1. Электростанция, содержащая электрогенератор, включающий два элемента электрогенератора в виде ротора и статора, выполненные с возможностью вращения вокруг общей оси электрогенератора, гироскоп, выполненный с возможностью вынужденной прецессии вокруг оси прецессии и смонтированный с возможностью передачи крутящего момента вынужденной прецессии на первый элемент электрогенератора, мультипликатор, выходной быстроходный вал которого соединен со вторым элементом электрогенератора, корпусной элемент, зафиксированный и сориентированный на вращателе так, чтобы ось прецессии была не перпендикулярна оси вращения вращателя, отличающаяся тем, что мультипликатор выполнен с возможностью передачи крутящего момента вращателя от тихоходного вала мультипликатора ко второму элементу электрогенератора так, чтобы обеспечить противоположное направление крутящих моментов, приложенных к обоим элементам электрогенератора, а по крайней мере одна из ступеней мультипликатора снабжена средством нагружения, выполненным с возможностью приложения внешней нагрузки к одному из элементов названной ступени мультипликатора.

2. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что средство нагружения выполнено в виде узла торможения.

3. Электростанция по п.2, отличающаяся тем, что узел торможения выполнен с возможностью изменения величины тормозного момента.

4. Электростанция по п.3, отличающаяся тем, что снабжена устройством управления величиной тормозного момента узла торможения по величине тока нагрузки электрогенератора.

5. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что ось электрогенератора совпадает с осью прецессии.

6. Электростанция по п.5, отличающаяся тем, что гироскоп шарнирно закреплен на первом элементе электрогенератора, причем центр тяжести гироскопа не совпадает с точкой шарнирного закрепления.

7. Электростанция по п.6, отличающаяся тем, что гироскоп подпружинен в точке, не совпадающей с точкой его шарнирного закрепления.

8. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что ось прецессии и ось входного вала мультипликатора существенно параллельны оси вращателя.

9. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что содержит узел трения между ротором и статором, выполненный с возможностью изменения силы трения между ними.

 

(57) Реферат / Формула:
Электростанция, содержащая электрогенератор, включающий два элемента электрогенератора в виде ротора и статора, выполненные с возможностью вращения вокруг общей оси электрогенератора, гироскоп, выполненный с возможностью вынужденной прецессии вокруг оси прецессии и смонтированный с возможностью передачи крутящего момента вынужденной прецессии на первый элемент электрогенератора, мультипликатор, выходной быстроходный вал которого соединен со вторым элементом электрогенератора, корпусной элемент, зафиксированный и сориентированный на вращателе так, чтобы ось прецессии была не перпендикулярна оси вращения вращателя, отличающаяся тем, что мультипликатор выполнен с возможностью передачи крутящего момента вращателя от тихоходного вала мультипликатора ко второму элементу электрогенератора так, чтобы обеспечить противоположное направление крутящих моментов, приложенных к обоим элементам электрогенератора, а по крайней мере одна из ступеней мультипликатора снабжена средством нагружения, выполненным с возможностью приложения внешней нагрузки к одному из элементов названной ступени мультипликатора.

2. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что средство нагружения выполнено в виде узла торможения.

3. Электростанция по п.2, отличающаяся тем, что узел торможения выполнен с возможностью изменения величины тормозного момента.

4. Электростанция по п.3, отличающаяся тем, что снабжена устройством управления величиной тормозного момента узла торможения по величине тока нагрузки электрогенератора.

5. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что ось электрогенератора совпадает с осью прецессии.

6. Электростанция по п.5, отличающаяся тем, что гироскоп шарнирно закреплен на первом элементе электрогенератора, причем центр тяжести гироскопа не совпадает с точкой шарнирного закрепления.

7. Электростанция по п.6, отличающаяся тем, что гироскоп подпружинен в точке, не совпадающей с точкой его шарнирного закрепления.

8. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что ось прецессии и ось входного вала мультипликатора существенно параллельны оси вращателя.

9. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что содержит узел трения между ротором и статором, выполненный с возможностью изменения силы трения между ними.

