Линейный генератор

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам, преобразующим механическую энергию возвратно-поступательного движения в электрическую.
Известно техническое решение, содержащие цилиндрический корпус, два магнитных сердечника цилиндрической формы с осевой намагниченностью, размещенных внутри цилиндрического корпуса и обращенных друг к другу одноименными полюсами, две цилиндрические катушки с осевыми обмотками, размещенные на цилиндрическом корпусе над соответствующими магнитными сердечниками [RU 83373, Н02К 35/02, 27.01.2011].
Недостатком устройства является недостаточная эффективность преобразования механической энергии в электрический ток.
Известен также линейный электрический генератор [RU 101881, Н02К 35/02, 27.01.2011], содержащий цилиндрический корпус, два магнитных сердечника цилиндрической формы с осевой намагниченностью, размещенных внутри цилиндрического корпуса и обращенных друг к другу одноименными полюсами, две цилиндрические катушки с осевыми обмотками, размещенные на цилиндрическом корпусе над соответствующими магнитными сердечниками.
Недостатком этого технического решения также является недостаточная эффективность преобразования механической энергии в электрический ток.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является линейный электрический генератор [RU 2654079, С2, Н02К 35/02, 16.05.2018], содержащий цилиндрический корпус, два магнитных сердечника цилиндрической формы с осевой намагниченностью, размещенных внутри цилиндрического корпуса и обращенных друг к другу одноименными полюсами, две цилиндрические катушки с осевыми обмотками, размещенные на цилиндрическом корпусе над соответствующими магнитными сердечниками, и цилиндрическую катушку с радиальной обмоткой, расположенной на цилиндрическом корпусе между цилиндрическими катушками с осевыми обмотками.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая эффективность преобразования механической энергии в электрический ток, определяющая КПД генератора.
Поставленная задача заключается в создании генератора, обеспечивающего повышенную эффективность преобразования механической энергии в электрическую.
Технический результат заключается в повышении эффективности преобразования механической энергии в электрическую.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в линейный генератор, содержащий два магнитопровода, обращенных друг к другу, первую пару рабочих катушек и первую пару постоянных магнитов, выполненную с возможностью горизонтального крепления на приводе линейного генератора, согласно полезной модели, введена вторая пара постоянных магнитов, выполненная с возможностью горизонтального крепления на приводе линейного генератора, и вторая пара рабочих катушек, причем магнитопроводы выполнены П-образными в плане и обращены друг к другу вертикальными элементами, в зазоре между одноименными вертикальными элементами магнитопроводов размещены соответствующие пары постоянных магнитов на расстоянии между парами, соответствующему расстоянию между парами вертикальных элементов магнитопроводов, при этом, постоянные магниты в каждой паре выполнены с противоположной полярностью и установлены с регулируемым зазором, а рабочие катушки, выполненные в виде обмоток вертикальных элементов магнитопроводов, соединены в единую электрическую цепь, выход которой является выходом линейного генератора.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, рабочие катушки соединены в единую электрическую цепь с их последовательным соединением.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, рабочие катушки соединены в единую электрическую цепь с их параллельным соединением.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, рабочие катушки соединены в единую электрическую цепь с их параллельно-последовательным соединением.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, зазор между постоянными магнитами и концами вертикальных элементов магнитопроводов составляет а=0,25-0,5 мм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, зазор между постоянными магнитами в парах составляет b=10-15% от их ширины.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, вертикальные элементы магнитопроводов в сечении выполнены прямоугольными, а постоянные магниты выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов с сечением, соответствующим сечению вертикальных элементов магнитопроводов.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, сечения вертикальных элементов магнитопроводов и постоянных магнитов выполнены равными по ширине и длине.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что высота постоянных магнитов равна h=0,1L мм, где L=(H+D/2 - с) - длина средней линии магнитопровода.
Высота магнитов зависит также от магнитной проницаемости магнитопровода и начальной индукции магнитов.
На чертеже представлен линейный электрический генератор совместно с приводом линейного генератора.
На чертеже обозначены:
1 - магнитопровод;
2 - рабочие обмотки;
3 - привод линейного генератора;
4 - две пары постоянных магнитов.
Линейный генератор содержит два магнитопровода 1, обращенных друг к другу, первую и вторую пару рабочих катушек 2 и первую и вторую пару постоянных магнитов 4, выполненную с возможностью горизонтального крепления на приводе 3 линейного генератора.
В линейном генераторе магнитопроводы 1 выполнены П-образными в плане и обращены друг к другу вертикальными элементами, а в зазоре между одноименными вертикальными элементами магнитопроводов размещены соответствующие пары постоянных магнитов 4 на расстоянии между парами, соответствующему расстоянию между парами вертикальных элементов магнитопроводов.
