PL222961B1 - Silnik unipolarny z wewnętrznym zasilaniem - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest silnik unipolarny z wewnętrznym zasilaniem, przeznaczony do eksperymentalnych napędów elektrycznych oraz do użytku w pracowniach studenckich, szkolnych i eksploratoriach.

Znany z polskiego opisu patentowego nr 206849 silnik unipolarny składa się z wirnika w postaci poziomej belki, zaopatrzonej od dołu w stożkowe gniazdo, stanowiące łożysko do podparcia wirnika na pionowym, również stożkowo zakończonym pręcie. Do belki od dołu przymocowane są dwa m agnesy prętowe, umieszczone wzdłuż belki i zwrócone ku sobie biegunami jednoimiennymi. Belka od góry zaopatrzona jest w pionowy wałek, służący do wyprowadzenia napędu na zewnątrz silnika, przy czym belka, pręt i wałek wykonane są z materiału nieferromagnetycznego i odpornego na korozję. Z kolei wirnik zanurzony jest w elektrolicie - korzystnie w wodnym roztworze kwasu siarkowego H₂SO₄ lub chlorku sodu NaCI o stężeniu ok. 30%. Elektrolit ten wypełnia szklane, cylindryczne naczynie, na którego dnie umieszczono płaską kołową elektrodę z przymocowanym w środku prętem, wspierającym wirnik. Podobną elektrodą dotykającą elektrolitu zamyka naczynie od góry i różni się tym od elektrody dolnej, że ma środkowy otwór, przez który przechodzi wałek do wyprowadzenia napędu oraz kilka mniejszych otworków przez które uchodzą gazy wytwarzane podczas przepływu prądu przez elektrolit. Do obu elektrod przyłożone jest stałe napięcie za pomocą przewodów, z których przewód przyłączony do dolnej elektrody przechodzi przez uszczelniony otwór w pobliżu dna naczynia.

Zasada działania znanego silnika unipolarnego polega na tym, że prąd elektryczny przepływający w kierunku pionowym przez elektrolit wytwarza wewnątrz elektrolitu pole magnetyczne, którego linie sił mają kształt współosiowych okręgów. Wartość indukcji tego pola jest wprost proporcjonalna do odległości od osi naczynia, dlatego w takim polu działają siły na bieguny magnetyczne, przy czym siły działające na bieguny leżące dalej od osi są większe i siły te dają moment decydujący o kierunku obrotu wirnika, który może być zmieniany przez zmianę kierunku prądu przepływającego przez elektrolit.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że silnik unipolarny z wewnętrznym zasilaniem ma wieloramienny wirnik, składający się z radialnie i symetrycznie rozmieszczonych tulejek w liczbie parzystej, połączonych w części środkowej z piastą, w której osadzona jest oś prostopadła do piasty i zakończona u dołu ostrzem. Zewnętrzne końce tulejek są nagwintowane i zamykane wkręcanymi na nie pokrywami. Wirnik, pokrywy i oś wykonane są z materiału nieferromagnetycznego, elektroizolacyjnego i odpornego na działanie substancji żrących, przy czym materiał wirnika i pokryw jest przezroczysty. Korzystnym materiałem na wirnik i pokrywy jest polimetakrylan metylu, natomiast ostrze sporządzone jest z materiału nieferromagnetycznego, odpornego na działanie substancji żrących i na ścieranie, korzystnie ze stali nieferromagnetycznej, zawierającej chrom, nikiel, molibden, niob lub tytan. Wewnątrz każdego z ramion wirnika znajdują się walcowe magnesy trwałe, korzystnie żelazowo-neodymowo-borowe z biegunami oznaczonymi kolorami lub literami N, S, przy czym bieguny jednoimienne wszystkich magnesów N albo S zwrócone są w kierunku piasty. Oś wirnika umieszczona jest pionowo między dwiema poziomymi, kołowymi elektrodami o takim samym kształcie i rozmiarach, wykonanymi z metali zajmujących różne pozycje w szeregu elektrochemicznym, korzystnie z miedzi i cynku. Każda z elektrod zaopatrzona została we współśrodkowy otwór, przy czym oś wirnika przechodzi przez otwór w elektrodzie górnej na zewnątrz, co umożliwia wykorzystanie silnika do napędu urządzeń zewnętrznych, natomiast w otworze dolnej elektrody znajduje się łożysko oporowe ze stożkowym zagłębieniem na górnej powierzchni, w którym może obracać się ostrze osi. Łożysko wykonane jest z takiego samego materiału, jak ostrze. Ponadto, obie elektrody mają po kilka małych przelotowych otworów, przeznaczonych do uchodzenia gazów wytwarzanych podczas pracy silnika oraz po jednym nieprzelotowym otworze w bocznej powierzchni, przeznaczon ym do wsunięcia w nie szczelnie dopasowanych, poziomych końcówek zwory, wykonanej z materiału nieferromagnetycznego o małym oporze elektrycznym, korzystnie z miedzi, przy czym pionowy odcinek zwory jest oddalony od elektrod. Wirnik i elektrody są całkowicie zanurzone w elektrolicie. Przy zastosowaniu elektrod cynkowej i miedzianej, korzystnym elektrolitem jest wodny roztwór kwasu siarkowego H₂SO₄ o stężeniu 10% lub nasycony roztwór chlorku sodu NaCl. Elektrolit wypełnia cylindryczne, otwarte od góry naczynie wykonane z materiału nieferromagnetycznego, elektroizolacyjnego, przezroczystego i odpornego na działanie substancji żrących, korzystnie z polimetakrylanu metylu lub szkła, przy czym średnica wewnętrzna naczynia jest szczelnie dopasowana do zewnętrznej średnicy elektrod. W bocznej ściance naczynia nad dolną elektrodą znajduje się otwór zamykany nieferromagnetycznym korkiem odpornym na działanie substancji żrących, przeznaczony do spuszczania elektrolitu oraz dwa

