Магнитотепловой двигатель
Магнитотепловой двигатель, предназначенный для преобразования магнитотепловой энергии в механическую и/или электрическую, относится к области энергетики и может быть использовано в авиации для создания двигателей и генераторов электрической энергии, в том числе систем автономного энергообеспечения. Магнитотепловой двигатель содержит статор, выполненный в виде двух неподвижных дисков из неметаллического материала, магнитную систему из двух разнополюсных постоянных магнитов, вал, соосно соединенный со статором, ротор, размещенный на валу между полюсами постоянных магнитов, активные элементы, выполненные в виде ферромагнитных пластин, и трубки для подвода горячей и холодной вод. Магнитная система магнитотеплового двигателя состоит из двух разнополюсных постоянных магнитов и установлена на краю неподвижных дисков статора с их тыльной стороны. Вал выполнен в виде одной сплошной балки, а ротор - в виде одного диска, по периметру которого выполнены на расстоянии друг от друга S=2÷20 мм сквозные отверстия. В эти сквозные отверстия вставлены активные элементы, а трубки для подвода горячей и холодной вод закреплены на статоре с возможностью подачи воды с торца диска ротора, при этом трубка для подвода горячей воды размещена напротив межполюсного зазора. 1 з.п. формулы, 3 илл.
Полезная модель - магнитотепловой двигатель, предназначенный для преобразования магнитотепловой энергии в механическую и/или электрическую, относится к области энергетики и может быть использовано в авиации для создания двигателей и генераторов электрической энергии, в том числе систем автономного энергообеспечения.
Известен магнитотепловой двигатель (Патент РФ на изобретение 
2167338, 2001 г.), который содержит статор, магнитную систему из двух разнополюсных постоянных магнитов, вал, установленный перпендикулярно статору, ротор в виде двух дисков, размещенных на валу с возможностью вращения вокруг своей оси, активные элементы, выполненные в виде ферромагнитных пластин и размещенные на дисках ротора по их периметру, и трубки для подвода горячей и холодной вод.
Недостатком известного устройства является малая мощность преобразования магнитотепловой энергии в механическую и/или электрическую из-за подвода теплоносителя (напр., горячей и холодной вод) только с одной стороны активных элементов, так как они наклеены на диски ротора, что ограничивает область применения магнитотеплового устройства, а также сложность конструкции (например, наличие составного вала), что повышает его стоимость.
Задачей данной полезной модели является увеличение суммарной механической или электрической мощности магнитотеплового двигателя путем увеличения массы ферромагнитных элементов за счет увеличения их толщин, а также путем уменьшения межполюсного зазора постоянного магнита за счет установки ферромагнитных пластин в сквозные отверстия диска ротора.
Благодаря организации лучшего подвода жидких теплоносителей к активным элементам с обеих сторон, достигается быстрый нагрев (охлаждение) ферромагнитных пластин, в результате чего появляется возможность увеличить их толщины, а установка ферромагнитных пластин в сквозные отверстия диска ротора позволяет уменьшить межполюсной зазор, в результате чего усиливается сила притяжения магнитным полем ферромагнитных пластин.
Поставленная задача решается тем, что в известном магнитотепловом двигателе, содержащем статор, выполненный в виде двух неподвижных дисков из неметаллического материала, магнитную систему из двух разнополюсных постоянных магнитов, вал, соосно соединенный со статором, ротор, размещенный на валу между полюсами постоянных магнитов, активные элементы, выполненные в виде ферромагнитных пластин, и трубки для подвода горячей и холодной вод согласно полезной модели магнитная система из двух разнополюсных постоянных магнитов установлена на краю неподвижных дисков статора с их тыльной стороны, вал выполнен в виде одной сплошной балки, ротор выполнен в виде одного диска, по периметру которого выполнены на расстоянии друг от друга S=2÷20 мм сквозные отверстия, в которые вставлены активные элементы, а трубки для подвода горячей и холодной вод закреплены на статоре с возможностью подачи воды с торца диска ротора, при этом трубка для подвода горячей воды размещена напротив межполюсного зазора магнитной системы.
Предлагаемый магнитотепловой двигатель позволяет увеличить свою суммарную механическую или электрическую мощность и расширить область его применения.
На фиг.1 приведена схема магнитотеплого двигателя. На фиг.2 приведен разрез в сечении А-А На фиг.3 приведен вид В (магнитная система)
Магнитотепловой двигатель содержит неподвижные диски 1 и 2 статора, диск 3 ротора, вал 4, активные элементы - ферромагнитные пластины 5, полюса постоянных магнитов 6, подшипник 7, трубу для подвода горячей воды 8, трубу для подвода холодной воды 9.
Статор выполнен в виде двух неподвижных дисков 1 и 2 из неметаллического материала, установленных параллельно друг другу. Постоянные магниты 6 закреплены на краях неподвижных дисков 1 и 2 статора с их тыльной стороны с образованием межполюсных зазоров, а вал 4 соосно соединен с неподвижными дисками 1 и 2 статора через подшипники 7. Ротор состоит из диска 3, размещенного между полюсами постоянных магнитов 6. Диск 3 ротора неподвижно закреплен на валу 4, а активные элементы - ферромагнитные пластины 5 вставлены в сквозные отверстия диска 3, при этом расстояние между отверстиями составляет S=2÷20 мм. Трубка для подачи горячей 8 и холодной 9 вод установлены с торца сплошного диска 3 и закреплены на неподвижном диске 2 статора. При этом трубка 8 для подачи горячей воды расположена напротив межполюсного зазора постоянных магнитов 6, а трубка 9 для подачи холодной воды - под углом 15°÷330° от постоянных магнитов 6 по направлению вращения диска 3 ротора.
