СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВО ВРЕМЯ ДВИЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ И АВТОНОМНЫЙ ВИБРАЦИОННЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ АВТОМАТИКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
METHOD OF ELECTRIC ENERGY GENERATION DURING MOTION OF RAILWAY VEHICLES AND INDEPENDENT VIBRATION SOURCE OF POWER SUPPLY OF AUTOMATION EQUIPMENT OF RAILWAY TRANSPORT

Изобретения относятся к области железнодорожного транспорта, а именно к средствам получения электрической энергии во время движения железнодорожных составов, используемой для обеспечения электропитанием, например, элементов автоматики железнодорожного транспорта или автоматической аппаратуры диагностики состояния элементов подвески железнодорожных объектов в процессе их движения.
Современное движение рельсовых подвижных составов не может обходиться без управляющих устройств - элементов автоматики, для обеспечения работы которых требуется электрическая энергия.
Подача электроэнергии к элементам автоматики от стационарных электростанций связана с необходимостью использования дополнительных проводов, кабелей, протяженность которых может в несколько раз превышать длину железных дорог, что приводит к значительным потерям электроэнергии и требует значительных дополнительных материальных затрат. А главное требует текущего обслуживания источников энергии.
Известны другие средства электропитания элементов автоматики, например, такие как сухие батареи, аккумуляторные батареи, солнечные батареи, недостатки которых связаны прежде всего с необходимостью их обслуживания, как постоянного, так и периодического, что приводит к неудобствам при эксплуатации и также требует значительных дополнительных материальных затрат.
Известны также средства получения электрической энергии при колебании рельсов во время движения по рельсам железнодорожных составов, например, из патента RU 2095265 C1. Для этого на путях между шпалами и между рельсами располагают пьезоэлектрический преобразователь механического давления в разность электрических потенциалов /ППМД РЭП/. При прохождении подвижных составов давление их колес передают через рельсы на ППМД РЭП, в результате чего и получают разность электрических потенциалов. Для передачи давления от рельсов на ППМД РЭП используют рычажно-консольную систему. При этом плечо рычага используют в качестве опоры. Давление на ППМД РЭП регулируют изменением упругости опоры и длиной плеча рычагов. Направление давления на ППМД РЭП одного из рельсов меняют на обратное. Это известное средство позволяет преобразовывать в электрическую энергию изменение давления на рельсы при прохождении подвижных составов, а его основной недостаток заключается в том, что в качестве генератора разности электрических потенциалов используется пьезоэлектрический эффект, энергия, выделяемая которым, незначительна, поэтому КПД преобразования этого известного средства чрезвычайно низок.
Известно средство получения электрической энергии при колебании рельсов во время движения железнодорожных составов (патент RU 2444458 C1). В этом известном средстве для получения электрической энергии формируют замкнутую магнитную цепь, состоящую из двух участков, первым из которых является часть рельса, совершающего вертикальные колебания при прохождении колес подвижного состава, вторую часть располагают неподвижно. Между первой и второй частями магнитной цепи выполняют зазоры, изменяющиеся при давлении на рельс. Изменение магнитного поля в указанной замкнутой магнитной цепи используют для генерирования электромагнитной индукции. В качестве первого участка магнитной цепи используют нижнюю часть головки рельса, а в качестве второго участка П-образный магнитопровод. Первый и второй участки магнитной цепи разделены двумя зазорами, расположенными между поверхностью головки рельса и ветвями П-образного магнитопровода. Магнитопровод имеет вставку из постоянного магнита и содержит электрическую обмотку. Ветви П-образного магнитопровода изогнуты в сторону рельса под некоторым углом так, чтобы поверхности зазоров, образованных между ветвями и поверхностью головки рельса, были параллельны друг другу. Это известное средство обеспечивает прямое преобразование колебательного движения рельсов при движении железнодорожных составов в электрическую энергию, имеет высокий КПД преобразования, не требует постоянного обслуживания, однако имеет и недостатки, которые связаны с тем, что оно не надежно из-за конструктивных особенностей устройства, реализующего способ получения электроэнергии, описанный в патенте RU 2444458 C1, т.к. для обеспечения его работы необходимо соблюдать и поддерживать необходимую величину и параллельность воздушного зазора, что проблематично вследствие не всегда и трудно контролируемой величины колебания рельса, и из-за возможной его деформации в ту или иную сторону, и из-за прохождения по рельсу различных по весу железнодорожных объектов и т.д.
Известен способ получения электрической энергии за счет изменения интенсивности (величины) магнитного потока в цепи постоянного магнита путем изменения величины воздушного зазора, входящего составной частью в эту цепь, при попадании в этот зазор реборды колеса проходящего состава (патент RU 2575557 C1), который используется в качестве прототипа. При попадании реборды одного из колес проходящего состава в область воздушного зазора в цепи постоянного магнита сопротивление магнитному потоку в этой цепи резко уменьшается, приводя к увеличению величины магнитного потока. Это используется для генерирования электрического сигнала, который после детектирования и соответствующей обработки может использоваться в качестве источника питания любой аппаратуры.
