МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
MAGNETOELECTRIC GENERATOR OF OSCILLATORY MOTION

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к конструкциям вибрационных электрических генераторов, преобразующих механическую энергию импульсного или периодического колебательного движения (например, транспортных средств, таких как грузовые железнодорожные вагоны, грузовые контейнеры, размещенные на железнодорожных платформах, или другие подобные транспортные средства, не оснащенные автономными источниками электропитания) в электричество, причем конструкция генераторов включает неподвижные магниты и подвижную систему катушек, обеспечивающую вынужденное маятниковое колебание катушек в постоянном силовом магнитном поле.
В настоящее время основное число грузовых железнодорожных вагонов, платформ и контейнеров, предназначенных для дальних грузоперевозок товаров, конструкций и изделий, а также строительных, природных, ископаемых, горюче-смазочных и химических материалов, продуктов и сырья, не оснащены автономными источниками долговременного электропитания современных бортовых микроэлектронных устройств и датчиков, устанавливаемых на элементах конструкции вагонов и контейнеров и предназначенных, например, для текущего контроля тепловых параметров и характеристик букс колесных пар во время движения вагонов; для текущего контроля сохранности грузов посредством электронных пломб на дверях вагонов и контейнеров, функционирующих совместно с локальными радиопередатчиками; электронных идентификационных меток вагонов и контейнеров, функционирующих совместно с радиоустройствами позиционирования транспортируемых грузов (вагонов и контейнеров) посредством международных глобальных систем ГЛОНАС, GPS или GALILEO; радиочастотных, электронных или электромагнитных идентификационных меток вагонов и контейнеров, обеспечивающих оперативность сортировки вагонов и достоверность формирования подвижного состава поездов на узловых железнодорожных станциях и др.
Известен электрический генератор колебательного движения [1], содержащий дуговой статор с обмоткой и подвешенный на опоре подвижный элемент в виде маятника с магнитной системой возбуждения, ось подвески которого совпадает с продольной осью генератора, причем генерация электрической энергии происходит в результате взаимного относительного механического колебательного движения статора с обмоткой и маятника с магнитной системой возбуждения.
Недостатком генератора является низкая функциональная пригодность его конструкции к использованию на борту железнодорожных вагонов и платформ из-за значительного вертикального габарита генератора и его нечувствительности к вертикальным импульсным или быстрым периодическим колебаниям вагонов. Эффективность формирования электрического тока в данном генераторе возрастает лишь при возникновении медленной горизонтальной составляющей колебательного движения (плавно раскачивающего генератор из стороны в сторону), которая фактически в спектре частот механических колебаний движущегося вагона отсутствует.
Известен также магнитоэлектрический генератор [2], содержащий диэлектрический корпус, внутри которого установлены два краевых неподвижных постоянных магнитных элемента, размещенных на противоположных концах корпуса, два жестко связанных подвижных постоянных магнитных элемента, взаимодействующих с двумя замкнутыми на выпрямители электропроводящими контурами и установленных вблизи краевых неподвижных постоянных магнитных элементов, а также двух магнитных направляющих, состоящих каждая по крайней мере из трех равноудаленных друг от друга постоянных магнитных элементов и охватывающих одноименными полюсами подвижные постоянные магнитные элементы, причем благодаря соответствующей ориентации полюсов магнитов подвижный магнитопровод удерживается в парящем подвешенном состоянии на магнитной подвеске. Генератор обеспечивает формирование электрического тока в электропроводящих контурах (катушках) при возникновении колебательных механических движений подвижного магнитопровода, причем величина формируемого переменного тока возрастает при совпадении собственной частоты колебаний подвижного магнитопровода с частотой внешних возмущений вследствие проявления резонанса. Генерируемый в катушках переменный электрический ток отводится по электрическим проводникам на клеммы диодных выпрямителей и далее на аккумуляторы электрической энергии.
