ОПИСАНИЕ   ИЗОБРЕТЕНИЯ   К   ПАТЕНТУ   РФ
«ЭЛЕКТРОМАШИННЫЙ  УМНОЖИТЕЛЬ  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  МОЩНОСТИ»

Изобретение относится к электротехнике, а именно к получению и преобразованию электрической энергии, и может быть использовано при создании стационарных или мобильных источников электрической энергии, не нуждающихся в подводе посторонней энергии любых видов и в расходе какого бы то ни было топлива.
Известно устройство, содержащее электрический генератор и приводной электрический двигатель [1,2], которое (по мнению его авторов) способно само поддерживать вращение ротора генератора и одновременно отдавать некоторую электрическую мощность внешним потребителям (общее название подобных устройств «Вечный двигатель первого рода» , см. по МПК класс Н 02 К 53/00 ). Недостатком конкретного устройства является то, что предложенное применение обычного электротехнического оборудования не позволяет достичь общего КПД устройства, большего единицы, что делает невозможным даже непрерывное поддержание вращения ротора генератора. Кроме того, авторами не даны теоретические обоснования реальности получения КПД>1 по электрическим мощностям. Нижеследующее описание делает попытку преодолеть отмеченные недостатки.
Целью заявляемого изобретения является достижение многократного превышения общего КПД устройства по сравнению с единицей. Это позволит лишь малую долю электрической мощности, вырабатываемой генератором, использовать для непрерывного поддержания вращения ротора генератора, так что остающаяся электрическая мощность может быть использована для питания внешних потребителей электрической энергии.
Электромашинный умножитель электрической мощности представляет собой двигатель-генераторный агрегат. Генератор, вырабатывающий трехфазный ток промышленной частоты 50 Гц , имеет вал, являющийся продолжением вала приводной синхронной электрической машины. Приводная синхронная машина имеет несколько роторов на своем валу и соответствующее число статоров, подобно устройству [3]. Каждая пара статор-ротор образует синхронный “реактивный” двигатель с трехфазным питанием трех обмоток статора и массивным магнитопроводящим ротором с явно выраженными двумя полюсами (см. например [4]). Обмотки всех статоров каждой фазы соединены согласно последовательно. При питании приводной синхронной машины трехфазным током промышленной частоты скорость вращения вала Электромашинного умножителя электрической мощности равна n=3ООО об./мин. Для уменьшения аэродинамических потерь при вращении роторов синхронной машины, им придана цилиндрическая (вдоль вала) форма с помощью прикрепленных воздушных обтекателей из диэлектрического материала, подобно устройству [5].
Использование магнитопроводящего (но не магнитоактивного) ротора с геометрически явно выраженными полюсами обеспечивает его увлечение вращающимся магнитным полем статора и одновременно позволяет избежать воздействия собственных магнитных потоков ротора (отсутствующих) на первичные магнитные потоки статора. Можно напомнить, что работа асинхронных двигателей (а также трансформаторов) основана, наоборот, на образовании вторичных магнитных потоков и их воздействии на первичные магнитные потоки. Подобные явления должны быть исключены. Только тогда появляется возможность применить в заявляемом устройстве особые силовые и электрические зависимости, имеющие место в специфических магнитных цепях и представленные в нижеследующем тексте. Этой же цели служит выполнение воздушных обтекателей ротора из диэлектрика, т.к. это препятствует возможному образованию короткозамкнутого витка вихревого тока на роторе и появлению своего магнитного поля у ротора.
С точки зрения исходной теории физики, по мнению автора предлагаемого изобретения, классическая формула для величины работы А силы F (A=F*L, где L-перемещение тела по направлению силы F) справедлива не во всех случаях, а только для некоторых задач, правда наиболее распространенных и очевидных. Статус этой формулы снижается до уровня частного случая более общего энергетического закона: A=F*t, где t-время действия силы F на тело. Доказательства этого могут быть предоставлены автором по требованию. Новые энергетические соотношения существенно изменяют трактовку многих явлений природы. В частности, применительно к электротехнике должно быть отмечено следующее.
Для электромагнита с якорем до насыщения при малом заданном воздушном зазоре между ними известно, что подъемная сила F электромагнита пропорциональна произведениям :
F ~ B2*S ~ I2*S ,                                                                                                                               (1)
где: В - индукция магнитного поля, линейно пропорциональная току I в обмотке электромагнита ; S - площадь наконечника электромагнита ; B*S=Ф – магнитный поток. Однако, изменяя характеристики якоря, можно добиться на практике иной зависимости :
F ~ I*S .                                                                                                                                             (2)
Новые энергетические соотношения полностью гармонируют с реальностью зависимости (2). Экспериментальные исследования, проведенные автором предлагаемого изобретения, подтвердили право на существование зависимости (2) при питании обмотки электромагнита как постоянным, так и переменным током. Дополнительные сведения могут быть предоставлены автором по требованию.