 

---

007341
Область техники
Изобретение относится к области энергетики, а именно к способам и устройствам для получения энергии, в частности электрической, за счет преобразования энергии вращения небесного тела, например Земли, с применением гироскопа.
Предшествующий уровень техники
Известен источник электрической энергии, названный ВАМАС-генератором, преобразующий часть механической энергии суточного вращении Земли в электрическую энергию, содержащий якорь с рабочей обмоткой, и индуктор, обеспечивающий чередующуюся магнитную полярность полюсов (заявка RU 94042293, Н02К 57/00, опубл. 27.01.2005). ВАМАС-генератор расположен на Земле так, что активные проводники якорной обмотки параллельны плоскости меридиана места установки генератора, выдавая, что позволяет, по мнению изобретателя, получить максимальное постоянное электрическое напряжение и ток с концов обмотки якоря в цепь потребителя электроэнергии.
Известны источник планетарной инерционной энергии и способ получения энергии от гироскопной системы, использующей вращение Земли (патент US 5313850, G01C 19/00, опубл. 24.05.1994; также опубл. 27.11.1996 как заявка RU 95108324). Гироскопная система вырабатывает полезную энергию из энергии инерции вращения Земли. Когда Земля вращается, ротор гироскопа с фиксированной рамой пре-цессирует, приводя в движение генератор, установленный между элементами конструкции гироскопа, которые находятся в состоянии взаимного относительного движения. После каждого рабочего цикла 180° средство возобновления прецессии переориентирует ротор в его первоначальное положение, из которого он начинает следующий рабочий цикл, обеспечивая выработку результирующей положительной энергии. Однако, применение уравновешенного гироскопа требует постоянную переориентацию ротора, т. е. дополнительных затрат энергии, усложнения конструкции, к тому же крутящий момент прецессии не постоянен во время цикла, изменяясь от нуля до максимума и обратно. Предварительные расчеты показывают, что для выработки 1 кВт электроэнергии на таком устройстве потребуется создание кинетического момента гироскопа порядка 107 Нм, что ведет к значительному росту массы и габаритов.
В качестве прототипа выбрана известная электростанция, использующая энергию вращения земного шара (Линевич Э.И. Земной шар в качестве силового привода электростанции// "Гравитон" № 2, 2004, с. 10-11). Здесь , в частности, приведено описание системы, включающей гироскоп, электрогенератор и редуктор, за счет которой создают положительную разность скоростей вращения земного шара и прецессии гироскопа, при этом преобразование энергии в электрогенераторе осуществляют путем электродинамического взаимодействия ротора и статора. Недостатком известных способа и устройства является то, что для преобразования полезной мощности даже малой величины (порядка ~ 1 кВт) необходимо получить очень большой момент на тихоходном звене редуктора (порядка ~ 107 Нм), а это ведет к значительному росту габаритов и стоимости электростанции. Кроме того, относительная скорости вращения между ротором и статором очень мала при использовании редуктора, что не позволяет достаточно эффективно получать электроэнергию в электрогенераторе, поэтому согласно одному из вариантов известного технического решения предлагается соединить ротор электрогенератора с быстроходным валом мультипликатора. Однако конструктивно такая схема не проработана, при этом КПД мультипликатора значительно ниже, чем у редуктора.
Сущность изобретения
Решаемая техническая задача - снижение удельных габаритов и удельной массы электростанции, преобразующей энергию системы вращатель-гироскоп (далее - гиросистема), за счет снижения нагрузки на ее отдельные кинематические звенья.
Предлагается способ преобразования кинетической энергии гиросистемы, согласно которому задают вынужденную прецессию гироскопа вокруг фиксированной оси, которая не перпендикулярна оси вращения вращателя, передают крутящий момент вынужденной прецессии гироскопа на один из двух элементов преобразователя энергии, при этом на второй элемент преобразователя передают крутящий момент от вращателя так, чтобы обеспечить относительное вращение обоих элементов преобразователя, причем крутящий момент к одному из элементов преобразователя передают с помощью мультипликатора, выходной быстроходный вал которого соединен с одним из элементов преобразователя. Преобразование и последующее получение полезной энергии осуществляют за счет динамического взаимодействия элементов преобразователя. Новым является то, что дополнительно осуществляют преобразование части кинетической энергии с ее последующим выделением по крайней мере в одной из ступеней самого мультипликатора, при этом на второй элемент преобразователя передают крутящий момент от вращателя так, чтобы обеспечить противоположное направление крутящих моментов, приложенных к обоим элементам преобразователя. Т.о. использование мультипликатора, встроенного указанным образом, позволяет значительно увеличить относительную скорость относительного вращения элементов преобразователя, что снижает его массу и габариты, а за счет предлагаемого выделения энергии в самом мультипликаторе мощность, передаваемая от ступени к ступени, будет уменьшаться на отводимую от ступеней мощность, что позволит снизить нагрузки на элементы устройства. Здесь и далее под термином "вращатель" понимается твердое тело, вращающееся вокруг определенной оси, масса которого много больше массы гиро