Недостатком данного генератора также является низкая функциональная пригодность его конструкции к использованию на борту железнодорожных вагонов и платформ (контейнеров) из-за значительного вертикального габарита генератора и малоэффективной генерации ЭДС вследствие не оптимального (взаимного неортогонального) пересечения витков проводников электропроводящих контуров (катушек) силовыми магнитными линиями колеблющегося в вертикальной и горизонтальной плоскостях подвижного магнитного элемента. В соответствие с законами электромагнитной индукции наиболее эффективным с точки зрения формирования максимальной по величине ЭДС является взаимно перпендикулярное поперечное движение проводников и силовых линий магнитного поля [3, С.223…227; 4, с.230, С.275…278], которое в данном генераторе не обеспечивается для значительного числа витков проводников, находящихся в обмотке каждой из катушек вблизи полюсов N подвижных магнитных элементов [2, фиг.1]. Кроме того, известно, что для увеличения выходной мощности генератора, преобразующего кинетическую энергию механического движения ротора в электрическую энергию, необходимо увеличивать массу движущейся части ротора, что не предусмотрено в конструкции данного генератора, из-за его наибольшей эффективности в микроисполнении по нанотехнологиям [2, с.1 и с.8].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является электрический генератор [5], реагирующий на импульсное или периодическое вертикальное механическое колебательное движение транспортного средства и содержащий вертикально установленные стягивающие стойки (пруты), на одном конце которых закреплено верхнее основание с системой подвески из нескольких упругих элементов в виде пружин, обеспечивающих периодическое колебательное движение подвижной системы (ротора), состоящей из соосно плотно прилегающих друг к другу нескольких взаимно параллельных по плоскости электрических катушек (электропроводящих контуров), жестко закрепленных на нижнем конце трубчатого цилиндра, на верхнем конце которого жестко закреплен балансировочный груз, регулируемая масса которого определяет частоту собственных колебаний подвижной системы, причем груз прикреплен к нижним концам пружин подвески. На другом конце стягивающих стоек (прутов) закреплено нижнее основание со статором, сформированным из нескольких чередующихся слоев плотно соединенных соосных взаимно параллельных по плоскости кольцевых постоянных магнитных элементов с осевой магнитной линией, перпендикулярной плоскости нижнего основания, между полюсами которых соосно установлены плоские кольцевые магнитопроводы, концентрически с зазором охватывающие электрические катушки (электропроводящие контура). Сквозь трубчатый цилиндр с балансировочным грузом и электрические катушки (с небольшим зазором, обеспечивающим свободное движение катушек по дополнительному магнитопроводу) проходит осевой неподвижный линейный дополнительный магнитопровод, концы которого закреплены в верхнем и нижнем взаимно параллельных по плоскости основаниях генератора. Стягивающие стойки (пруты) дополняются замкнутым цилиндрическим кожухом (например, герметичным корпусом), к которому прикрепляются нижнее и верхнее основания. Генерируемый в катушках переменный электрический ток отводится по электрическим проводникам и пружинам подвески на клеммы выпрямителей и далее на аккумуляторы электрической энергии.
Недостатком данного генератора является низкая функциональная пригодность его конструкции к использованию на борту железнодорожных вагонов и платформ (контейнеров) также из-за значительного вертикального габарита генератора и потерь энергии на трение скольжения внутренних поверхностей катушек по внешней поверхности осевого линейного магнитопровода, увеличивающихся при возникновении боковых поперечных колебаний генератора в горизонтальной плоскости.
В предлагаемом изобретении поставлена задача повышения функциональной пригодности конструкции электрического генератора к использованию на борту железнодорожных вагонов и платформ (контейнеров), а именно уменьшение вертикального габарита генератора, повышение эффективности генерации электрического тока и обеспечение возможности плоскопараллельного вертикального перемещения электропроводящих контуров без раскачивающих колебаний, соударений и трения.