Заявляемый магнитотепловой двигатель работает следующим образом.
Так как активные элементы - ферромагнитные пластины 5 вставлены в сквозные отверстия диска 3, то их толщина не выходит за размеры диска. Вследствие этого межполюсной зазор постоянных магнитов 6 будет существенно меньше, чем при расположении с обеих сторон диска феррогмагнитных пластин. В этом случае, благодаря заметному уменьшению межполюсного зазора постоянных магнитов 6, значительно увеличится сила притяжения магнитным полем ферромагнитной пластины, в результате усилится крутящий момент на валу 4. Горячая вода через трубку 8 под небольшим напором подается в межполюсное пространство постоянных магнитов 6 и омывает ферромагнитную пластину 5. В результате этого активный элемент - ферромагнитная пластина 5, расположенная в межполюсном зазоре постоянных магнитов 6, нагревается до температуры, при которой ферромагнитная пластина 5 переходит в парамагнитное состояние (размагничивается). Вследствие этого размагниченная пластина 5 выталкивается из межполюсного пространства магнитов 6 другой, следующей за ней ферромагнитной пластиной 5, притянутой в межполюсное пространство за счет силы притяжения магнитного поля. Так как феррогмагнитные пластины 5 жестко прикреплены к диску 3 ротора, то ротор, закрепленный на подвижном валу 4, совершает вращательное движение за счет полученного от пластин 5 импульса, в результате в межполюсной зазор магнитов 6 становится другая (соседняя) ферромагнитная пластина, не подвергшаяся еще нагреву горячей водой, и цикл повторяется.
Зона охлаждения ферромагнитных пластин 5 охватывает область, находящуюся за постоянными магнитами 6 (вне области действия магнитных сил), что значительно облегчает с помощью холодной воды осуществление эффективного теплосъема с нагретых пластин 5 до температуры, при которой они полностью восстанавливают свое первоначальное магнитное состояние.
Все активные элементы - ферромагнитные пластины 5 в каждом из циклов их раздельного, поочередного нагрева - охлаждения приобретают механический импульс, сообщаемый ими диску 3 ротора магнитотеплового двигателя в направлении его вращения. Угловая скорость вращения диска 3 ротора определяется действующей на него результирующей силой, величина которой прямо пропорциональна градиенту магнитного поля на единицу длины магнитов 6 в рабочем зазоре, суммарной массе активных элементов - ферромагнитных пластин 5, одновременно подпадающих под область действия магнитного поля, величине скачка намагниченности ферромагнитных пластин 5, практически реализуемой в цикле нагрев - охлаждение, скорости фазового перехода из ферромагнитного состояния в парамагнитное и обратно.
Таким образом, при установке ферромагнитных пластин 5 в сквозные отвертсия диска 3 ротора уменьшается межполюсной зазор постонных магниов 6, в результате чего существенно усиливается намагниченность ферромагнитных пластин и, как следствие, возрастает угловая скорость вращения диска 3 ротора.
Подбор конкретного материала ферромагнитных пластин 5 обусловлен выбором нагревателя и охладителя, то есть значением температуры фазового перехода (точки Кюри) ферромагнетика из ферромагнитного состояния в парамагнитное. При выбранных нагревателе и охладителе (горячая и холодная вода) в качестве материала для пластин 5 лучше всего подходит гадолиний Gd, который имеет температуру фазового перехода (точку Кюри), близкую к комнатной (20°С). При использовании гадолиниевой пластины нет необходимости нагревать воду до высоких температур (до 80°С).
Выбранный диапазон значения расстояния между соседними ферромагнитными пластинами 5 (отверстиями) объясняется тем, что при расстоянии S<2 мм из-за растекания тепла по другим соседним ферромагнитным пластинам 5 они могут перейти в парамагнитное состояние (теряют свои магнитные свойства), в результате чего постоянные магниты 6 не в состоянии будут притянуть их к себе в межполюсное пространство и вал перестанет вращаться.
При расстоянии S>20 мм между соседними ферромагнитными пластинами 5 (сквозными отверстиями) ослабнет воздействие магнитного поля на соседнюю (ненагретую) ферромагнитную пластину, в результате магнит 6 не притянет к себе эту пластину и вращение ротора прекратится.
Использование полезной модели позволит увеличить механическую или электрическую мощность магнитотеплового двигателя и расширить область его применения, что даст, несомненно, экономический эффект.
Магнитотепловой двигатель, содержащий статор, выполненный в виде двух неподвижных дисков из неметаллического материала, магнитную систему из двух разнополюсных постоянных магнитов, вал, соосно соединенный со статором, ротор, размещенный на валу между полюсами постоянных магнитов, активные элементы, выполненные в виде ферромагнитных пластин, и трубки для подвода горячей и холодной воды, отличающийся тем, что магнитная система из двух разнополюсных постоянных магнитов установлена на краю неподвижных дисков статора с их тыльной стороны, вал выполнен в виде одной сплошной балки, ротор выполнен в виде одного диска, по периметру которого выполнены на расстоянии друг от друга S=2÷20 мм сквозные отверстия, в которые вставлены активные элементы, а трубки для подвода горячей и холодной воды закреплены на статоре с возможностью подачи воды с торца диска ротора, при этом трубка для подвода горячей воды размещена напротив межполюсного зазора магнитной системы.
