ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР С ГИБКИМ СТАТОРОМ
INDUCTOR-TYPE ELECTRIC GENERATOR WITH FLEXIBLE STATOR

Изобретение относится к устройствам для получения электрической энергии при колебании различных механических деталей относительно друг друга и может быть использовано для генерирования переменного тока при колебании некоторых узлов транспортных средств, в частности рессор или других элементов подвески, например амортизаторов.
Известен индукторный генератор, преобразующий колебания различных механических устройств, в частности некоторых конструктивных элементов транспортных средств в электрическую энергию (См., например, патент RU №2451616 C1 27.05.2012.
Известное устройство предназначено для получения электрической энергии при механическом колебании различных элементов относительно друг друга, и состоит из подвижной замкнутой магнитной цепи с зазором между полюсами, на которую механически воздействуют знакопеременной силой.
Недостаток известного устройства заключается в том, что его применение ограничено наличием стальных рельсов.
Более близким по технической сущности, по мнению авторов, и принятым за прототип является устройство для генерирования переменной ЭДС, описанное в патенте RU №2468491 C1 (27.11.2012).
Известное устройство предназначено для получения электрической энергии при механическом колебании различных конструктивных деталей относительно друг друга, и содержит источник колебаний, источник намагничивания, магнитную систему из обращенных друг к другу полюсов, приемник электрической энергии, подвижную замкнутую магнитную цепь с зазором между полюсами, установленными на подвижных деталях, которые изменяют свое положение относительно друг друга.
Достоинство устройства состоит в том, что оно является, по существу, универсальным и может быть использовано для получения электрической энергии для различных систем, состоящих из двух колеблющихся между собой элементов.
Недостаток прототипа заключается в относительно больших габаритных размерах магнитной системы. Кроме того, для его применения необходимо наличие конструктивных элементов, преимущественно транспортных средств колеблющихся независимо относительно друг от друга.
Задачей данного изобретения является создание простого и надежного преобразователя колебательной энергии в электрическую энергию, достаточную для промышленного применения, и относящихся к амортизирующим элементам транспортных средств.
Техническим результатом является снижение габаритных размеров и веса генератора, повышение КПД и надежности преобразователя энергии колебаний в электрическую энергию, а также обеспечение универсальности и упрощение конструкции.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для получения электрической энергии при механическом колебании различных элементов, содержащем источник колебаний, источник намагничивания, магнитную систему из обращенных друг к другу полюсов и приемник электрической энергии, согласно изобретению магнитная система состоит из выполненных в виде полос из материала, обладающего ферромагнитными свойствами, изогнутых в виде дуги и способных изгибаться в области дуги, с равными по длине прямолинейными участками, являющимися продолжением упомянутой дуги, полосы покрыты с двух сторон лаком, на прямолинейных участках, расположенных ближе к их концу, установлены полюса, разделенные зазором, в момент наибольшего сближения полюсов зазор между ними выполнен минимальным, приемник электрической энергии и источник намагничивания расположены на линейной части магнитной системы.
Источник намагничивания может быть выполнен из намагниченного магнитотвердого материала.
Полюса могут быть выполнены в виде полюсных накладок, из пакета полос магнитно-мягкого материала, покрытых с двух сторон лаком, пакеты полос обращены боковыми гранями к полосам магнитной системы и содержат проем, надеваемый на полосы магнитной системы, так, чтобы концы полос магнитной системы выходили за пределы полюсов, площадь сечения полюсов равна или больше площади сечения магнитной системы, прилегающие друг к другу поверхности полюсов скошены под углом так, чтобы при полном изгибании полос, при котором зазор становится близким к нулю, эти поверхности были параллельны.
Полюса могут быть выполнены из магнитодиэлектрика.
Полюса могут быть выполнены в виде полюсных накладок, одна полюсная накладка имеет прямоугольный хвостовик, который входит внутрь другой полюсной накладки, для этого в другой полюсной накладке имеется выемка, соответствующая хвостовику, причем хвостовик входит в выемку с зазором, проходящим между внутренними боковыми кромками выемки и внутренней поверхностью выемки и поверхностями хвостовика, на внешних сторонах боковых кромок накладки с выемками выполнены скосы, расширяющиеся к основанию кромок, высота кромок несколько меньше высоты хвостовика.
Полюса могут быть выполнены в виде полюсных накладок, внутренние прилегающие поверхности которых параллельны друг другу, а зазор проходит между накладками, вдоль их поверхности через ось симметрии перемещения полюсов, при этом каждая накладка имеет внешний боковой скос, высота которого равна расстоянию перемещения полюса, и сужающийся к концу накладки, причем скос имеет выемку, вдающуюся внутрь скоса.