Поставленная задача решается тем, что в магнитоэлектрический генератор колебательного движения, содержащий корпус с основаниями, ротор, статор, электропроводящие контура, элементы упругой подвески и балансировочный груз, дополнительно введены по меньшей мере два статора, при этом все статоры размещены на нижнем основании вдоль нижнего электропроводящего контура равноудаленно друг от друга вокруг центральной вертикальной оси генератора и обращены к ней одноименными полюсами. Кроме того, в состав каждого из дополнительных статоров введены два линейных постоянных магнитных элемента, установленных осевой магнитной линией перпендикулярно горизонтальной плоскости нижнего основания и ориентированных к нижнему основанию генератора противоположными полюсами, при этом каждая пара нижних и верхних противоположных полюсов линейных постоянных магнитных элементов каждого из статоров плотно соединены с парой, соответственно, нижних и верхних обращенных друг к другу магнитопроводов, между которыми размещены витки проводников обмотки, соответственно, нижнего и верхнего электропроводящих контуров. Кроме того, в генератор дополнительно введена нижняя система упругой подвески из по меньшей мере трех Ш-образных плоских консольных пружин с двумя прямыми и одним обратным плечами, установленных на нижнем основании вдоль нижнего электропроводящего контура между магнитными элементами статоров равноудаленно друг от друга вокруг центральной вертикальной оси генератора и дополненных соответствующим числом балансировочных грузов, при этом упругий элемент в составе верхней системы упругой подвески выполнен в виде Ш-образной плоской консольной пружины с двумя прямыми и одним обратным плечами, а сама верхняя система упругой подвески дополнена по меньшей мере двумя Ш-образными плоскими консольными пружинами с двумя прямыми и одним обратным плечами и соответствующим числом балансировочных грузов. Оба прямых плеча каждой из Ш-образных плоских консольных пружин верхней и нижней систем упругой подвески жестко закреплены с защемлением на поверхности, соответственно, верхнего и нижнего оснований, а обратное плечо каждой из Ш-образных плоских консольных пружин верхней и нижней систем упругой подвески соединено подвижно через ось вращения, соответственно, с верхним и нижним электропроводящими контурами, и каждый из регулируемых по массе балансировочных грузов установлен на поверхности сочленения прямых и обратных плеч соответствующей Ш-образной плоской консольной пружины. При этом корпус, стягивающие стойки, верхнее и нижнее основания выполнены из немагнитных конструкционных материалов, например из дюралюминия, латуни, силумина и/или ударопрочной пластмассы, соответственно. Магнитопроводы выполнены из магнитного материала в виде пакета изогнутых по окружности и концентрически плотно соединенных между собой листов, например электротехнической стали, с плоскими взаимно ортогональными торцевыми поверхностями. Высота каждого из линейных постоянных магнитных элементов в составе каждого из статоров превышает суммарную величину зазоров между соответствующими парами верхних и нижних магнитопроводов по меньшей мере в два раза, а каждая из Ш-образных плоских консольных пружин выполнена с двумя прямыми и одним обратным плечами одинаковой длины.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг.1 - структура (сечение) магнитоэлектрического генератора (на чертеже условно изображен один статор и два упругих элемента подвески, верхний и нижний; стойки, стягивающие верхнее и нижнее основания генератора, условно не показаны);
фиг.2 - структура (вид сверху) магнитоэлектрического генератора с условно снятым верхним основанием;
фиг.3 - конструкция плоской Ш-образной консольной пружины.
На чертежах обозначено: 1 - корпус генератора из немагнитного конструкционного материала; 2 - верхнее основание генератора из немагнитного конструкционного материала; 3 - нижнее основание генератора из немагнитного конструкционного материала; 4 - верхний электропроводящий контур ротора; 5 - нижний электропроводящий контур ротора; 6 - линейный постоянный магнитный элемент статора, ориентированный вертикально вверх; 7 - линейный постоянный магнитный элемент статора, противоположно ориентированный вертикально вниз; 8 и 9 - верхняя пара магнитопроводов статора; 10 и 11 - нижняя пара магнитопроводов статора; 12 - плоская Ш-образная пружина упругой подвески электропроводящего контура; 13 - осевые соединения обратных плеч плоских Ш-образных пружин упругой подвески и электропроводящих контуров; 14 - элемент жесткого крепления (например, винтового) плоской пружины на стойке опоры; 15 и 16 - регулируемые по массе балансировочные грузы; 17 - прямое плечо плоской Ш-образной пружины упругой подвески; 18 - обратное плечо плоской Ш-образной пружины упругой подвески; 19 и 20 - стойки опор крепления прямых плеч плоских Ш-образных пружин упругой подвески, соответственно, на верхнем и нижнем основаниях; 21 - направление колебательного движения генератора, закрепленного на несущих элементах транспортного средства; 22 - направление колебательного движения верхнего электропроводящего контура генератора; 23 - направление колебательного движения нижнего электропроводящего контура генератора; 24 - направление колебательного движения балансировочного груза верхней упругой подвески; 25 - направление колебательного движения балансировочного груза нижней упругой подвески; 26 - силовые линии магнитного поля; 27 - отверстия для жесткого крепления с защемлением прямых плеч плоской Ш-образной пружины к опоре основания; 28 - отверстия для механического крепления регулируемых по массе балансировочных грузов; 29 - поверхность сочленения прямых и обратных плеч Ш-образной плоской консольной пружины, предназначенная для размещения балансировочных грузов; 30 - петля осевого соединения обратного плеча плоской Ш-образной пружины с жесткой локальной консолью электропроводящего контура; 31 - элемент жесткого разъемного крепления (например, винтового) балансировочного груза на плоской пружине; а - длина прямого 17 и обратного 18 плеча плоской Ш-образной пружины 12; b - величина зазора между парой верхних (8 и 9) и нижних (10 и 11) магнитопроводов; h - высота линейного постоянного магнитного элемента 6 (7).