PL 222 961 B1 otwory umieszczone wzdłuż linii pionowej naprzeciw otworów w bocznych powierzchniach elektrod, przeznaczone do wsunięcia w nie poziomych końcówek zwory. Na obwodzie bocznej ścianki naczynia, pod elektrodą górną wykonane są trzy otwory, rozmieszczone w równych odległościach od siebie i przeznaczone do wsunięcia w nie szczelnie dopasowanych kołków, wykonanych z materiału nieferromagnetycznego i odpornego na korozję, na których opiera się elektroda górna.

Głównymi zaletami silnika unipolarnego z wewnętrznym zasilaniem według wynalazku są samoistne wytwarzanie energii elektrycznej, dzięki czemu nie wymaga on zewnętrznego źródła zasilania oraz łatwe odwracanie kierunku obrotu, przez zamianę miejscami położenia biegunów magnesów albo elektrod. Dodatkowymi zaletami silnika są zwiększenie momentu obrotowego przez zastosowanie wieloramiennego wirnika i prosta konstrukcja.

Przedmiot wynalazku pokazany jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przestawia silnik unipolarny z wewnętrznym zasilaniem w przekroju osiowym płaszczyzną pionową, a fig. 2 obrazuje czteroramienny wirnik tego silnika w przekroju osiowym płaszczyzną poziomą.

Silnik unipolarny z wewnętrznym zasilaniem według wynalazku ma wieloramienny wirnik 1, składający się z radialnie i symetrycznie rozmieszczonych tulejek 2, w liczbie parzystej, połączonych w części środkowej z piastą 3, w której osadzona jest oś 4, prostopadła do piasty i zakończona u dołu ostrzem 5. Zewnętrzne końce tulejek są nagwintowane i zamykane wkręcanymi na nie pokrywami 6. Wirnik, pokrywy i oś wykonane są z materiału nieferromagnetycznego, elektroizolacyjnego i odpornego na działanie substancji żrących, przy czym materiał wirnika i pokryw jest przezroczysty. Korzys tnym materiałem na wirnik i pokrywy jest polimetakrylan metylu, natomiast ostrze sporządzone zostało z materiału nieferromagnetycznego, odpornego na działanie substancji żrących i na ścieranie, korzystnie ze stali nieferromagnetycznej, zawierającej chrom, nikiel, molibden, niob lub tytan. Wewnątrz każdego z ramion wirnika znajdują się walcowe magnesy trwałe 7, korzystnie żelazowo-neodymowo-borowe z biegunami oznaczonymi kolorami lub literami N, S, przy czym bieguny jednoimienne wszystkich magnesów N albo S zwrócone są w kierunku piasty 3. Oś wirnika 4 umieszczona jest pionowo między dwiema poziomymi, kołowymi elektrodami 8, 9 o takim samym kształcie i rozmiarach, wykonanymi z metali zajmujących różne pozycje w szeregu elektrochemicznym, korzystnie z miedzi i cynku. Każda z elektrod zaopatrzona została we współśrodkowy otwór, przy czym oś wirnika 4, przechodzi przez otwór w elektrodzie górnej 9 na zewnątrz, co umożliwia wykorzystanie silnika do napędu urządzeń zewnętrznych, natomiast w otworze dolnej elektrody 8 znajduje się łożysko oporowe ze stożkowym zagłębieniem na górnej powierzchni 10, w którym może obracać się ostrze osi. Łożysko 10 wykonane jest z takiego samego materiału, jak ostrze 5. Ponadto, obie elektrody 8, 9 mają po kilka małych, przelotowych otworów 11, przeznaczonych do uchodzenia gazów wytwarzanych podczas pracy silnika oraz po jednym nieprzelotowym otworze w bocznej powierzchni, przeznaczonym do wsunięcia w nie szczelnie dopasowanych, poziomych końcówek 12 zwory 13, wykonanej z materiału nieferromagnetycznego o małym oporze elektrycznym, korzystnie z miedzi, przy czym pionowy odcinek zwory jest oddalony od elektrod. Wirnik 1 i elektrody 8, 9 są całkowicie zanurzone w elektrolicie 14. Przy zastosowaniu elektrod cynkowej i miedzianej, korzystnym elektrolitem jest wodny roztwór kwasu siarkowego H₂SO₄ o stężeniu 10% lub nasycony roztwór chlorku sodu NaCl. Elektrolit 14 wypełnia cylindryczne 15, otwarte od góry naczynie wykonane z materiału nieferromagnetycznego, elektroizolacyjnego, przezroczystego i odpornego na działanie substancji żrących, korzystnie z polimetakrylanu metylu lub szkła, przy czym średnica wewnętrzna naczynia jest szczelnie dopasowana do zewnętrznej średnicy elektrod 8, 9. W bocznej ściance 15 naczynia nad dolną elektrodą 8 znajduje się otwór, zamykany nieferromagnetycznym korkiem 16, odpornym na działanie substancji żrących, przeznaczony do spuszczania elektrolitu 14 oraz dwa otwory umieszczone wzdłuż linii pionowej naprzeciw otworów w bocznych powierzchniach elektrod, przeznaczone do wsunięcia w nie poziomych końcówek 12 zwory 13. Na obwodzie bocznej ścianki naczynia 15, pod elektrodą górną 9 wykonane są trzy otwory, rozmieszczone w równych odległościach od siebie i przeznaczone do wsunięcia w nie szczelnie dopasowanych kołków 17, wykonanych z materiału nieferromagnetycznego i odpornego na korozję, na których opiera się elektroda górna 9.

