УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА БЕСКОНТАКТНЫМ СПОСОБОМ, В ЧАСТНОСТИ ВЕЛОСИПЕДНАЯ ДИНАМО-МАШИНА, ОСВЕТИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И ВЕЛОСИПЕД
DEVICE FOR CONTACTLESS GENERATION OF ELECTRIC CURRENT, IN PARTICULAR BICYCLE DYNAMO-MACHINE, LIGHTING SYSTEM AND BICYCLE

Область техники, к которой относится предлагаемое изобретение
Предлагаемое изобретение относится к устройству для генерирования электрического тока (генераторное устройство) бесконтактным способом, в частности к велосипедной динамо-машине, которое работает с вращающимся реагирующим элементом, в качестве какового может служить, например, обод колеса, и имеет по меньшей мере один установленный подвижным образом роторный элемент, содержащий по меньшей мере один магнит и по меньшей мере одну обмотку, при этом обеспечивается возможность индуцирования электрического тока по меньшей мере в одной группе витков упомянутой обмотки под действием упомянутого магнита при движении последнего вместе с упомянутым роторным элементом, при этом упомянутый электрический ток может быть использован для обеспечения работы потребителя, при этом упомянутый роторный элемент выполнен с возможностью движения при магнитном взаимодействии с упомянутым реагирующим элементом, при этом предлагаемое устройство характеризуется тем, что упомянутые роторный элемент и реагирующий элемент имеют разные направления осевых линий, т.е. разные осевые линии, и роторный элемент выполнен с возможностью, в рабочем положении, генерирования по меньшей мере одного магнитного поля, причиной которого являются вихревые токи в реагирующем элементе, который является электропроводным и образует непрерывный круговой контур, так что в условиях непрерывного перемещения реагирующего элемента и роторного элемента по отношению друг к другу в реагирующем элементе индуцируются вихревые токи, которые непрерывно противодействуют друг другу и порождают противоположно направленные магнитные поля, так что под действием образующегося таким образом магнитно-вихретокового взаимодействия для роторного элемента обеспечивается возможность движения при движении реагирующего элемента. Кроме того, предлагаемое изобретение относится к созданной на основе такого устройства осветительной системе транспортного средства и к велосипеду, оборудованному таким устройством.
Предпосылки создания предлагаемого изобретения
Известны велосипедные динамо-машины различных типов, обеспечивающих выработку электрического тока для велосипедных фар.
Для этого могут использоваться, например, боковые динамо-машины или катковые динамо-машины, у которых фрикционное колесико прокатывается по боковой планке и/или по несущей поверхности шины.
Недостатками таких динамо-машин являются их низкий к.п.д. и значительный тормозящий эффект, обусловленный необходимостью большого контактного давления у шины, а также зависимость от погодных факторов, таких как слякоть, сырость и снег. Кроме того, они издают беспокоящий шум.
Известны также другие типы велосипедных динамо-машин, в частности ступичные динамо-машины.
Ступичные динамо-машины непосредственно встроены в ступицу колеса и обычно снабжены зубчатой передачей. Такие динамо-машины не зависят от погодных факторов и обеспечивают достаточную электрическую мощность, однако им присущ тот недостаток, что они имеют большую массу, что является обстоятельством, исключающим их использование, в частности, в спортивных велосипедах, кроме того, их совершенствование невозможно без существенных расходов, связанных с заменой ступицы колеса.
Ставшие классическими велосипедные динамо-машины, вырабатывающие электричество бесконтактным способом, требуют дополнительных магнитов или магнитных колец, которые установлены на спицах и индуцируют э.д.с. в неподвижно зафиксированных обмотках. Магниты пробегают около катушек без механического контакта с ними, поэтому такие бесконтактные устройства не создают шума и оказывают только незначительное тормозящее действие. Для достижения необходимой мощности требуется много дополнительных магнитов, которые вручную закрепляют на спицах, что, опять же, является обстоятельством, исключающим использование в спортивных велосипедах.
Кроме того, разработаны генераторы, в которых приводится в движение один или большее количество магнитов, заключенных в некотором компоненте конструкции, который прикреплен к раме или вилке колеса велосипеда, при этом на ободе колеса или на спицах установлены магниты или металлические элементы, обеспечивающие непосредственное магнитное взаимодействие с упомянутым компонентом конструкции при прохождении около последнего.
Магниты, которые приводятся в движение в упомянутом сплошном компоненте конструкции, индуцируют электрический ток в прилегающей обмотке. Однако всем этим устройствам присущ недостаток, состоящий в необходимости установки дополнительных магнитных или металлических компонентов на колесе велосипеда (см., например, публикацию WO 2001/033700 A1).