Недостатком прототипа является относительно низкий КПД преобразователя, обусловленный необходимостью иметь величину воздушного зазора значительно больше толщины реборды колеса. Это вызвано необходимостью обеспечения безопасности движения в месте установки источника питания, поскольку величина воздушного зазора относительно стандартной первоначально установленной может уменьшаться за счет ряда факторов: изменением ширины колесной пары за счет упругого изгиба ее оси, упругие изменения ширины колеи под подвижным составом, возможным запасом по толщине реборды колеса и рядом других факторов.
В связи с этим величину воздушного зазора, исходя из наихудшего варианта одновременного совпадения этих факторов, необходимо выбирать равной не менее 76 мм, при том, что толщина реборды в месте перекрытия воздушного зазора составляет величину порядка 30 мм. В результате при попадании реборды колеса в воздушный зазор цепи постоянного магнита часть воздушного зазора уменьшается на величину, равную толщине реборды (часть воздушного зазора заменяется материалом реборды), но остается остаток воздушного зазора, равный примерно 46 мм. Наличие остаточного достаточно большого по величине воздушного зазора приводит к сильному снижению интенсивности поля постоянного магнита, а следовательно, к снижению КПД преобразователя.
Изобретение направлено на повышение эффективности получения электроэнергии при движении по рельсам объектов железнодорожного транспорта (повышение КПД преобразователя).
Предлагаемый способ получения электрической энергии основан на использовании вибраций, создаваемых в разных частях железнодорожного пути и в окружающем воздухе проходящим составом, приводящих к перемещению катушки с электрической обмоткой в магнитном поле постоянного магнита, за счет чего в обмотке наводится электрическое напряжение (возникает электрическая энергия).
Железнодорожный состав представляет собой упругую систему, так как его составные элементы (вагоны и локомотивы) находятся на мягком основании (системе пружин), поэтому он при движении вибрирует и эти вибрации передаются элементам железнодорожного пути. Кроме того, и сам железнодорожный путь представляет собой упругую систему и при прохождении состава сам по себе вибрирует, в частности, за счет прогиба рельсов под действием веса железнодорожных объектов, проседания шпал и проседания тела самого железнодорожного пути. В результате взаимодействия двух связанных упругих вибрирующих систем возникают результирующие вибрации разных частей железнодорожного пути и, в том числе, и окружающего воздуха. Любой вид этих вибраций (или их совокупность), возникающих при прохождении состава, может быть использован для перемещения катушки с электрической обмоткой в магнитном поле постоянного магнита для наведения в обмотке электрического напряжения (для получения электрической энергии).
Для этого достаточно поместить в область действия этих вибраций устройство, состоящее из постоянного магнита и катушки с электрической обмоткой, расположенной в мягком сочленении относительно этого магнита (имеющих возможность перемещаться в пространстве одно относительно другого). Например, можно использовать для этой цели обычный электрический динамик, который применяется обычно для воспроизведения звука. Поместив такой динамик, например, мощностью 6 Ватт на любом элементе железнодорожного пути (например, на насыпи сбоку от рельса), можно снять со звуковой обмотки динамика электрическую энергию при прохождении состава по величине примерно на порядок больше по сравнению с величиной энергии, снимаемой у прототипа.
Повышенная эффективность такого устройства объясняется тем, что зазор между электрической обмоткой катушки и постоянным магнитом (воздушный зазор) в динамике в десятки раз меньше по величине (составляет мм или доли мм), чем остаточный воздушный зазор у прототипа (составляет не менее 46 мм), что обеспечивает значительно большую интенсивность магнитного потока, проходящего через электрическую обмотку во время ее перемещения, вызванного вибрациями, а следовательно, и значительно большую величину снимаемой электрической энергии.
Для повышения эффективности использования вибраций звуковую катушку динамика желательно несколько поднагрузить (прикрепить небольшой грузик к диффузору динамика).
Электрический динамик, назовем его вибрационным преобразователем, можно поместить в герметичный, например, металлический корпус и такой преобразователь практически не будет требовать какого-либо текущего обслуживания («малообслуживаемое устройство»).
Использование в вибрационном преобразователе диффузора из морозоустойчивого материала обеспечит возможность работы преобразователя в любых условиях внешней среды: дождь, снег, любая температура, агрессивность среды, запыленность среды и т.д.
Такой преобразователь может быть расположен либо непосредственно на насыпи железнодорожного пути, например, прикрепленным сбоку к торцу шпалы, либо сбоку железнодорожного пути на некотором расстоянии, прикрепленным к металлическому столбику, либо в самом теле пути, либо непосредственно прикрепленным к рельсу (например, к подошве рельса).
Для повышения КПД преобразователя можно использовать заводские электрические динамики, применяемые для воспроизведения звука, путем увеличения их числа в одном преобразователе (при этом необходимо использовать диффузоры из морозоустойчивых материалов). При этом динамики могут располагаться как в один ряд, так и в несколько рядов: один над другим или один за другим и т.д.