Zasada działania silnika unipolarnego z wewnętrznym zasilaniem według wynalazku polega na tym, że między zanurzonymi w elektrolicie 14 elektrodami 8, 9, wykonanymi z metali zajmujących różne pozycje w szeregu elektrochemicznym, wytwarza się różnica potencjałów, która powoduje przepływ prądu elektrycznego pionowo przez elektrolit i przez zworę 1 3. W elektrolicie 14 prąd rozpływa się w całej jego objętości ze stałą gęstością natężenia. Prąd ten wytwarza wewnątrz elektrolitu pole magnetyczne, którego linie mają kształt współosiowych okręgów, a wartość indukcji pola jest wprost

PL 222 961 B1 proporcjonalna do odległości od osi naczynia. W polu o takim rozkładzie przestrzennym indukcji działają siły magnetyczne na bieguny N, S magnesów 7 wirnika 1, przy czym siły działające na bieguny zewnętrzne S, mają większe wartości i przeciwny zwrot, niż siły działające na bieguny wewnętrzne N. W wyniku tego na wirnika 1 działa wypadkowy moment sił, powodujący obrót wirnika zgodnie ze zwrotem sił działających na bieguny zewnętrzne. Obrót ten zachodzi do momentu przetworzenia całej dostępnej energii chemicznej elektrod i elektrolitu na energię elektryczną. Podczas działania silnika zachodzi rozpuszczanie się elektrod 8, 9 i wydzielanie gazów oraz niewielkiej ilości ciepła. Kierunek, obrotu wirnika 1 można łatwo odwrócić przez rozmontowanie silnika i zamianę miejscami elektrod 8, 9 albo przez odkręcenie pokryw 5 na ramionach wirnika i odwrócenie biegunów wszystkich magnesów 7 oraz ponowne zamknięcie magnesów pokrywami.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowe

1. Silnik unipolarny z wewnętrznym zasilaniem zawierający wirnik zanurzony w elektrolicie, znamienny tym, że ma wieloramienny wirnik (1), składający się z radialnie i symetrycznie rozmieszczonych tulejek (2), w liczbie parzystej, połączonych w części środkowej z piastą (3), w której osadzona jest oś (4), prostopadła do piasty i zakończona u dołu ostrzem (5), a zewnętrzne końce tulejek są nagwintowane i zamykane wkręcanymi na nie pokrywami (6), a ponadto wewnątrz każdego z ramion wirnika znajdują się walcowe magnesy trwałe (7), korzystnie żelazowo-neodymowo-borowe z biegunami oznaczonymi kolorami lub literami N, S, przy czym bieguny jednoimienne wszystkich magnesów N albo S zwrócone są w kierunku piasty (3).

2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wirnik, pokrywy (6) i oś wykonane są z przezroczystego materiału nieferromagnetycznego, elektroizolacyjnego, i odpornego na działanie substancji żrących, korzystnie z polimetakrylanu metylu, natomiast ostrze (5) sporządzone zostało z materiału nieferromagnetycznego, odpornego na działanie substancji żrących i na ścieranie, korzystnie ze stali nieferromagnetycznej, natomiast oś (4) zrobiona jest z materiału nieferromagnetycznego, elektroizolacyjnego i odpornego na działanie substancji żrących.

3. Silnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że oś (4) wirnika (1) umieszczona jest pionowo i między dwiema poziomymi, kołowymi elektrodami (8, 9) o takim samym kształcie i rozmiarach, wykonanymi z metali zajmujących różne pozycje w szeregu elektrochemicznym, korzystnie z miedzi i cynku, mającymi po jednym nieprzelotowym otworze w bocznej powierzchni, przeznaczonym do wsunięcia w nie szczelnie dopasowanych, poziomych końcówek (12) zwory (13), wykonanej z materiału nieferromagnetycznego o małym oporze elektrycznym, korzystnie z miedzi, przy czym pionowy odcinek zwory jest oddalony od elektrod (8, 9).