Выполнение магнитной системы, состоящей из полос материала, обладающего ферромагнитными свойствами, изогнутых в виде дуги и способных изгибаться в области дуги, с равными по длине прямолинейными участками, являющимися продолжением упомянутой дуги и покрытие полос с двух сторон лаком, с прямолинейными участками, позволяет создавать простые и надежные генераторы, вырабатывающие электрическую энергию при колебании элементов транспортных систем. Этому же способствует и расположение приемника электрической энергии и источника намагничивания на линейной части магнитной системы.
Выполнение источника намагничивания из намагниченного магнитотвердого материала позволяет исключить или уменьшить размеры обмотки намагничивания.
Выполнение полюсов из магнитодиэлектрика расширяет возможности для проектировщиков при изготовлении индукторного генератора.
Выполнение полюсов в виде полюсных накладок, состоящих из пакета полос магнитно-мягкого материала, покрытых с двух сторон лаком, при которых пакеты полос обращены боковыми гранями к полосам магнитной системы и содержат проем, надеваемый на полосы магнитной системы, так, чтобы концы полос магнитной системы выходили за пределы полюсов, с площадью сечения полюсов равной или больше площади сечения магнитной системы дает возможность упростить изготовление генератора и обеспечить равномерное распределение магнитного потока по всей магнитной цепи. Если прилегающие друг к другу поверхности полюсов скошены под углом так, чтобы при полном изгибании полос, при котором зазор становится близким к нулю, эти поверхности были параллельны, то при колебаниях магнитной системы обеспечивается максимальный диапазон изменения напряжений. Тот факт, что в момент наибольшего сближения полюсов зазор между ними выполнен минимальным, позволяет варьировать величиной магнитного потока от максимума до определенного минимума в процессе изменения зазора между полюсами.
Выполнение полюсов в виде полюсных накладок, при которых одна полюсная накладка имеет прямоугольный хвостовик, входящий внутрь другой полюсной накладки, в которой имеется выемка, соответствующая хвостовику позволяет повысить диапазон изменения напряжения при колебаниях магнитной системы генератора. Этому же способствуют и скосы, высота которых несколько меньше высоты хвостовика.
Выполнение полюсов в виде полюсных накладок, внутренние прилегающие поверхности которых параллельны друг другу, а зазор проходит между накладками, вдоль их поверхности через ось симметрии перемещения полюсов, при которых каждая накладка имеет внешний боковой скос с выемкой, вдающейся внутрь скоса, сужающегося к концу накладки, расширяет возможности конструктора при проектировании такого генератора и позволяет линиаризировать характер изменения напряжения при колебаниях магнитной системы генератора.
Индукторный электрогенератор с гибким статором иллюстрируется двенадцатью фигурами.
На фиг.1 изображен индукторный генератор с полюсами, выполненными из магнитодиэлектрика, вид сбоку.
Фиг.2 демонстрирует состояние полюсов при минимальном зазоре.
На фиг.3 дан чертеж стяжек, сжимающих полосы статора, вид с торца.
На фиг.4 изображен генератора с полюсами, выполненными в виде накладок из полос, вид сбоку.
На фиг.5 нарисованы наконечники, при которых один из них входит внутрь другого при минимальном зазоре.
На фиг.6 дан чертеж наконечников, при которых один из них входит внутрь другого при максимальном зазоре.
На фиг.7 имеются наконечники, при которых зазор проходит между внутренними гранями наконечников параллельно плоскости перемещения полюсов при максимальном зазоре.
На фиг.8 дан вид наконечников, при которых зазор проходит между внутренними гранями наконечников параллельно плоскости перемещения полюсов при минимальном зазоре.
На фиг.9 показано состояние полюсов при минимальном зазоре, вид сбоку.
На фиг.10 представлен вид полюсов при максимальном зазоре, вид сбоку.
На фиг.11 начерчена принципиальная электрическая схема соединения обмоток генератора.
Фиг.12 изображает генератор со вставкой из магнитотвердого материала.