Цель предлагаемого изобретения
Целью предлагаемого изобретения является создание устройства для генерирования электричества бесконтактным способом, в частности велосипедных динамо-машин, которые были бы простыми в изготовлении и недорогими, а также не требовали бы дополнительных магнитов или металлических компонентов, устанавливаемых в колесе или на колесе.
Эта цель достигается созданием объекта, заявляемого в независимом пункте 1 формулы изобретения, и объектов, заявляемых в независимых пунктах 12 и 17 формулы изобретения. Варианты предлагаемого изобретения, обеспечивающие дополнительные преимущества, заявляются в зависимых пунктах формулы изобретения. Варианты осуществления предлагаемого изобретения иллюстрируются в прилагаемых графических материалах.
Краткое описание предлагаемого изобретения
Предлагаемое изобретение характеризуется тем, что роторный элемент и реагирующий элемент имеют разные осевые линии, и в рабочем состоянии роторный элемент обеспечивает возможность генерирования по меньшей мере одного магнитного поля, причиной возникновения которого являются вихревые токи в реагирующем элементе, который является электропроводным и образует непрерывный круговой контур, так что в условиях непрерывного перемещения реагирующего элемента и роторного элемента по отношению друг к другу в реагирующем элементе индуцируются вихревые токи, которые непрерывно противодействуют друг другу и порождают противоположно направленные магнитные поля, так что под действием образующегося таким образом магнитного взаимодействия для роторного элемента обеспечивается возможность движения вместе с реагирующим элементом.
Поэтому предлагаемое изобретение содержит только один электропроводный реагирующий элемент, в частности колесный обод в качестве одного колеса пары (магнитной «шестерни»), который подвергается кратковременному намагничиванию и имеет магнитную связь с роторным элементом, содержащим постоянный магнит или электромагнит. При таком решении в рабочем положении должно быть обеспечено расстояние между работающими в качестве магнитных «шестерен» роторным элементом и реагирующим элементом настолько малое, чтобы магнитное поле магнита роторного элемента индуцировало в реагирующем элементе (который выполнен, например, в виде металлического колеса) при его вращении достаточно большие вихревые токи.
При использовании магнитов, описываемых ниже, упомянутое расстояние может легко поддерживаться на уровне более 4 мм.
Вихревые токи, индуцируемые в реагирующем элементе, если для его изготовления выбран парамагнитный материал, создают временные магнитные поля, требуемые для магнитного взаимодействия между реагирующим элементом и роторным элементом.
Во всякое время индуцированные вихревые токи создают местный нагрев в материале реагирующего элемента, что приводит к некоторому нагреванию реагирующего элемента, однако это нагревание пренебрежимо мало, так как реагирующий элемент охлаждается при вращении.
Тепловые потери, имеющие место по причине вихревых токов, принимаются в расчет, но преимущества бесконтактной передачи энергии при магнитном взаимодействии элементов более значимы, чем эти потери (альтернативой же является трудоемкое переоборудование магнитной или другой системы).
Генераторное устройство согласно предлагаемому изобретению работает без механического контакта между взаимодействующими элементами и поэтому является бесшумным. Для магнитной связи не является проблемой снег, лед, грязь или дождь в отличие от взаимодействия через трение.
При этом легко обеспечивается возможность размещения роторного элемента внутри корпуса, так что исключается влияние на генерирование электричества таких факторов, как снег, слякоть и т.п.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором роторный элемент снабжен совокупностью магнитов, в частности по меньшей мере шестью магнитами.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором магнитные поля, генерируемые совокупностью магнитов роторного элемента, которые в некоторой мере взаимодействуют с магнитными полями, причиной которых являются вихревые токи в реагирующем элементе, расположены вокруг роторного элемента симметрично по окружности.
Роторный элемент может быть установлен, например, с возможностью вращения с преодолением сопротивления накопителя энергии. В этой связи регулярная структура магнитных полей роторного элемента полезна с точки зрения оптимального генерирования электричества. Представляется предпочтительным такое решение, при котором роторный элемент установлен с возможностью вращения на валу, при этом магниты относительно оси вращения ориентированы с точки зрения расположения их северного и южного полюсов радиально. В частности, направления полюсной ориентации магнитов, которые расположены перпендикулярно оси вращения, должны быть идентичными. Это особенно предпочтительно для некоторых значений количества магнитов, а именно когда их количество получено умножением нечетного числа на два (это, например, числа 6, 10, 14, … и т.д., то есть числа вида 2+n×4, где n=1, 2, 3, …).