На чертеже фиг.1 верхний электропроводящий контур 4 изображен в среднем положении колебательного движения, а нижний электропроводящий контур 5 изображен в положении наибольшего отклонения контура 5 вниз.
Электропроводящие контуры 4 и 5 подключены к установленным на основаниях 2 и 3 клеммам диодных выпрямителей и аккумуляторам электрической энергии гибкими электрическими проводниками, которые на фиг.1 и фиг.2 условно не показаны.
Электропроводящие контуры 4 и 5 выполнены в виде многовитковой кольцевой электрической обмотки, например из тонкой медной проволоки с лаковой изоляцией по поверхности, причем витки обмотки размещены на жестком кольцевом каркасе из немагнитного диэлектрического конструкционного материала. На каркасе с внутренней стороны выполнены равномерно расположенные по окружности жесткие локальные консоли для осевого крепления обратных плеч плоских Ш-образных пружин.
Каждый из линейных постоянных магнитов, например 6, плотно соединен с верхним 8 и нижним 10 магнитопроводами, например, с помощью клеящего компаунда или совместно опрессован немагнитной стягивающей оболочкой. Допускаются другие механические способы крепления магнитопроводов 8 и 10 (9 и 11) на торцах линейных постоянных магнитов 6 (7) посредством элементов крепежа из немагнитных материалов. Собранный магнитный элемент 6 с магнитопроводами зафиксирован на опорах верхнего 2 и нижнего 3 основания, например, с помощью немагнитных штифтов.
Плоская Ш-образная пружина 12 выполнена из упругого листового материала, например из стали или бронзы. Геометрические размеры конструктивных элементов (прямых 17 и обратного 18 плеч) пружины 12 и механические характеристики и свойства упругого материала пружины предопределяют ее жесткость и, следовательно, частоту собственных колебаний подвески [2, с.8, формула 6; 6, с.19, с.23, с.24…25, табл.1; 7, с.18, табл.1.1, с.34].
Известно, что в соответствии с законами геометрии для фиксированной ориентации кольцевых электропроводящих контуров 4 и 5 в пространстве, а именно для ориентации контуров в горизонтальной плоскости, число точек их подвески должно быть не менее трех для каждого из контуров. Допускается увеличение числа точек подвески контуров в пространстве.
Для дополнительной юстировочной настройки параметров (частоты и амплитуды) колебательного движения отдельно каждого из упругих элементов 12 необходимо изменять массу [2, с.8, формула 6] балансировочных грузов 15 и 16, установленных на поверхности сочленения 29 прямых 17 и обратных 18 плеч Ш-образных плоских консольных пружин 12. Балансировочные грузы 15 и 16 выполнены в виде наборного пакета пластин дискретной массы.
Высота h каждого из линейных постоянных магнитных элементов 6 и 7 превышает суммарную (b+b) ширину зазоров между магнитопроводами (пара 8 и 9, а также пара 10 и 11) не менее чем в 2 раза. Этим обеспечивается сосредоточение магнитного поля 26 именно в зазорах магнитопроводов, причем силовые линии 26 магнитного поля и проводники обмотки электропроводящих контуров 4 и 5 находятся в ортогональных плоскостях.
При прогибе плоской Ш-образной пружины 12 равенство длины прямых 17 и обратного 18 плеча пружины 12 обеспечивает вертикальное плоскопараллельное перемещение плоскости электропроводящих контуров 4 и 5 в пространстве без боковых биений.
Предлагаемый магнитоэлектрический генератор работает следующим образом.
При движении транспортного средства магнитоэлектрический генератор, закрепленный на одном из несущих элементов конструкции транспорта (например, на каркасе, нижнем или верхнем основании железнодорожного вагона, платформы или контейнера), совершает импульсно-периодическое колебательное движение 21, в результате которого возбуждаются периодические, в том числе затухающие, колебательные вертикальные движения 22 и 23 верхнего 4 и нижнего 5 электропроводящих контуров, закрепленных на упругих подвесках 12. Перемещение витков обмоток контуров 4 и 5 в вертикальной плоскости перпендикулярно силовым линиям магнитного поля 26 приводит к наведению ЭДС в проводниках и генерации переменного электрического тока на выводах катушек [4, с.228], который поступает на клеммы диодных выпрямителей и далее в аккумуляторы электрической энергии.
