Магнитотепловой двигатель

Магнитотепловой двигатель содержит статор, выполненный в виде двух параллельных неподвижных дисков из неметаллического материала, магнитную систему из двух разнополюсных постоянных магнитов, размещенных на краях дисков статора и обращенных один к другому с образованием межполюсного зазора, вал, расположенный соосно статору с возможностью вращения, ротор, выполненный в виде диска, установленного на валу между дисками статора и снабженного активными элементами, выполненными в виде ферромагнитных пластин, прикрепленных к диску ротора по его окружности с возможностью прохождения через межполюсной зазор при его вращении, узел подачи теплоносителя и узел подачи хладагента. Постоянные магниты выполнены с межполюсным зазором, состоящим по его длине из суживающегося по направлению вращения диска ротора участка и участка с постоянным сечением. 2 з.п. формулы, 5 илл.

Полезная модель относится к области энергетики, предназначена для преобразования магнитотепловой энергии в механическую и/или электрическую и может быть использована в двигателестроении для создания двигателей и генераторов электрической энергии, в том числе систем автономного энергообеспечения.

Известен магнитотепловой двигатель, содержащий статор, выполненный в виде двух параллельных неподвижных дисков из неметаллического материала, магнитную систему из двух разнополюсных постоянных магнитов, размещенных на краях дисков статора и обращенных один к другому с образованием межполюсного зазора, вал, расположенный соосно статору с возможностью вращения, ротор, выполненный в виде диска, установленного на валу между дисками статора и снабженного активными элементами, выполненными в виде ферромагнитных пластин, прикрепленных к нему по его окружности с возможностью прохождения через межполюсной зазор при вращении диска ротора, узел подачи теплоносителя и узел подачи хладагента (патент РФ на полезную модель 134249, МПК F03G 7/00, опубл. 2013 г.),

Однако известный двигатель характеризуется недостаточной мощностью преобразования магнитотепловой энергии в механическую и/или электрическую вследствие использования магнитной системы с межполюсным зазором постоянного сечения. В результате вдоль длины межполюсного зазора не происходит продолжительного и непрерывного роста величины магнитной индукции и, как следствие, остается постоянной, а не растет, сила воздействия полюсов постоянных магнитов на ферромагнитные пластины диска ротора, что снижает мощность преобразования магнитотепловой энергии в механическую и/или электрическую и тем самым ограничивает область применения известного двигателя.

Задачей данной полезной модели является увеличение механической и/или электрической мощности магнитотеплового двигателя за счет ускорения вращения диска ротора.

Техническим результатом, достигаемым предлагаемой полезной моделью, является непрерывный рост величины магнитной индукции вдоль длины межполюсного зазора постоянных магнитов путем изменения величины сечения межполюсного зазора постоянных магнитов.

Поставленная задача решается тем, что в магнитотепловом двигателе, содержащем статор, выполненный в виде двух параллельных неподвижных дисков из неметаллического материала, магнитную систему из двух разнополюсных постоянных магнитов, размещенных на краях дисков статора и обращенных один к другому с образованием межполюсного зазора, вал, расположенный соосно статору с возможностью вращения, ротор, выполненный в виде диска, установленного на валу между дисками статора и снабженного активными элементами, выполненными в виде ферромагнитных пластин, прикрепленных к диску ротора по его окружности с возможностью прохождения через межполюсной зазор при его вращении, узел подачи теплоносителя и узел подачи хладагента, согласно полезной модели постоянные магниты выполнены с межполюсным зазором, состоящим по его длине из суживающегося по направлению вращения диска ротора участка и участка с постоянным сечением.

Поставленная задача решается также тем, что угол сужения межполюсного зазора предпочтительно составляет =20°÷40°, а длина участка с постоянным сечением l_п.с.=(0,1÷0,4)L, где L - длина межполюсного зазора магнитов.

Поставленная задача решается также тем, что узел подачи теплоносителя может быть расположен напротив участка с постоянным сечением межполюсного зазора магнитов.

По мере сужения межполюсного зазора постоянных магнитов происходит увеличение их массы в каждом сечении вдоль длины межполюсного зазора, что приводит к непрерывному росту силы притяжения магнитной индукции, благодаря чему достигается ускорение вращения диска ротора.