Силовые линии магнитного поля, создаваемого магнитом, ближайшим к реагирующему элементу (в частности, к ободу велосипедного колеса), в рабочем состоянии проникают в реагирующий элемент и индуцируют в последнем вихревые токи.
Эти вихревые токи, в свою очередь, порождают магнитные поля. Магнитное поле, ориентированное в направлении вращения колеса, притягивает магнит, так что на последний действует сила в направлении вращения реагирующего элемента, что приводит к вращению роторного элемента, вокруг которого образовано как бы магнитное кольцо.
Благоприятные условия создаются в том случае, когда соседние магниты, установленные на роторном элементе, имеют противоположную полюсную ориентацию, эффект от такого решения является усиленным благодаря тому, что индуцирующие магнитные поля вихревые токи имеют противоположную поляризацию.
Результатом такого решения является дополнительное отталкивание предшествующего (относительно направления вращения колесного обода) магнитного поля, так что колесный обод и магнитный роторный элемент оказываются связанными подобно шестерням некоторой передачи, возникающей на основе вихревых токов (так сказать магнитно-вихретоковая передача).
В рассматриваемом случае по меньшей мере один магнит, а в частности все магниты, роторного элемента выполнен таким образом, что в качестве реагирующего элемента может быть использован обод велосипедного колеса, который, по меньшей мере в существенной степени, состоит из алюминия, стали или из электропроводной пластмассы. Такое колесо, обеспечивающее непрерывный круговой контур и сконструированное как единый узел, уже имеется у ряда велосипедов, так что генераторное устройство согласно предлагаемому изобретению может использоваться как модернизированная велосипедная динамо-машина. Предлагаемое генераторное устройство имеет надлежащие контакты для соединения с проводами обмотки.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором в предлагаемом генераторном устройстве используются постоянные магниты из неодима, обеспечивающие величину напряженности магнитного поля в диапазоне от 750 кА/м до 1100 кА/м, особенно в диапазоне от 850 кА/м до 1000 кА/м. Это достаточно сильные магниты при малых размерах. Например, плоские малогабаритные магниты в форме прямоугольного параллелепипеда с размерами по кромкам меньше 2 см могут быть размещены на шестигранной металлической несущей конструкции, так что роторный элемент оказывается снабженным шестью магнитами. С обеспечением преимущества могут быть использованы постоянные магниты из неодима с размерами по кромкам 20 мм×10 мм×5 мм. Для создания порождаемых вихревыми токами магнитных полей и, следовательно, электрического напряжения и/или тока в замкнутом контуре при движении алюминиевого колеса такое магнитное колесо роторного элемента может быть размещено близко к борту обода (например, на расстоянии в диапазоне от 4 мм до 10 мм). Для этого предлагаемое генераторное устройство снабжено надлежащими крепежными элементами.
Согласно предлагаемому изобретению на магнитное колесо, то есть на роторный элемент, при движении велосипедного колеса непрерывно действует крутящий момент в отличие от известных генераторных устройств такого типа, в которых используются дополнительно установленные на велосипедном колесе дискретным образом металлические элементы или магниты, обеспечивающие за счет магнитного притяжения крутящий момент прерывистого характера. В дополнение к более простой конструкции предлагаемое генераторное устройство обеспечивает значительно более высокие значения крутящего момента, достигаемого за счет соответствующей большей токовой отдачи при использовании существующих колесных ободов в качестве реагирующего элемента.
3
Например, мощность 3 Вт может быть достигнута при использовании установленных по обе стороны обода двух колец из постоянных магнитов, которые представляют собой кольца из постоянных магнитов из неодима, образованные шестью описанными выше магнитами и обеспечивающие удельную энергопроизводительность 306 кДж/м при толщине 5 мм (габаритные размеры 20 мм×10 мм×5 мм) при использовании алюминиевого колесного обода при движении со скоростью 20 км/час. Скорость вращения магнитного кольца является величиной, производной от скорости вращения колеса и отношения периферии колесного обода к «виртуальному» периметру роторного элемента, которая зависит от расстояния от оси его вращения до обода. Скорость вращения роторного элемента может быть дополнительно уменьшена как реакция на проскальзывание, которое зависит от напряженности магнитного поля, расстояния до колеса и скорости вращения последнего.
Порождение магнитных полей вихревыми токами особенно усиливается, когда магниты роторного элемента по меньшей мере частично, и это представляется предпочтительным решением, располагаются на внешней стороне несущей конструкции, которая является, например, металлической, находятся на расстоянии друг от друга и равномерно распределены по периферии упомянутой несущей конструкции.