- 1 -
007341
скопа, например Земля или другое небесное тело. Очевидно, что наилучший эффект достигается, когда фиксированная ось прецессии существенно параллельна оси вращателя.
Преобразование части кинетической энергии в мультипликаторе с ее последующим выделением можно осуществлять в двух или более ступенях самого мультипликатора, при этом лучше, когда выделение энергии в мультипликаторе увеличивают от ступени к ступени в направлении от наименее тихоходной ступени к наиболее быстроходной ступени.
Преобразование энергии в преобразователе лучше осуществлять за счет электродинамического взаимодействия элементов преобразователя с получением электрической энергии. Однако возможны и другие способы, например использование взаимодействия элементов для получения тепла.
Проще, когда преобразование кинетической в ступени мультипликатора осуществляют за счет сил трения в кинематических парах этой ступени. Выделяемо при этом тепло также может быть утилизировано.
Возможно осуществление регулирования мощности энергии, выделяемой по крайней мере в одной из ступеней мультипликатора. Это, например, может позволить поддерживать неизменной мощность на быстроходном валу мультипликатора при изменении мощности динамического взаимодействия элементов преобразователя.
Для осуществления заявленного способа предлагается электростанция, содержащая электрогенератор, включающий два элемента электрогенератора в виде ротора и статора, выполненные с возможностью вращения вокруг общей оси электрогенератора, гироскоп, выполненный с возможностью вынужденной прецессии вокруг оси прецессии и смонтированный с возможностью передачи крутящего момента вынужденной прецессии на первый элемент электрогенератора, мультипликатор, выходной быстроходный вал которого соединен со вторым элементом электрогенератора, корпусной элемент, зафиксированный и сориентированный на вращателе так, чтобы ось прецессии не была перпендикулярна оси вращения вращателя. Новым является то, что мультипликатор выполнен с возможностью передачи крутящего момента вращателя от тихоходного вала мультипликатора ко второму элементу электрогенератора так, чтобы обеспечить противоположное направление крутящих моментов, приложенных к обоим элементам электрогенератора. Также по крайней мере одна из ступеней мультипликатора снабжена средством нагружения, выполненным с возможностью приложения внешней нагрузки к одному из элементов названной ступени мультипликатора. Именно под действием такой нагрузки и происходит преобразование части кинетической энергии и ее выделение в мультипликаторе согласно заявленному способу.
Средство нагружения может быть выполнено в виде узла торможения, например с возможностью изменения величины тормозного момента, при этом электростанция может быть снабжена устройством управления величиной тормозного момента узла торможения по величине тока нагрузки электрогенератора.
Лучше, когда ось электрогенератора совпадает с осью прецессии. При этом гироскоп лучше шар-нирно закрепить на первом элементе электрогенератора, причем центр тяжести гироскопа не должен совпадать с точкой шарнирного закрепления. При этом гироскоп может быть подпружинен в точке, не совпадающей с точкой его шарнирного закрепления., что также обеспечивает вынужденную прецессию такого неуравновешенного гироскопа.
Лучше, когда ось прецессии и ось входного вала мультипликатора существенно параллельны оси вращателя.
Электростанция может содержать узел трения между ротором и статором, выполненный с возможностью изменения силы трения между ними.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов
На фиг. 1 показан общий вид электростанции с необходимыми разрезами; на фиг 2 - вид А на фиг. 1 (кожух условно не показан); на фиг. 3 - упрощенная схема, поясняющая принцип действия электростанции; на фиг. 4 - вид Д на фиг. 3; на фиг. 5 - общая схема, поясняющая принцип действия электростанции; на фиг. 6 - разрез Б-Б фиг. 5; на фиг. 7 -функциональная схема управления мощностью электростанции.
