в корпусе 1 и служащих для смещения статорных дисков в осевом направлении. Преобразователь магнитной энергии в механическую работает следующим образом. 1. Принцип отталкивания (фиг.4). Статорный диск и роторный диск с правым намагничиванием и с левым намагничиванием ориентированы друг на друга одноименными полюсами, при этом статорные диски 4 установлены на шлицах с возможностью перемещения вдоль оси роторные диски 2 установлены жестко на валу вращения с возможностью вращения относительно оси Приложенная внешняя сила к статорным дискам сместит их на величину до появления силы отталкивания (фиг.4). Между статорным магнитом и и роторным магнитом между роторным магнитом -силы и статорным магнитом - сила и Сила отталкивания между статорным магнитом и роторным магнитом раскладывается на две составляющие: силу смещения статорного диска и силу вращения статорного диска Сила отталкивания между роторным магнитом и статорным магнитом тоже раскладывается на две составляющие: силу смещения роторного диска и силу вращения роторного диска статорным магнитом Сила отталкивания между и роторным магнитом раскладывается на: силу смещения статорного диска статорного диска роторным магнитом и силу вращения Сила отталкивания между и статорным магнитом также раскладывается на две составляющие: силу смещения роторного диска и силу вращения роторного диска Силы смещения статорных магнитных дисков и компенсируются внешней силой Силы вращения статорных магнитных дисков компенсируются реакцией и шлицевого соединения (перемещение только вдоль оси Силы смещения роторных магнитных дисков и компенсируются, как противоположно направленные силы приложенные к одной точке. Тогда сила вращения роторного магнитного диска равная и сила вращения роторного магнитного диска равная: вращения в сумме дадут силу роторных дисков Сила приложенная к общей точке роторных дисков и расстояние до оси вращения, вызывают момент силы или вращающий момент Так как перпендикулярны, то - плечо, тогда Под действием постоянного момента будут вращаться равноускоренно. Угол поворота будет равен и Работа совершенная будет равна: силами магнитными диски Через некоторое время после начала вращения диски достигнут угловой скорости. При этом работа, совершенная магнитными дисками равняется: а энергия приобретенная дисками равняется статорный диск не прилип к роторному. Силы притяжения между статорными и роторными магнитами и а также и будут раскладываться на две составляющие: - силы где - момент инерции; - масса роторного диска. Поскольку работа, затраченная на раскрутку роторных магнитных дисков равна энергии приобретенной этими дисками и выражается уравнением: то: - в левой части этого равенства работа, совершаемая магнитными силами в смещения статорных дисков смещения роторных дисков вращения статорных дисков вращения роторных дисков смещения статорных дисков компенсируются реакцией и и силы и и силы и силы и Силы и удерживающего элемента, силы вращения статорных дисков и компенсируются реакцией шлицевого соединения. Силы смещения роторных дисков зависимости от угловой скорости при которой устанавливается номинальное действие и компенсируются, как противоположно направленные силы приложенные к одной точке. силы вращения и номинальная скорость вращения Номинальное действие силы вращения и номинальная скорость вращения устанавливаются предельной скоростью взаимодействия между магнитами; - в правой части равенства энергия приобретенная роторными дисками при вращении с угловой скоростью По закону сохранения энергии: Тогда силы вращения роторных дисков получаем: - увеличение скорости вращения к максимуму уменьшает действие силы вращения - уменьшение скорости вращения к минимуму увеличивает действие силы вращения Таким образом, магнитными силами будет совершаться работа до тех пор, пока действуют магнитные силы. В процессе эксплуатации, когда взаимодействие становится слабым, они подлежат замене. Слабые магниты снимаются и намагничиваются, после чего они опять пригодны для эксплуатации. Используя только магнитную энергию для получения полезной работы сами диски используются многократно. Для остановки вращения роторных дисков необходимо убрать внешнюю силу приложенную к статорным дискам. Действия сил смещения переместят статорные диски 4 в положение, при котором исчезают действия сил отталкивания и роторные диски 2 через некоторое время перестанут вращаться. Таким образом, запуск и остановка, а также управление работой преобразователя осуществляется внешней силой 2. Принцип притяжения (фиг.6). Статорные и роторные диски с правым и левым намагничиванием ориентированы разноименными полюсами друг к другу соответственно. Тогда внешняя сила прикладываемая к статорным дискам будет заменена силой притяжения этих дисков. В этом случае между статорными и роторными дисками устанавливается удерживающий элемент, чтобы в сумме вращения дают результирующую и силу Для остановки преобразователя необходимо приложить внешнюю силу к статорным дискам, которая переместит их в положение, при котором исчезают силы притяжения и диски через некоторое время перестанут вращаться. В отличие от двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей, требующих расхода горючесмазочных материалов и электроэнергии соответственно, предлагаемый преобразователь в качестве магнитного двигателя способен работать как в обычных условиях, так и в совершенно изолированной среде: в безвоздушном пространстве, под водой, в космосе и т.п. условиях. При этом не требуется ни топливо ни электроэнергия, необходимо лишь периодическое намагничивание дисков ротора и статора. Применение такого магнитного двигателя может существенно повлиять на решение вопроса энергосбережения, а также на охрану окружающей среды, так как не загрязняет атмосферу отработавшими газами.