Генераторное устройство согласно одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения может быть снабжено образуемой группой витков обмоткой, которая является частью генератора, приводимого в работу роторным элементом. При этом роторный элемент приводит в движение вал, на котором установлены некоторые его магниты, и этот вал, в свою очередь, оснащен магнитом для генерирования электрического тока в генераторе обычного типа.
Однако согласно одному из обеспечивающих особые преимущества вариантов осуществления предлагаемого изобретения имеется обмотка, витки которой полностью охватывают роторный элемент, и в частности, обмотка и роторный элемент заключены внутри одного вместилища. При таком решении генераторное устройство имеет простую конструкцию, оно более компактно и имеет более высокую эффективность, чем известные динамо-машины, благодаря более низким потерям в подшипниках. В частности, обмотка может быть образована единым проводником, хотя возможны и другие решения относительно обмотки. В частности, части проводника могут быть реализованы как две группы витков обмотки, расположенные под углом друг к другу, при этом обе они охватывают роторный элемент.
Простое и эффективное решение обмотки обеспечивается при ее угловом прохождении на 360 градусов в плоскости, которая по существу параллельна оси вращения роторного элемента. При таком решении предлагаемое генераторное устройство имеет относительно малые размеры и может быть расположено близко к реагирующему элементу, при этом как упомянутая ось вращения, так и плоскость витков обмотки приблизительно параллельны плоскости, образуемой реагирующим элементом. Согласно одному из вариантов его осуществления предлагаемое генераторное устройство может содержать в своем составе электропроводную, круговую замкнутую часть колеса, принадлежащего транспортному средству другого типа, а не обод велосипедного колеса.
Согласно еще одному варианту осуществления предлагаемого изобретения генераторное устройство содержит накопитель электрической энергии, в качестве которого может использоваться, в частности, электрический конденсатор или электрический аккумулятор, при этом упомянутый накопитель выполнен с возможностью хранения электрической энергии в процессе работы предлагаемого генераторного устройства и с возможностью ее последующего расходования.
Проблема, о которой говорилось выше, решается также созданием осветительной системы транспортного средства, в частности осветительной системы велосипеда, которая содержит устройство для генерирования электрического тока, описанное выше, и по меньшей мере одно средство освещения, соединенное с обмоткой генераторного устройства. Эта осветительная система транспортного средства имеет преимущества, о которых говорилось выше или будет сказано ниже.
Предлагаемое генераторное устройство весьма компактно и энергетически эффективно, когда упомянутое по меньшей мере одно средство освещения расположено у корпуса генераторного устройства, в котором заключена обмотка, при этом подача электрической энергии к средству освещения может быть осуществлена через посредство коротких проводов, соответственно, с малыми потерями.
Средство освещения может быть непосредственно встроено в корпус или же оно может быть соединено с генераторным устройством с помощью несущей конструкции/монтажного средства по меньшей мере в одном из различных положений.
В частности, система в целом, которая содержит генераторную часть, проводку и источник света, может быть полностью помещена в корпус, благодаря такому решению она может быть сделана весьма нечувствительной к воздействиям извне.
Представляется предпочтительным такое решение, при котором осветительная система согласно предлагаемому изобретению снабжена двумя средствами освещения, при этом упомянутые средства освещения, содержащие, в частности, по меньшей мере один диод, находятся в отдельных электрических цепях с разными направлениями проводимости диодов, так что упомянутые электрические цепи попеременно снабжаются переменным электрическим током, который индуцируется в обмотке роторным элементом.
Переменный ток, который индуцируется роторным элементом в витках обмотки, используется для питания двух электрических цепей, которые разделены по направлению проводимости.
В одном из обеспечивающих особые преимущества вариантов осуществления предлагаемой осветительной системы диоды, используемые в качестве средств освещения, имеют противоположные направления проводимости.
Частота генерируемого переменного тока зависит от скорости вращения роторного элемента, которая, в свою очередь, зависит от передаточного отношения в магнитно-вихретоковой передаче, два колеса которой находятся во вращении. Преимущество обеспечивается при значении упомянутого передаточного отношения 1:40, которое обеспечивается в случае, когда окружность колеса составляет приблизительно 2 м, а окружность магнитного кольца составляет величину в диапазоне приблизительно от 6 см до 8 см, при этом обеспечивается генерирование переменного электрического тока, частота которого значительно выше, чем частота миганий, улавливаемых человеческим глазом (20 Гц).