Индукторный электрогенератор с гибким статором устроен следующим образом. Статор магнитной системы 1 (фиг.1) выполнен из полос материала (не обозначены), обладающего ферромагнитными свойствами, прилегающих друг к другу плоскими поверхностями, наподобие листов трансформатора. Эти полосы могут быть изготовлены из тонких, гибких, широких пластин пружинистой стали, идущей, например, на изготовление рессор. В средней своей части полосы изогнуты в виде дуги 2 и должны быть способны изгибаться в области этой дуги. С двух сторон от дуги 2 имеются равные по длине прямолинейные участки 3, 4, являющиеся продолжением упомянутой дуги. Полосы, в свою очередь, с двух сторон покрыты электроизоляционным лаком (не обозначен), препятствующим возникновение электрического контакта между ними. На прямолинейном участке 3 размещена обмотка самовозбуждения 5. Кроме того, на противоположном прямолинейном участке 4 размещена обмотка якоря 6, предназначенная для генерации электрической энергии при воздействии на магнитную систему. 1. Приемник электрической энергии 5 и источник намагничивания 6 представляют собой соленоидные катушки. При этом, пластины прижимают друг к другу с помощью стяжек 7 (фиг.1, 2), На прямолинейных участках, расположенных ближе к их концу, выполняют обращенные навстречу друг другу полюсные наконечники 8 и 9, так, чтобы концы полос выходили за пределы полюсных наконечников. Наконечники выполнены в виде накладок из магнитодиэлектрика (фиг.1, 2). Эти наконечники дополнительно стягивают полосы, не давая им распушиться при движении. Площадь сечения накладок полюсов равна или больше площади сечения магнитной системы. Прилегающие друг к другу поверхности наконечников 8 и 9 скошены под углом так, чтобы при полном изгибании полос, при котором зазор становится близким к нулю, эти поверхности были параллельны. Часть прямолинейных участков, выступающих за пределы наконечников, используют для приложения внешних сил.
В варианте технического решения каждая полюсная накладка выполнена в виде полос, из магнитно-мягкого материала, покрытых с двух сторон лаком (фиг.4). Полосы накладок обращены боковыми гранями к полосам магнитной системы. Площадь сечения накладок полюсов равна или больше площади сечения магнитной системы. Прилегающие друг к другу поверхности наконечников так же, как магнитодиэлектрические, скошены под углом так, чтобы при полном изгибании полос, при котором зазор становится близким к нулю, эти поверхности были параллельны.
В варианте технического решения одна полюсная накладка 9 имеет прямоугольный хвостовик 10 (фиг.5, 6), который входит внутрь другого наконечника полюса 8. Для этого в полюсной накладке 8 имеется выемка 11, соответствующая хвостовику 10. Хвостовик 10 входит в выемку 11 с зазором, проходящим между внутренними боковыми кромками 12 выемки 11 и внутренней поверхностью 13 выемки и поверхностями хвостовика 10. На внешних сторонах боковых кромок накладки 8 выполнены скосы 14, расширяющиеся к основанию кромок. Высота кромок несколько меньше высоты хвостовика.
Фиг.5 дает представление о состоянии полюсных накладок при их сближении, а фиг.6 показывает состояние магнитных полюсных накладок в период, когда полюса расходятся на максимальное расстояние.
В варианте технического решения наконечники выполнены в виде полюсных накладок 8 и 9 (фиг.7, 8), внутренние прилегающие поверхности 15 и 16 которых параллельны друг другу, а зазор (не обозначен), проходит между накладками, вдоль их поверхности 15 и 16 через ось симметрии перемещения полюсов, при этом каждая накладка имеет внешний боковой скос 17, высота которого равна расстоянию перемещения полюса, и сужающийся к концу накладки, причем скос имеет выемку, вдающуюся внутрь скоса.
Фиг.9 дает представление о состоянии полюсных накладок при их сближении при виде сбоку, а фиг.10 показывает состояние магнитных полюсных накладок в период, когда полюса расходятся на максимальное расстояние также при виде сбоку.
Прямолинейные участки статора, выступающие за пределы торцевых накладок являются и местом приложения внешних сил. Один из участков крепится, например, к лонжерону (не показан) транспортного средства. Второй участок крепиться к элементу подвески ТС, совершающему возвратно-поступательное движение по отношению к упомянутому лонжерону. Узел крепления зависит от конструктивных параметров подвески.
Генерирующая обмотка 6 (фиг.11) подключена на вход двухполупериодного выпрямительного моста 18, выходом которого является приемник электрической энергии. Обмотка намагничивания 5 подключена к выходу сети постоянного тока. В схеме используется также обратный диод 19, включенный в цепи питания обмотки намагничивания и предупреждающий излишнее потребление тока от сети.
В варианте технического решения генератор содержит намагниченную вставку 20 (фиг.12), выполненную из магнитотвердого материала.