Действие синхронного “реактивного” трехфазного двигателя с массивным магнитопроводящим ротором с явно выраженными двумя полюсами в квазистатике совпадает с удержанием электромагнитом якоря посредством действия силы F. И в таком синхронном двигателе при соответствующих условиях будет выполняться зависимость (2), которую можно переписать так :
I*S ~ F ~ M ,                                                                                                                                     (3)
где М - крутящий момент на валу синхронного двигателя.
На фиг.1 изображена схема подвода питания к обмотке статора одной из фаз единичного синхронного двигателя 1 ; на фиг.2 - то же для двух синхронных двигателей 2 и 3 с общим валом и последовательным соединением обмоток статоров той же фазы. Источник питания двигателей поддерживает постоянное действующее значение напряжения Uo переменного тока.
При работе двигателя 1 на нагрузку с моментом Мо наблюдается квазистатическое относительное смещение dо полюсов статора и ротора, чему соответствует определенное состояние магнитной цепи двигателя и определенное комплексное электрическое сопротивление обмоток фаз статора двигателя. Пусть это сопротивление таково, что через каждую из фаз статора двигателя 1 течет ток Iо. Т.е. обмотка статора любой фазы двигателя 1 потребляет из сети электрическую мощность Pо=Uо*Iо , см. фиг.1.
Известно, что увеличение момента сопротивления на валу двигателя 1 по сравнению с Мо приводит к увеличению смещения полюсов (d>dо), и наоборот, причем одновременно изменяются магнито-электрические характеристики двигателя при сохранении напряжения Uо. С другой стороны, заданное смещение полюсов dо может наблюдаться при другом значении момента сопротивления (М'<Mо) в случае, когда электромагнитные силы в двигателе создают крутящий момент равный M' при соответствующем снижении напряжения питания двигателя.
Выясним связь величины M' с магнито-электрическими и мощностными характеристиками двигателя 1 при постоянном значении dо в процессе изменения питающего напряжения. Постоянство dо говорит о неизменности в квазистатике магнитной цепи двигателя и, следовательно, о постоянстве комплексного электрического сопротивления каждой фазы статора двигателя 1, в первую очередь, для мощных двигателей с высоким cosj. Поэтому при питании фазы напряжением U'=Uо/2 по обмотке будет течь ток I'=Iо/2. Т.е. обмотка статора любой фазы двигателя 1 будет потреблять из сети мощность : P' = U' * I' = 0,5 Uо * 0,5 Iо = Pо/4 .
Для неизменной магнитной цепи двигателя 1 при заданном dо справедлива зависимость (3), из которой следует :
M ~ I * S ;
M = К * I * S , где К – некий коэффициент ;
при заданном do имеем S=So=const=C , поэтому :
М = К * С * I , т.е. М линейно зависит от тока обмотки ;
если при I=Iо было : Мо = К * С * Iо , то при I=I'=Iо/2 будет :
К * С * Iо/2 = Мо/2 = М' .                                                                                                    (4)
Т.е. уменьшение тока в обмотке статора в 2 раза приводит к уменьшению во столько же раз (в 2 раза) крутящего момента на валу двигателя 1 и сопровождается квадратичным (в 2*2=4 раза) уменьшением потребляемой электрической мощности.
Нетрудно видеть, что отдельно для двигателя 2 и отдельно для двигателя 3 (см. фиг.2) ввиду простого сложения их электрических одинаковых сопротивлений справедливо все сказанное относительно двигателя 1, питаемого половинным напряжением при сохранении величины смещения полюсов dо.   В сумме на общем валу синхронных двигателей 2 и 3 развивается крутящий момент Мо - такой же, как на валу синхронного двигателя 1, но потребляемая ими электрическая мощность в 2 раза меньше мощности, потребляемой эталонным двигателем 1 на фиг.1. Увеличение числа синхронных двигателей на фиг.2 с двух до N позволяет в N раз уменьшить потребляемую мощность при сохранении нужного крутящего момента Мо на общем валу с заданной синхронной частотой вращения n=3000 об./мин. Таким образом, нужная механическая работа может совершаться с минимальными затратами электрической мощности источника питания.