В этом случае эффективный радиус роторного элемента получается путем сложения радиуса внешнего кругового пути, который описывается роторным элементом, с расстоянием/зазором между роторным элементом и реагирующим элементом. Преимущество обеспечивается при таком решении, при котором частота генерируемого переменного тока находится в диапазоне от 50 Гц до 150 Гц. Таким образом, под действием переменных магнитных полей вращающегося магнитного кольца/роторного элемента порождается переменное электрическое напряжение достаточной величины, которое подается для производства света. При таком решении обеспечивается недопущение дополнительных потерь, вызванных трением, как это имеет место при использовании низового генераторного узла.
Высокая эффективность обеспечивается, в частности, в случае четного количества магнитов, у которых направления север-юг (полярности) лежат на оси, которая перпендикулярна оси вращения реагирующего элемента.
Вместо использования переменного электрического тока в двух отдельных электрических цепях, разумеется, может быть использована единая электрическая цепь. Кроме того, осветительная система транспортного средства согласно предлагаемому изобретению или генераторное устройство согласно предлагаемому изобретению может иметь электрическую цепь с выпрямителем, при этом упомянутый выпрямитель находится за обмоткой и выпрямляет электрический ток, генерируемый в обмотке. Преимущество обеспечивается при таком решении, при котором осветительная система транспортного средства согласно предлагаемому изобретению снабжена также несущим узлом, с помощью которого обеспечивается регулирование расстояния между роторным элементом и реагирующим элементом. Представляется предпочтительным такое решение, при котором такое регулирование обеспечивается перемещением упомянутого несущего узла роторного элемента внутри наружного корпуса предлагаемой осветительной системы транспортного средства. Световая отдача этой осветительной системы может регулироваться путем изменения расстояния между роторным элементом и ободом колеса, приводящего к изменению величины индуцируемого электрического напряжения.
Указанная выше цель достигается также созданием велосипеда, снабженного осветительной системой, которая была описана выше и будет описана ниже, и имеющего колесный обод, который может быть использован в качестве реагирующего элемента.
Существует множество возможностей крепления предлагаемого генераторного устройства к велосипеду. В частности, предлагаемое устройство для генерирования электрического тока может быть расположено на вилке и/или на тормозе велосипеда, например, таким образом, что электрический ток, индуцируемый в обмотке, увеличивается при приближении роторного элемента к ободу колеса при торможении, что сопровождается увеличением световой отдачи. При уменьшении эффективного периметра роторного элемента ввиду его приближения к колесному ободу скорость вращения роторного элемента увеличивается в соответствии с изменением передаточного отношения, что приводит к дополнительному уменьшению проскальзывания между двумя вращающимися элементами, а именно между колесным ободом и роторным элементом, так что достигается повышение общей мощности и, следовательно, светимости средств освещения. Таким образом, при использовании в качестве источника света красного тормозного огня на заднем колесе велосипеда согласно предлагаемому изобретению обеспечивается свечение этого тормозного огня при уменьшении скорости велосипеда.
Для этого генераторное устройство согласно предлагаемому изобретению может быть дополнительно прикреплено к тормозной накладке. В дополнение к непосредственному расположению на тормозной накладке или в качестве альтернативы такому расположению устройство для генерирования электрического тока согласно предлагаемому изобретению может быть размещено у тормозной колодки или внутри нее, и при таком решении ее расположение остается неизменным даже при замене тормозной колодки.
В частности, расположение предлагаемого генераторного устройства на тормозной колодке или внутри нее (по меньшей мере частично) обеспечивает преимущество с точки зрения эксплуатации осветительной системы при торможении. Таким образом, осветительная система велосипеда может включать в свой состав тормозную колодку, в которую уже встроены существенные части устройства для генерирования электрического тока согласно предлагаемому изобретению и которая может быть использована взамен тормозных колодок известных тормозных систем.
Возможно также такое решение, при котором устройство для генерирования электрического тока согласно предлагаемому изобретению прикреплено к опорной конструкции тормоза кантилеверного консольного типа или консольного тормоза с перпендикулярным подводом тросика к рычагам.
В общем связь реагирующего элемента с роторным элементом может быть достигнута установкой соответствующих роторных элементов на обеих сторонах колесного обода велосипеда согласно предлагаемому изобретению, и эти роторные элементы, в свою очередь, индуцируют электрический ток в соответствующих обмотках, будучи расположенными во взаимно усиливающем магнитоактивном положении. При этом наводимые в колесном ободе вихревые токи могут быть усилены использованием соответствующих магнитов, что также способствует улучшению магнитной связи в системе.