Кроме того, в линейном генераторе постоянные магниты 4 в каждой паре выполнены с противоположной полярностью и установлены с регулируемым зазором, а рабочие катушки 2, выполненные в виде обмоток вертикальных элементов магнитопроводов, соединены в единую электрическую цепь, выход которой является выходом линейного генератора.
Соединение рабочих катушек 2 может быть последовательным, параллельным или параллельно-последовательным.
Зазор между постоянными магнитами 4 и концами вертикальных элементов магнитопроводов составляет а=0,25-0,5 мм. При меньших значениях зазора может происходить их механическое разрушающее взаимодействие, при больших значениях - существенно снижается уровень выходного сигнала линейного генератора.
Зазор между постоянными магнитами в парах составляет b=10-15% от их ширины и в частном случае b=2 мм.
Вертикальные элементы магнитопроводов 1 в сечении выполнены прямоугольными, а постоянные магниты 4 выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов с сечением, соответствующим сечению вертикальных элементов магнитопроводов. Наиболее эффективен вариант исполнения линейного генератора, когда сечения вертикальных элементов магнитопроводов 1 и постоянных магнитов 4 выполнены равными по ширине и длине.
Высота постоянных магнитов в частном случае равна h=6 мм.
Работает линейный генератор следующим образом.
Постоянные магниты 4 закреплены на приводе 3 линейного генератора из немагнитного материала, которое соединено, например, с двухтактным двигателем внутреннего сгорания. Привод 3 линейного генератора скользит по направляющим опорам таким образом, чтобы обеспечивалась небольшая величина зазора в пределах а=0,25-0,5 мм между постоянными магнитами 4 и магнитопроводом 1. Магнитопровод 1 выполняется таким образом, чтобы уменьшить потери на его нагрев, например из соединенных вместе тонких полос трансформаторного железа.
Конструкция опор выбирается таким образом, чтобы оказывать наименьшее сопротивление перемещению привода 3.
Постоянные магниты 4 в каждой паре выполнены с противоположной полярностью и установлены с регулируемым зазором, а рабочие катушки, выполненные в виде обмоток вертикальных элементов магнитопроводов 1, соединены в единую электрическую цепь, выход которой является выходом линейного генератора.
Между постоянными магнитами 4 в парах имеется промежуток Ь, подбором которого достигается желательная форма выходного тока или напряжения ~U с рабочих обмоток 2, например, форма, близкая к синусоиде.
Поскольку изменения выходных напряжений происходят синфазно, то рабочие обмотки 2 могут быть включены параллельно, параллельно-последовательно или последовательно. Переменное выходное напряжение может быть подано на выпрямитель для получения постоянного напряжения.
Для нормальной работы линейного генератора необходимо, чтобы ширина постоянных магнитов 4 равнялась толщине магнитопровода 1, а длина - ширине магнитопровода 1.
макс
макс,
макс
При возвратно - поступательном движении привода 3 на расстояние, равное половине величины «с» от среднего положения, происходит изменение индукции в магнитопроводе 1 от 0 до некоторой величины В или (- В) Величина В определяется толщиной постоянных магнитов 4, магнитной проницаемостью материала магнитопровода и начальной индукцией магнитов.
При возвратно-поступательном движении привода 3 (±с/2) в магнитопроводе 1 возникает переменный магнитный поток, амплитудное значение которого определяется как произведение индукции В на площадь сечения магнитопровода S=dxc. Напряжение ~U на выходе рабочей катушки 2 пропорционально скорости изменения магнитного потока, которая зависит от частоты возвратно-поступательных движений привода 3.
Повышение эффективности преобразования механической энергии в электрическую обеспечивается тем, что при увеличении пар постоянных магнитов до двух и их размещении между вертикальными элементами магнитопроводов при их П-образном выполнении. Указанное расположение магнитов обеспечивает минимальное рассеивание их магнитного поля, а соединение рабочих обмоток в единую цепь обеспечивает максимальный съем энергии.
Кроме того, поскольку постоянные магниты 4 в каждой паре выполнены с противоположной полярностью и установлены с регулируемым зазором, то, помимо увеличения эффективности преобразования, одновременно обеспечивается эффект повышенной максимальной частоты вырабатываемого электрического тока и возможность регулировки его формы.
При этом небольшая толщина постоянных магнитов обеспечивает небольшую массу подвижной системы в составе привода и постоянных магнитов. Это также приводит к увеличению эффективности преобразования. Амплитуда смещения подвижной системы имеет небольшое значение - для 100 Вт мощности генератора - около 10 мм и для 30 кВт мощности - 20 мм.