При увеличении числа элементов упругой подвески 12 в генераторе возрастает жесткость конструкции всей колеблющейся системы подвески, что допускает возможность подбора частоты собственных колебаний контуров 4 и 5 [2, с.8, формула 6] на этапе проектирования генератора в соответствии с реальным спектром частот механических колебаний, возникающих при движении конкретного вида транспортных средств. Известно [2, с.9], что при совпадении частоты собственных колебаний подвижных электропроводящих контуров и частоты возмущающих воздействий механического колебания транспортного средства (или отдельных гармоник спектра возмущающих частот) резко возрастает амплитуда колебаний контуров 4 и 5 в магнитном поле 26 вследствие резонанса, что предопределяет более высокую эффективность генерации переменного электрического тока.
При увеличении числа магнитных элементов 6 и 7 в структуре статора возрастает индукция магнитного поля 26 (пронизывающего витки обмотки электропроводящего контура 4), что способствует увеличению ЭДС [4, с.228] и, следовательно, эффективности генерации электрического тока в витках в результате колебательного движения 22 (23) контура 4 (5).
При дискретном выборочном изменении массы балансировочных грузов 15 и 16 на этапе приемно-сдаточных испытаний генератора устраняются дисбалансы в вертикальном колебательном движении контуров 4 и 5, возникающие вследствие несимметричности и/или неплотности укладки электрических проводников в многовитковой катушке контуров.
В связи с тем, что масса движущегося ротора в значительной степени предопределяет кинетическую составляющую механической энергии, подлежащей преобразованию в генераторе в электрическую энергию, предлагаемая конструкция обеспечивает возможность наращивания выходной мощности магнитоэлектрических генераторов колебательного движения за счет увеличения массы подвижных кольцевых электропроводящих контуров 4 и 5 (например, за счет увеличения их диаметра, массы электрических проводников обмотки или установки дополнительных грузов на контурах) без существенного увеличения габаритов генератора как по вертикали, так и по горизонтали.
Кроме того, частота собственных механических колебаний контуров 4 и 5 в генераторе эффективно и оперативно корректируется при его сборке или настройке как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, числом и/или жесткостью элементов упругой подвески (плоских пружин 12 Ш-образной формы, например, различной толщины). Для этого при разработке конструкции каркаса контуров 4, 5 и конструкции верхнего 2 и нижнего 3 оснований необходимо заранее заложить в их конструкцию на этапе проектирования ряда дополнительных элементов 14, 19, 20 крепления подвески (стоек, отверстий, опор, жестких локальных консолей и др.), что и позволяет оперативно корректировать число элементов упругой подвески при сборке генератора.
Предлагаемый магнитоэлектрический генератор колебательного движения выгодно отличается от известных решений более высокой функциональной пригодностью к использованию в конструкциях грузовых железнодорожных вагонов, платформ и контейнеров за счет уменьшения вертикального габарита генератора, повышения эффективности генерации электрического тока в витках обмоток контуров, движущихся в ортогональных плоскостях с силовыми линиями магнитного поля, и возможности обеспечения плоскопараллельного вертикального перемещения электропроводящих контуров без раскачивающих колебаний, соударений и трения об несущие элементы конструкции генератора.
Источники информации
1. А.с. СССР №587570, МПК Н02К 35/00. Электрический генератор колебательного движения / Деревянко Б.Я., Кац В.А. - Заявлено 28.05.1975. - Опубл. 05.01.1978, бюл. №1 (аналог).
2. Патент РФ №2292106, МПК Н02К 35/02. Магнитоэлектрический генератор / Белоногов О.Б. - Заявлено 30.03.2005. - Опубл. 20.01.2007, бюл. №2 (аналог).
3. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. - 7-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2001. - 542 с., ил.
4. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов. - М.: Высш. шк., 1989. - 608 с.: ил.
5. Патент GB №1316950, МПК F03В 13/18, F03G 1/00, Н02К 7/18, Н02К 35/00, F03В 13/00. Электрический генератор. - Заявлено 30.06.1969. - Опубл. 16.05.1973 (прототип).
6. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. Изд. 3-е, доп. и перераб. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1976. - 320 с., ил.
7. Талицкий Е.Н. Защита электронных средств от механических воздействий. Теоретические основы: Учеб. пособие / Владим. Гос. ун-т. Владимир, 2001. - 256 с.