В предлагаемых изобретениях наводимые вихревые токи и возбуждаемые ими магнитные поля в колесном ободе возрастают по величине при повышении скорости вращения колеса, а при повышении скорости существенно уменьшается проскальзывание.
В частности, обеспечивается особое преимущество при таком решении, при котором элементы генераторного устройства закреплены на кронштейне обычной велосипедной вилки тормоза в виде подковы, так что два роторных элемента с эффектом взаимного усиления располагают на противоположных сторонах колесного обода, как описано выше. Подковообразная конфигурация обеспечивает прикрепление, устойчивое к динамическим нагрузкам, когда компоненты генераторного устройства могут крепиться жестко над ободом колеса.
В общем случае велосипед согласно предлагаемому изобретению может быть снабжен двумя системами освещения, и для заднего света могут использоваться менее сильные магниты и менее мощные лампочки.
Осветительная система согласно предлагаемому изобретению, обеспечивающая освещение в процессе торможения, может быть также снабжена устройствами для генерирования электрической энергии как у переднего, так и у заднего тормоза, которые электрически соединены друг с другом. При нажатии на тормоз, в отличие от постепенного набора скорости, имеет место резкое возрастание электрического тока, генерируемого генераторным устройством, этот усиленный ток передается в электрическую цепь питания заднего фонаря велосипеда. Для этой цели используются простые коммутационные компоненты, такие как компараторы и транзисторы.
Варианты осуществления предлагаемого изобретения, которые были описаны выше и будут описаны ниже, представляют собой усовершенствования известных генераторных устройств, таких как велосипедные динамо-машины, так как они обеспечивают возможность создания бесконтактных (и следовательно бесшумных), всепогодных, с малым трением (и следовательно энергетически эффективных) источников электрической энергии, не имеющих каких-либо компонентов, прикрепляемых к колесу.
Другие преимущества и признаки предлагаемого изобретения будут ясны из последующего его подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 в аксонометрии схематично показан частичный вид устройства для генерирования электрического тока согласно одному из вариантов осуществления предлагаемого изобретения.
На фиг. 2 генераторное устройство, изображенное на фиг. 1, показано детально.
На фиг. 3 схематично показан частичный вид устройства для генерирования электрического тока согласно другому варианту осуществления предлагаемого изобретения.
На фиг. 4 генераторное устройство, изображенное на фиг. 1, показано с большей детализацией.
На фиг. 5 схематично иллюстрируется базовая идея предлагаемого изобретения.
На фиг. 6 схематично показана осветительная система транспортного средства согласно предлагаемому изобретению.
На фиг. 7 показан велосипед согласно предлагаемому изобретению.
На фиг. 8 показана часть устройства для генерирования электрического тока согласно предлагаемому изобретению.
На фиг. 9 показана другая часть устройства для генерирования электрического тока согласно предлагаемому изобретению.
На фиг. 10 показан частичный вид другого генераторного устройства согласно предлагаемому изобретению.
Подробное описание предлагаемого изобретения
На разных прилагаемых чертежах сходные компоненты обозначаются одинаковыми ссылочными обозначениями. Некоторые технические признаки описываемых ниже вариантов осуществления предлагаемого изобретения могут приводить к развитию дальнейших вариантов его осуществления в сочетании с признаками вышеупомянутых вариантов.
Устройство для генерирования электрического тока согласно предлагаемому изобретению, изображенное на фиг. 1, содержит реагирующий элемент 1, который сопряжен с роторным элементом 2, который установлен с возможностью вращения. Для этого в качестве упомянутого реагирующего элемента 1 используется колесный обод, имеющий боковую поверхность 1.1, которая образует непрерывный круговой контур. Колесный обод, играющий роль реагирующего элемента 1, выполнен из электропроводного материала, например из алюминия. Упомянутый роторный элемент 2 содержит несущую конструкцию 2.1, на которой установлены магниты, которые распределены по ее периферии, как будет описано более подробно ниже. Упомянутая несущая конструкция 2.1 с установленными на ней магнитами установлена с возможностью вращения на валу 2а. При вращении реагирующего элемента 1, то есть колесного обода, в направлении, показанном стрелкой 4а, возникает вращательное движение роторного элемента 2, который снабжен магнитами 4b. Роторный элемент 2, который сейчас действует как шестерня магнитно-вихретоковой передачи, полностью защищен от действия окружающей среды, например от погодных факторов, с помощью коробки 6, в которую он помещен. При этом нечувствительные к погодным факторам подвижные компоненты генераторного устройства находятся в контакте с окружающей средой. Ось вращения упомянутого вала 2а перпендикулярна прямой линии, проходящей через вал 1а колесного обода.