На фиг. 1 приведен предлагаемый магнитотепловой двигатель.

На фиг. 2 - разрез A-A фиг. 1.

На фиг. 3 - форма межполюсного зазора постоянных магнитов.

На фиг. 4 - общий вид постоянных магнитов.

На фиг. 5 - график изменения магнитной индукции по длине межполюсного зазора постоянных магнитов, где кривая Б получена для магнитной системы с межполюсным зазором постоянного сечения, а кривая В - для магнитной системы предлагаемого магнитотеплового двигателя.

Предлагаемый магнитотепловой двигатель содержит статор, выполненный в виде двух параллельных неподвижных дисков 1, 2 из неметаллического материала, магнитную систему из двух разнополюсных постоянных магнитов 3, размещенных на краях дисков 1, 2 статора" и обращенных один к другому с образованием межполюсного зазора 4, вал 5, расположенный соосно статору с возможностью вращения при помощи подшипников 6, ротор, выполненный в виде диска 7, установленного на валу 5 между дисками 1, 2 статора и снабженного активными элементами, выполненными в виде ферромагнитных пластин 8, прикрепленных к диску 7 ротора по его окружности с возможностью прохождения через межполюсной зазор 4 при его вращении, узел 9 подачи теплоносителя и узел 10 подачи хладагента. Постоянные магниты 3 выполнены с межполюсным зазором 4, состоящим по его длине из суживающегося по направлению вращения диска 7 ротора участка 11 и участка 12 с постоянным сечением. Угол сужения межполюсного зазора 4 предпочтительно составляет =20°÷40°, а длина участка 12 с постоянным сечением l_п.с=(0,1÷0,4)L, где L - длина межполюсного зазора 4 магнитов 3. Узел 9 подачи теплоносителя расположен напротив участка 12 с постоянным сечением межполюсного зазора 4 магнитов 3 и выполнен в виде трубки для подвода горячей воды, а узел 10 подачи хладагента расположен под углом 15°÷330° от магнитов 3 по направлению вращения диска 7 ротора и выполнен в виде трубки для подвода холодной воды. Трубки для подвода горячей и холодной воды установлены с наружной стороны диска 7 ротора и закреплены на неподвижном диске 2 статора. Ферромагнитные пластины 8 могут быть расположены перпендикулярно диску 7 ротора. Для облегчения диск 7 ротора может быть выполнен со сквозными отверстиями 13.

Заявляемый магнитотепловой двигатель работает следующим образом.

Активные элементы - ферромагнитные пластины 8 на суживающемся по направлению вращения диска 7 ротора участке 11 межполюсного зазора 4 магнитов 3 разгоняются за счет возникающего на этом участке 11 градиента магнитной индукции, а на участке 12 с постоянным сечением они подвергаются нагреву горячей водой. Горячая вода через узел 9 под небольшим напором непрерывно подается на участок 12 с постоянным сечением межполюсного зазора 4. В результате этого активные элементы - ферромагнитные пластины 8, находящиеся в данный момент в зоне участка 12 с постоянным сечением, нагреваются до температуры, при которой они переходят в парамагнитное состояние (размагничиваются). В то же время магниты 3 притягивают к себе соседнюю ферромагнитную пластину 8, еще не подвергшуюся нагреву от воздействия горячей воды. Вследствие этого размагниченные пластины 8 выталкиваются из зоны участка 12 с постоянным сечением межполюсного зазора 4 с силой, прямо пропорциональной скачку намагниченности пластин 8 и величине градиента магнитной индукции в межполюсном зазоре 4 магнитов 3. Так как ферромагнитные пластины 8 прикреплены к диску 7 ротора, то ротор вместе с валом 5 совершает вращательное движение за счет полученного от пластин 8 импульса, а в зону участка 12 с постоянным сечением межполюсного зазора 4 попадают другие (соседние) пластины 8, еще не подвергшиеся нагреву горячей водой. Зона охлаждения ферромагнитных пластин 8 охватывает область, находящуюся за магнитами 3 (вне области действия магнитных сил) по направлению вращения диска 7 ротора, что значительно облегчает с помощью холодной воды осуществление эффективного теплосъема с нагретых пластин 8 до температуры, при которой они полностью восстанавливают свое первоначальное магнитное состояние, и цикл повторяется. Все активные элементы - ферромагнитные пластины 8 в каждом из этапов их раздельного, поочередного нагрева - охлаждения приобретают механический импульс, передаваемый ими диску 7 ротора магнитотеплового двигателя в направлении его вращения. Угловая скорость вращения диска 7 ротора определяется действующей на него результирующей силой, величина которой прямо пропорциональна градиенту магнитного поля на единицу длины магнитов 3 в межполюсном зазоре 4, суммарной массе активных элементов - ферромагнитных пластин 8, одновременно подпадающих под область действия магнитного поля, величине скачка намагниченности ферромагнитных пластин 8, практически реализуемой в цикле нагрев - охлаждение, скорости фазового перехода из ферромагнитного состояния в парамагнитное и обратно.