На чертежах и схемах введены следующие цифровые обозначения: 1 - фундамент, на котором установлена электростанция; 2 - корпус мультипликатора; 3 - узел электрогенератора; 4 - узел гироскопа; 5 -тормозной узел электрогенератора; 6-9 - зубчатые колеса; 10 - тормозной узел зубчатого колеса 7; 11 -тормозной узел зубчатого колеса 9; 12 - фрикционный элемент; 13 - нажимная пружина; 14 - регулировочный болт; 15 - статор электрогенератора; 16 - ротор электрогенератора; 17-18 - токосъемники; 19 -фрикционный элемент тормозного узла 5; 20 - электромагнит; 21 - рама; 22 - гироскоп; 23 - блоки-ровочно-пусковое устройство; 24 - силовой элемент (пружина); 25 - ось вращения Земли.
На чертежах и схемах введены следующие буквенные обозначения: N - Северный полюс Земли; со -угловая скорость прецессии гироскопа 22; Q - угловая скорость вращения Земли; ю7 - угловая скорость прецессионного вращения зубчатого колеса 7; с 9 - угловая скорость прецессионного вращения зубчатого колеса 9; R - расстояние от оси Земли 25 до оси прецессии гироскопа 22; Мк - кинетический момент гироскопа 22; Мг - момент силы, приложенной к гироскопу 22, который создает пружина 24, он же - момент противодействия ротора 16 принудительному вращению; Мг7 - момент силы противодействия зуб
- 2 -
007341
чатого колеса 7 принудительному вращению; Мг9 - момент силы противодействия зубчатого колеса 9 принудительному вращению; Мтр - момент силы трения (электродинамический или фрикционный). Сведения, подтверждающие возможность использования изобретения
На фиг. 1 и 2 показан один из примеров воплощения изобретения с цилиндрическим зубчатым мультипликатором. Тормозной узел 5 является исполнительным устройством схемы управления мощностью: при изменении давления фрикционного элемента 19 изменяется момент силы трения между ротором 16 и статором 15. Блокировочно-пусковое устройство 23 удерживает в исходном положении гироскоп 22. Тормозные узлы 10 и 11 предназначены для создания моментов сил трения, соответственно, на оси колёс 7, 8 и на оси колеса 9. Необходимое значение мощности Ртр задается величиной момента силы трения с помощью соответствующего регулировочного болта (например, Ртр9 регулируется болтом 14), причем Ртр7> Ртр9, а Р0> Ртрсум, где Р0 - максимальная мощность преобразования энергии, Ртрсум - суммарная мощность потерь в кинематической цепи. Передаточное число мультипликатора делается таким, чтобы выполнялось условие Q > ю9.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии нагрузка электрогенератора выключена. От вспомогательного источника питания включают гироскоп 22 и схему управления мощностью, при этом электромагнит 20 воздействует на тормозной узел 5, в результате чего статор 15 и ротор 16 не могут вращаться относительно друг друга и, таким образом, электрогенератор вместе с рамой 21 и гироскопом 22 образуют общий моноблок. Выключают блокировочное устройство 23 (по стрелке Б, фиг 2). Под действием пружины 24 к гироскопу 22 прикладывается поперечный момент силы Мг, который стремится повернуть гироскоп на угол 90° (при этом он стремится занять положение перпендикулярно к плоскости рисунка на фиг. 2, 4 или 6). Т.о. момент Мг распределяется между ступенями мультипликатора 2 в соответствии пропорционально передаточным числам ступеней. Т.к. скорость Q > ю9 то момент Мг становится противодействующим суммарному моменту трения Мтрсум, создаваемого тормозными узлами 5, 10, 11 и потерями в передачах (при этом Мг= Мтрсум, но Мг макс > Мтрсум). В итоге, колеса 9, 7 и 6, а с ними и ротор 16, начнут вращаться, а на узлах трения выделяться энергия в виде тепла.
Включают электрическую нагрузку электрогенератора. В зависимости от её мощности схема управления на тормозном узле 5 создаёт мощность трения Ртр5 в соответствии с выражением
Р0=Мг макс(О-ГМО) > Ртр. сум=(Ртр9 + Ртр7 + Рn)=РG + Ртр5, (1)
где Мг макс - максимально возможный момент силы, приложенный к гироскопу, n - передаточное число мультипликатора, Рп - суммарная мощность трения в зубчатых зацеплениях и подшипниках, Р0 -мощность электрогенератора, отдаваемая в нагрузку. После этого питание гироскопа 22 и схемы управления мощностью переключают на электрогенератор.
Теоретические основы принципа действия изложены ниже.
На схемах (фиг. 3 и 4) показана электростанция, у которой скорость прецессии гироскопа меньше угловой скорости Земли: Q > со.
Частота прецессии, как известно, равна
со = Мг/ Мк (2)
Физический процесс, описываемый формулой (2), динамически симметричен. Это означает, что если вращать гироскоп со скоростью с в направлении его собственной прецессии (создавать действующий момент), то он будет противодействовать этому вращению с моментом, тождественно равным Мг. На показанных схемах действующим моментом является момент трения Мтр, создаваемый между статором 15 и ротором 16. Заметим, что техническими средствами можно поддерживать Мтр неизменным при любом значении (?2-со)> 0.