Роторный элемент 2 находится в рабочем положении для генерирования вихревых токов, наводимых магнитными полями в реагирующем элементе 1. Обмотка и источник света, выполненный с возможностью получения питания электрическим током, индуцируемым в обмотке, на рассматриваемом чертеже не показаны.
На фиг. 2 представлен частичный вид генераторного устройства, изображенного на фиг. 1, при этом не показана коробка 6. Роторный элемент 2 отделен от боковой поверхности 1.1 реагирующего элемента 1 небольшим зазором 3.1. Северные полюсы 2b (на чертеже не заштрихованы) и южные полюсы 2с (на чертеже заштрихованы) магнитов 3 роторного элемента 2 чередуются по его периферии, так что при вращении велосипедного колеса в направлении, обозначенном стрелкой 4а, реагирующий элемент вызывает вращение снабженного магнитами роторного элемента 2 в направлении, обозначенном стрелкой 4b. Стрелкой 5 обозначено направление силовых линий магнитного поля того магнита 3, который в данный момент находится ближе всех к боковой поверхности 1.1 реагирующего элемента 1, то есть колесного обода.
В варианте осуществления предлагаемого изобретения, иллюстрируемом на фиг. 3, по периферии несущей конструкции 2.1 роторного элемента 2 расположено четное количество магнитов 3, которые находятся на расстоянии друг от друга. Магнитное поле, действующее непосредственно на боковую поверхность 1.1 реагирующего элемента 1, может быть сделано невозмущенным надлежащим подбором зазора между соседними магнитами 3.
На фиг. генераторное устройство, изображенное на фиг.1, показано с обмоткой 7. Витки обмотки 7 параллельны боковой поверхности 1.1 реагирующего элемента 1 (то есть колесного обода), в результате чего удается достичь компактности блока, расположенного сбоку от колесного обода. Кроме того, коробка 6 служит опорой для вала 2а.
На фиг. 5, где представлена схема, иллюстрирующая базовую идею предлагаемого изобретения, реагирующий элемент 1 показан в лежачем положении. Упомянутый реагирующий элемент 1, то есть колесный обод, совершает вращательное движение в направлении, обозначенном стрелкой V1. Роторный элемент 2 снабжен постоянными магнитами 3, полярность которых чередуется и которые пробегают по касательной около боковой поверхности 1.1 реагирующего элемента 1, будучи отделенными от нее воздушным зазором. Силовые линии магнитного поля 4а и 4b того магнита 3, который находится ближе всех к реагирующему элементу 1, проникают в реагирующий элемент 1 и наводят в нем вихревые токи 5а и 5b, которые, в свою очередь, порождают магнитные поля ба и 6b.
Магнитное поле 6а, которое по отношению к направлению вращения реагирующего элемента 1 (то есть колесного обода) расположено спереди, притягивает магнит 3, в то время как магнитное поле 6b, которое по отношению к направлению вращения реагирующего элемента 1 (то есть колесного обода) расположено сзади, отталкивает магнит 3, так что на этот магнит 3 действует сила в направлении, обозначенном стрелкой V2. Результатом этого является вращательное движение роторного элемента 2 в направлении, обозначенном стрелкой V3. Это вращательное движение усиливается благодаря тому, что соседние магниты имеют противоположные полярности, и на них тоже действуют силы отталкивания и притяжения, соответствующие направлению вращения.
На фиг. 6 иллюстрируется вариант осуществления генераторного устройства согласно предлагаемому изобретению, в котором использовано два роторных элемента 2 и 2.5, находящихся в магнитном взаимодействии. Два магнитных поля упомянутых роторных элементов 2 и 2.5 объединяются, так что расположенный между этими роторными элементами реагирующий элемент находится под действием усиленного магнитного поля, что позволяет сделать расстояние между этим реагирующим элементом (то есть колесным ободом) и каждым из роторных элементов 2 и 2.5 больше. В идеальном случае оси вращения обоих роторных элементов параллельны, и сами они имеют идентичную конструкцию, в частности у них один и тот же диаметр, одинаковые размеры магнитов, и количества этих магнитов у них тоже одинаковы. Электрический ток, который наводится в витках обмотки 7, используется для питания осветительного средства 10.