Индукторный электрогенератор с гибким статором действует следующим образом. Во время движения транспортного средства некоторые элементы его подвески совершают возвратно-поступательное движение относительно друг друга. Такими элементами могут быть рессоры, амортизаторы и др. Для приведения в движение гибкого генератора необходимо одну выступающую часть прямолинейного участка, например, 3 (фиг.1, 4, 12) сочленить с неподвижным элементом рессоры или амортизатора, а вторую выступающую деталь статора, например, 4 соединить с перемещающимся возвратно-поступательно конструктивным элементом того же амортизатора или рессоры. Сам корпус генератора не к чему не крепится и свободно располагается в пространстве. При воздействии на выступающие части прямолинейных участков статора 10, 11 знакопеременной силой, последние приходят в движение, сгибая статор в области дуги 3, заставляя полюса 8 и 9 приближаться, или удаляться по отношению друг к другу. За счет остаточной намагниченности или за счет постоянного магнита 16 в статоре 1 (фиг.12) сохраняется магнитное поле «ф». При изменении зазора напряженность магнитного поля меняется, то увеличивается, то уменьшается. Это приводит к изменению индукции и, следовательно, к изменению магнитного потока ф. В соответствии с формулой Максвелла в обмотке якоря 7 возникает электродвижущая сила (ЭДС) «е»:
где w - число витков в обмотке 6, dф/dt - изменение магнитного потока dф за время dt.
Как известно, величина магнитного потока в магнитной цепи зависит от размера воздушного зазора δ, что можно представить в виде соотношения ф=f(δ). Тогда формулу 1 можно переписать в виде .
Если магнитные полюса выполнены согласно фиг.5, 6 или 7, 8, то закон изменения магнитного потока будет иметь более сложный характер, поскольку на участках из ферромагнитного материала величина магнитного потока «ф» зависит также от толщины «h» этого ферромагнитного материала, через который поток проходит, т.е.
.
Таким образом, суммарная функция зависимости магнитного поля от зазора (фиг.5, 6, 7, 8, 9, 10) будет иметь вид:
.
При определенных геометрических размерах зазора, боковых скосов выемки, поверхности и толщины хвостовика (фиг.5, 6) можно обеспечить зависимость магнитного потока и, следовательно, ЭДС от зазора, близкую к линейной, что повышает функциональные свойства генератора. Полученная в результате переменная ЭДС после выпрямителя 18 (фиг.11) поступает в бортовую сеть, в качестве которой может быть использован аккумулятор. За счет генерируемой ЭДС появляется и ток в обмотке возбуждения 6, что приводит к увеличению магнитного потока в статоре 1. Самовозбуждение способствует нарастанию ЭДС до момента, когда происходит насыщение железа статора. После чего автономное электропитание от генератора выходит на постоянный режим.
Для того чтобы не повредить полюсные наконечники необходимо заранее определить минимально допустимое изменение просвета между поверхностями полюсов с тем, чтобы не получить соударение между ними.
Если полюса 8, 9 (фиг.10) выполнены из магнитодиэлектрика, то это упрощает технологию их изготовления, что расширяет возможности для проектировщиков.
Если полюса 6, 9 выполнены из полос из магнитно-мягкого материала, покрытых лаком, и полосы полюсов обращены боковыми гранями к полосам магнитной системы, то это позволяет упростить процесс изготовления генератора, при этом площадь сечения полюсов должна быть равной или большей в сравнении с площадью сечения магнитной системы 3, 4.
Желательно, чтобы в момент наибольшего сближения полюсов 8, 9 зазор между ними был минимальным, что позволяет варьировать величиной магнитного потока от максимума до определенного минимума в процессе изменения зазора между полюсами.
Выполнение полюсов в виде полюсных накладок, при которых одна полюсная накладка имеет прямоугольный хвостовик 10 (фиг.5, 6), входящий внутрь другой полюсной накладки 8, в которой имеется выемка 13, соответствующая хвостовику, позволяет повысить диапазон изменения напряжения при колебаниях магнитной системы генератора. Этому же способствуют и скосы 14, высота которых несколько меньше высоты хвостовика 10.
Выполнение полюсов в виде полюсных накладок, внутренние прилегающие поверхности которых параллельны друг другу, а зазор проходит между накладками, вдоль их поверхности 15, 16 (фиг.7, 8) через ось симметрии перемещения полюсов, при которых каждая накладка имеет внешний боковой скос с выемкой, вдающейся внутрь скоса, сужающегося к концу накладки, расширяет возможности конструктора при проектировании такого генератора и позволяет линиаризировать характер изменения напряжения при колебаниях магнитной системы генератора.
Достоинство данного устройства заключается в том, что на его основании можно изготавливать простые и надежные генераторы собственных нужд ТС, в которых используется дармовая энергия колебаний амортизирующих подвесок. Это устройство может быть применено в любых транспортных системах, в которых используется система амортизации корпуса и будет способствовать повышению энергетических возможностей в ТС.