Наиболее эффективным способом использования вибрационного преобразователя представляется вариант разработки и изготовления нового « электрического динамика » специальной конструкции, например, с металлическим диффузором (по типу сильфона), либо диффузором другой конструкции. При этом можно разработать конструкцию вибрационного преобразователя, имеющего несколько магнитов и соответствующее число электрических обмоток или имеющего электрические обмотки с повышенным числом витков.
Изобретения поясняются с помощью графических материалов, где на Фиг. 1 схематично показан вибрационный преобразователь на базе использования обычного электрического динамика, применяемого для воспроизводства звука, в разрезе. При этом звуковая катушка 5 с электрической обмоткой 1 помещена в магнитное поле постоянного магнита 2 (показан в разрезе) и прикреплена к «мягкому» диффузору 3, который крепится к корпусу 4 (показан в разрезе), и имеется воздушный зазор 6 (показан в разрезе). Для повышения эффективности работы преобразователя диффузор поднагружен небольшим грузом 7 (показан в разрезе).
При прохождении железнодорожного состава возникают вибрации всех частей железнодорожного пути и окружающего воздуха, что приводит к возникновению вибраций и самого преобразователя. При этом за счет различной величины массы отдельных частей преобразователя, в частности катушки с электрической обмоткой и постоянного магнита, каждая его часть будет вибрировать (перемещаться) с различной частотой (с разными периодами), что приведет к возникновению взаимных перемещений одних частей преобразователя относительно других.
При возникновении перемещений либо катушки 5 (вместе с грузом 7) относительно магнита 2, либо магнита 2 относительно катушки 5 (вместе с грузом 7) электрическая обмотка 1 пересекает магнитное поле постоянного магнита 2 и в ней наводится электрическое напряжение, которое снимается с катушки при помощи обычных мягких проводов по типу конструкции обычного электрического динамика (на схеме не показаны).
Далее получаемое электрическое напряжение выпрямляется двухполупериодным выпрямителем (на схеме не показан) и поступает в накопитель электрической энергии, например, в виде постоянного конденсатора большой емкости (на схеме не показан) либо накопитель электрической энергии любого другого типа.
На Фиг. 2 схематично показан вариант передачи вибраций на корпус вибрационного преобразователя через стержень, прикрепленный к подошве рельса, который приводится в движение вибрационными перемещениями подошвы рельса.
На Фиг. 3 схематично показан вариант соединения корпуса вибрационного преобразователя со стержнем, который дополнительно приводится в движение нажатием ребордами колес проходящего состава. Для предотвращения перемещения стержня в направлении вдоль рельса он должен быть оснащен системой направляющих устройств (на схеме не показаны). Для повышения эффективности работы преобразователя при таком варианте его работы с противоположной стороны катушки с электрической обмоткой можно установить пружинку 7 для более четкого возвращения катушки с обмоткой в первоначальное положение (как схематично показано на Фиг. 4).
На Фиг. 4 и Фиг. 5 схематично показаны варианты некоторых вибрационных преобразователей специальной конструкции, имеющих несколько электрических обмоток 1 и 2 и несколько постоянных магнитов 3 и 4, обеспечивающих увеличение количества снимаемого электричества с одного преобразователя, помещенных в корпус 6 и соединенных с ним при помощи мягкой мембраны 5.
На Фиг. 6 показан вариант расположения вибрационного преобразователя рядом с ж. д. путем, прикрепленным к торцу шпалы.
На Фиг. 7 показан вариант расположения вибрационного преобразователя на некотором расстоянии от железнодорожного пути на столбике (например, металлическом), использующий вибрации воздуха, возникающие от проходящего состава.
Предлагаемый способ получения электрической энергии основан на использовании вибраций, создаваемых в элементах железнодорожного пути и окружающем воздухе проходящим составом, приводящих к перемещению катушки с электрической обмоткой в поле постоянного магнита.
Для этого под рельсом или рядом с рельсом помещается устройство, включающее в себя постоянный магнит и катушку с электрической обмоткой, помещенную внутри постоянного магнита.
При проезде железнодорожного состава возникают вибрации, которые приводят к пространственному перемещению катушки с электрической обмоткой относительно постоянного магнита. При этом электрическая обмотка катушки пересекает поле постоянного магнита, в результате чего в обмотке возникает (наводится) электрическое напряжение, которое после детектирования поступает в накопитель электрической энергии.
Электрические сигналы, возникающие на выходе нескольких отдельных преобразователей, детектируются при помощи двухполупериодных выпрямителей и поступают на общий накопитель энергии.
Конструкция источника электропитания элементов автоматики железнодорожного транспорта, которая описана в заявке, проста и надежна, не требует постоянного обслуживания и может работать при любых условиях внешней среды.
Для увеличения получаемой мощности можно установить вдоль железнодорожного пути несколько автономных вибрационных источников электропитания, выходы которых запараллелить, а получаемую с них электроэнергию направлять в общий накопитель энергии. Описанная в заявке конструкция автономных источников электропитания позволяет устанавливать их как на один рельс, так и на оба рельса.
Проведенные натурные испытания подтвердили надежную и эффективную работу предлагаемых способа и устройства.