Как можно видеть на фиг. 7, два генераторных устройства расположены около реагирующего элемента 1 (то есть колесного обода) и обеспечивают электрическое питание лампочки 10 являющегося предметом предлагаемого изобретения велосипеда 11. Источник света расположен на скобе 15 на тормозном рычаге, а коробки 6, в каждой из которых заключены роторный элемент и обмотка, прикреплены к вилке 14.
На фиг. 8 представлен частичный вид оптимизированного роторного элемента. Несущая конструкция 2.1 этого роторного элемента имеет шестиугольную форму, и к каждой из ее шести наружных граней прикреплен магнит 3, которых, таким образом, всего шесть.
Упомянутые магниты 3, распределенные по периферии несущей конструкции 2.1, расположены отдельно друг от друга, так что их магнитные поля не накладываются друг на друга сколь-нибудь значительно. Магниты 3, расположенные на прямой, перпендикулярно пересекающей ось вращения, имеют одинаковую ориентацию своих магнитных полюсов (северный-южный), благодаря чему обеспечивается максимальная величина индуцируемого в обмотке электрического напряжения.
Минимальное расстояние между магнитами 3 и витками обмотки обычно составляет 0,5 мм. В обмотке с одной группой витков (см., например, фиг. 4), в которой 60 витков с диаметром медного провода 0,5 мм, общей длиной 6 м при скорости велосипеда 20 км/час генерируется электрический ток 0,4 А и напряжение 3 В. Это значит, что электрическая мощность составляет 1,2 Вт, сопровождающаяся мощностью торможения приблизительно 2 Вт. Мощность торможения почти пренебрежимо мала и существенно меньше, чем в известных устройствах. При этом предлагаемая система имеет намного более высокий энергетический выход. При использовании высокоэффективных светоизлучающих диодов мощность осветительной системы согласно предлагаемому изобретению обеспечивает световой поток более 140 люмен, что превышает минимальные требования правил дорожного движения Германии во много раз.
Напряженность магнитного поля, достаточная для получения светимости малогабаритного источника света, удовлетворяющей требованиям правил дорожного движения Германии, может быть обеспечена при использовании магнитов менее сильных, чем в описанном выше примере осуществления, то есть напряженность их магнитного поля может составлять величину в диапазоне от 860 кА/м до 950 кА/м. Когда сила сцепления составляет приблизительно 600 Г, а магниты имеют форму прямоугольного параллелепипеда с размерами 10 мм×10 мм×1 мм, при скорости велосипеда 20 км/час может быть достигнута величина электрического тока 0,1 А при напряжении 2 В, чего достаточно для излучения света, удовлетворяющего требованиям.
Для заднего огня требования еще ниже, и достаточно, например, магнитов с размерами 5 мм×4 мм×1 мм, которые обеспечивают силу сцепления 350 Г, а это в адекватной обмотке дает ток 0,5 А при напряжении 0,5 В. При этом положительный эффект может быть достигнут при тонкой обмотке (диаметром 0,2 мм или 0,3 мм), так как при увеличении внутреннего сопротивления обмотки может быть достигнуто более высокое напряжение.
Включение заднего или переднего света при торможении зависит, в частности, от передаточного отношения и проскальзывания в магнитно-вихретоковой передаче. Чем меньше роторный элемент, тем больше ускорение при изменении расстояния до колесного обода на определенную величину. Например, уменьшение упомянутого расстояния с 5 мм до 1 мм в случае, когда роторный элемент имеет радиус 4 мм, приводит к уменьшению эффективного радиуса роторного элемента с 9 мм до 5 мм, то есть длина эффективной окружности роторного элемента уменьшается с приблизительно 56 мм до приблизительно 31 мм. Это изменение расстояния сопровождается почти удвоением скорости вращения и увеличением генерируемого тока тоже приблизительно в два раза.
Однако для переднего фонаря при разумной величине радиуса роторного элемента, равной 15 мм, при уменьшении расстояния между роторным элементом и колесным ободом с 5 мм до 1 мм величина эффективного радиуса роторного элемента уменьшается с 20 мм до 16 мм. Таким образом, в этом случае относительное изменение при торможении явно меньше, меньше и разница в интенсивности свечения.
На фиг. 9 представлен общий вид предлагаемого генераторного устройства, на котором видна только коробка 6, внутри которой находится роторный элемент. Эта коробка 6 установлена на тормозной колодке 12, на которой закреплена также тормозная накладка 13. Как описано выше, такая осветительная система велосипеда согласно предлагаемому изобретению включается в работу при торможении.
На фиг. 10 иллюстрируется другой вариант технического решения, изображенного на фиг. 9, в котором части коробки 6 находятся в части тормозной колодки 12.