Подготовка электромашинного умножителя электрической мощности к работе производится следующим образом. На первом этапе создается один эталонный синхронный двигатель с магнитопроводящим ротором по условию (3) с максимально возможным КПД (например, kд=0,9). Вал единичного синхронного двигателя соединяется с валом электрического генератора такой же номинальной мощности, что и синхронный двигатель. При КПД генератора kг=0,9 общий КПД двигатель-генераторного агрегата будет равен: k1=kд*kг=0,8. Это означает, например, что при потребляемой двигателем мощности 1ОО кВт, он развивает некоторый крутящий момент Мо, и генератор отдает во внешнюю нагрузку не более 8О кВт, а 2О кВт составляют главным образом потери при преобразовании электрической энергии в механическую и обратно.
На втором этапе к одному эталонному синхронному двигателю подключается точно такой же второй синхронный двигатель, см. фиг.2. Общий вал двигателей будет передавать крутящий момент Мо, необходимый для выработки генератором электрической мощности 8О кВт. При этом, как было показано ранее, суммарное потребление электрической мощности двигателями составит : 1ОО кВт / 2 = 5О кВт. Т.е. электромашинный умножитель электрической мощности на выходе генератора отдает в нагрузку на 3О кВт электрической мощности больше, чем потребляет из сети, и имеет КПД : k2 = 8О кВт / 5О кВт = 1,6 .
На третьем этапе продолжается наращивание числа N синхронных двигателей. Однако, по ряду причин величину потребляемой мощности ( 1ОО кВт / N ) не удастся уменьшать беспредельно с целью бесконечного увеличения КПД электромашинного умножителя электрической мощности. Поэтому наряду с учетом массо-габаритных показателей может быть определено оптимальное число N синхронных двигателей. В качестве примера остановимся на оптимальном числе N=5. Тогда пятидвигательная приводная синхронная машина будет потреблять электрическую мощность : 1ОО кВт / 5 = 2О кВт , а общий КПД устройства составит :
k = 8О кВт / 2О кВт = 4 .
Работа электромашинного умножителя электрической мощности наиболее четко проявляется именно в режиме подвода к приводной синхронной машине некоторой электрической мощности от постороннего источника (сети трехфазного тока). При этом на выходе генератора устройства наблюдается значительно большая электрическая мощность, потребляемая внешней нагрузкой. В режиме подвода электрической мощности от сети к устройству, оно самостоятельно многократно умножает эту мощность, что отражено в названии изобретения. Указанное применение электромашинного умножителя электрической мощности характеризуется простотой анализа подводимой и отдаваемой мощностей, т.е. простотой определения общего КПД данного устройства.
Пример использования электромашинного умножителя электрической мощности. Высокий (в несколько единиц) КПД умножителя позволяет создать самоподдерживаемый автономный источник электрической энергии. Для этого достаточно оснастить умножитель выходным оборудованием управления, которое должно часть вырабатываемой генератором электрической мощности направлять на питание приводной синхронной машины (в рассматриваемом примере с учетом потерь в схемах управления эта мощность может составить 25 кВт). Остальная часть генерируемой электрической мощности : 8О кВт - 25 кВт = 55 кВт направляется оборудованием управления для использования внешними потребителями электрической энергии.
Применяемые в умножителе синхронные двигатели при запуске после подачи на их обмотки трехфазного напряжения не могут сами увеличивать число оборотов с нуля до n=3ООО об./мин. Поэтому во время запуска вал умножителя должен разгоняться до этой частоты вращения отдельным пусковым двигателем любого типа. Кроме того, пусковой двигатель вводит в действие генератор умножителя. Вырабатываемая генератором электрическая энергия посредством оборудования управления подается на приводную синхронную машину умножителя. По окончании процесса запуска умножителя пусковой двигатель удаляется. Дальнейшая непрерывная работа описанного автономного источника электрической энергии при меняющейся нагрузке потребителей обеспечивается выходным оборудованием управления в автоматическом режиме.
Автономные источники электрической энергии на базе Электромашинного умножителя электрической мощности могут использоваться на стационарных электростанциях большой мощности и на крупных транспортных средствах в качестве неисчерпаемого, бестопливного, экологически чистого и недорогого источника энергии, не зависящего от основных природных факторов среды обитания человека.

СПИСОК   ЛИТЕРАТУРЫ

1. Заявка ФРГ № 3412О5О, кл. Н О2 К 53/ОО, публ. 28.02.1985.
2. Патент Франции № 2657474, кл. Н О2 К 53/ОО, публ. 26.07.1991.
3. Авторское свидетельство СССР № 1453533, кл. Н О2 К 16/ОО, публ. 23.01.1989.
4. Авторское свидетельство СССР № 18О2387, кл. Н О2 К 1/24, публ. 15.03.1993.
5. Авторское свидетельство СССР № 286О37,
кл. Н О2 К 1/28, кл. Н О2 К 21/12, публ. 10.11.197О.