Выбранный диапазон значения угла сужения межполюсного зазора 4 магнитов 3 обусловлен тем, что при угле сужения межполюсного зазора <20° произойдет малое изменение магнитной индукции на большом участке межполюсного зазора 4, в результате чего не будет достигнута максимальная величина силы притяжения магнитов 3, а при угле сужения >40° произойдет более резкое изменение магнитной индукции на малом участке межполюсного зазора 4, а больший участок межполюсного зазора 4 останется с постоянным зазором, где отсутствует градиент магнитной индукции, в результате чего не будет также достигнута максимальная величина силы притяжения магнитов 3. Выбранный диапазон значения длины участка 12 с постоянным сечением межполюсного зазора 4 обусловлен тем, что при длине участка 12 с постоянным сечением l_п.с.<0,1L пластина 8 не успеет нагреться, так как нагрев осуществляется именно на данном участке 12 путем подачи горячей воды. А при длине участка 12 с постоянным сечением l_п.с.>0,4) L часть участка магнитов 3 не будет использоваться, так как нагреву подвергаются пластины 8 поочередно вне зависимости от количества захватываемых магнитной мой пластин 8.

Выбор диапазона значения угла подачи холодной воды 15°-330° связан с тем, что при углах меньше 15° и больше 330° от магнитов 3 по направлению вращения диска 7 ротора произойдет частичное попадание холодной воды на участок 12 с постоянным сечением межполюсного зазора 4, что несвоевременно охладит ферромагнитные пластины 8, находящиеся в тот момент на нем, в результате возникнут силы, противодействующие вращению диска 7 ротора.

Подбор конкретного материала ферромагнитных пластин 8 обусловлен выбором теплоносителя и хладагента, а также значением температуры фазового перехода (точки Кюри) ферромагнетика из ферромагнитного состояния в парамагнитное. При выбранных теплоносителе и хладагенте (горячая и холодная вода) в качестве материала для пластин 8 оптимально подходит гадолиний Gd, который имеет температуру фазового перехода (точку Кюри), близкую к комнатной (20°C). При использовании гадолиниевой пластины 8 нет необходимости нагревать воду до высоких температур (до 80°C).

Использование полезной модели позволит увеличить механическую и/или электрическую мощность магнитотеплового двигателя и расширить область его применения, что даст, несомненно, экономический эффект.

1. Магнитотепловой двигатель, содержащий статор, выполненный в виде двух параллельных неподвижных дисков из неметаллического материала, магнитную систему из двух разнополюсных постоянных магнитов, размещенных на краях дисков статора и обращенных один к другому с образованием межполюсного зазора, вал, расположенный соосно статору с возможностью вращения, ротор, выполненный в виде диска, установленного на валу между дисками статора и снабженного активными элементами, выполненными в виде ферромагнитных пластин, прикрепленных к диску ротора по его окружности с возможностью прохождения через межполюсной зазор при его вращении, узел подачи теплоносителя и узел подачи хладагента, отличающийся тем, что постоянные магниты выполнены с межполюсным зазором, состоящим по его длине из суживающегося по направлению вращения диска ротора участка и участка с постоянным сечением.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что угол сужения межполюсного зазора составляет =20°÷40°, а длина участка с постоянным сечением l_п.с.=(0,1÷0,4) L, где L - длина межполюсного зазора магнитов.

3. Двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что узел подачи теплоносителя расположен напротив участка с постоянным сечением межполюсного зазора магнитов.