На схемах (фиг. 5 и 6) показана электростанция, у которой скорость прецессии гироскопа больше угловой скорости Земли: со > Q.
Допустим, что тормозной узел 5 включен, а потери в мультипликаторе 2 равны нулю. При действии момента Мг скорость прецессии со мультипликатор понижает до величины со/п = со9 < Q, а момент, соответственно, увеличивает Мг9 = Мг-п, где п - передаточное число мультипликатора. Если теперь создать трение только на тормозном узле 11, то мы получим преобразование энергии по схеме на фиг. 3 и 4. Недостатки такого способа были изложены выше.
Мощность трения определяется выражением
Ртр = М трк-Юь (3)
где Мтрк - момент трения на соответствующей оси вращения, сОк - скорость вращения на этой оси.
Из выражения (3) следует, что выгоднее создавать необходимую мощность трения на быстроходных осях, так как на них скорость вращения с возрастает, а противодействующий момент гироскопа и, соответственно, действующий момент трения снижаются, что позволяет делать зубчатые передачи из обычных конструкционных материалов, относительно небольших габаритов и массы.
На фиг. 1 и 5 показан способ ударного запуска электростанции в работу, который гарантирует преодоление начального момента трения. Если все ступени мультипликатора выполнить с управляемыми тормозными узлами, как показано на фиг. 7, то становится возможным плавный запуск электростанции в работу.
- 3 -
007341
В описании изобретения показан двухступенчатый мультипликатор. На самом деле, для наземной электростанции необходимо не менее 8-12 ступеней передач редуктора простого ряда. Практический КПД такого редуктора меньше 40%. Однако принцип действия предлагаемой электростанции требует ещё больше увеличивать потери, так как мощность потерь на трение позволяет снизить нагрузки на элементы устройства.
Приведенный пример использован только для целей иллюстрации частного случая осуществления изобретения, он не ограничивает объем правовой охраны, представленный в формуле, при этом специалист в данной области техники относительно просто способен осуществить и другие варианты осуществления изобретения.
ФОРМУЛА ИЗБРЕТЕНИЯ
1. Электростанция, содержащая электрогенератор, включающий два элемента электрогенератора в виде ротора и статора, выполненные с возможностью вращения вокруг общей оси электрогенератора, гироскоп, выполненный с возможностью вынужденной прецессии вокруг оси прецессии и смонтированный с возможностью передачи крутящего момента вынужденной прецессии на первый элемент электрогенератора, мультипликатор, выходной быстроходный вал которого соединен со вторым элементом электрогенератора, корпусной элемент, зафиксированный и сориентированный на вращателе так, чтобы ось прецессии была не перпендикулярна оси вращения вращателя, отличающаяся тем, что мультипликатор выполнен с возможностью передачи крутящего момента вращателя от тихоходного вала мультипликатора ко второму элементу электрогенератора так, чтобы обеспечить противоположное направление крутящих моментов, приложенных к обоим элементам электрогенератора, а по крайней мере одна из ступеней мультипликатора снабжена средством нагружения, выполненным с возможностью приложения внешней нагрузки к одному из элементов названной ступени мультипликатора.
2. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что средство нагружения выполнено в виде узла торможения.
3. Электростанция по п.2, отличающаяся тем, что узел торможения выполнен с возможностью изменения величины тормозного момента.
4. Электростанция по п.3, отличающаяся тем, что снабжена устройством управления величиной тормозного момента узла торможения по величине тока нагрузки электрогенератора.
5. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что ось электрогенератора совпадает с осью прецессии.
6. Электростанция по п.5, отличающаяся тем, что гироскоп шарнирно закреплен на первом элементе электрогенератора, причем центр тяжести гироскопа не совпадает с точкой шарнирного закрепления.
7. Электростанция по п.6, отличающаяся тем, что гироскоп подпружинен в точке, не совпадающей с точкой его шарнирного закрепления.
8. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что ось прецессии и ось входного вала мультипликатора существенно параллельны оси вращателя.
9. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что содержит узел трения между ротором и статором, выполненный с возможностью изменения_силы трения между ними.
22 2 Фиг. 1
- 4 -
007341
, 23 \26 \22
Фиг. 2
Фиг. 3
ВидД
Фиг. 4
- 5 -
007341
Б^Б
Фиг. 6
_ Датчик
Электрогенератор
Тормоз 1-й (5)
Тормоз 2-й (10)
Тормоз 3-й (11)
| |-------1 I
L -1 Тормоз и-1
! м !
Схема управления
Нагрузка
Вспомогательный источник питания
Переключатель питания
Фиг. 7
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
- 6 -