ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫЙ ТРЕХМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для выработки электрической энергии, питающей электронные устройства подвижного отказоустойчивого автономного объекта со свойством живучести для всех видов транспортных средств, подзарядки аккумуляторных батарей подвижного автономного объекта, а также может служить аварийным источником тока в походных условиях, в местах техногенных катастроф, в армейских частях.
Известен генератор [RU 2402142 C1, МПК H02K 35/02 (2006.01), опубл. 20.10.2010], содержащий корпус, на котором закреплена индукционная система, состоящая из подвижной и неподвижной частей. Подвижная часть выполнена в виде двухполюсных постоянных магнитов, закрепленных на упругих стержнях, а неподвижная часть состоит из катушек, размещенных по периметру корпуса.
Недостатками этого генератора являются низкая отказоустойчивость и сложность конструкции полусферических магнитов.
Известен магнитоэлектрический генератор [RU 78991 U1, H02K 35/02 (2006.01), опубл. 10.12.2008], принятый за прототип, содержащий корпус, в котором установлен вертикально перемещаемый на упругих подвесках каркас, в котором размещены две индукционные системы, воспринимающие внешние механические импульсы по осям X и Y соответственно. Каждая система состоит из качающейся на параллелограммных подвесках платформы с постоянными магнитами и неподвижной катушки индуктивности. Третья индукционная система, воспринимающая внешние механические импульсы по вертикальной оси Z, состоит из постоянных магнитов, закрепленных на каркасе, и катушки, неподвижно установленной внизу корпуса.
Недостатками генератора являются низкая отказоустойчивость, сложность конструкции и малая удельная мощность. Кроме того, генератор имеет ограниченное использование вследствие необходимости его ориентации по осям X и Y относительно земли и низкую ударную стойкость, недостаточную для применения на всех видах транспорта.
Задача полезной модели - повышение отказоустойчивости, удельной мощности, упрощение конструкции генератора.
Поставленная задача решена за счет того, что отказоустойчивый трехмерный электрический генератор подвижного объекта содержит корпус, внутри которого размещены три индукционные системы, соответственно воспринимающие внешние механические импульсы по ортогональным осям X, Y, Z. Каждая индукционная система снабжена подвижным постоянным магнитом и неподвижной катушкой индуктивности.
В отличие от прототипа каждая индукционная система закреплена внутри корпуса на одной из трех взаимно перпендикулярных стенках соответственно. Минусовой вывод первой индукционной системы соединен с плюсовым выводом второй индукционной системы, минусовой вывод которой подключен к плюсовому выводу третьей индукционной системы. Плюсовой вывод первой индукционной системы подключен к положительному полюсу генератора, а минусовой вывод третьей индукционной системы соединен с отрицательным полюсом генератора. Индукционные системы одинаковы и каждая содержит N генерирующих элементов, которые соединены или последовательно или параллельно. Каждый генерирующий элемент содержит n расположенных в ряд последовательно соединенных индуктивных катушек, намотанных на соосный канал. Внутри соосного канала установлен с возможностью челночного перемещения постоянный магнит. Внутри канала на его концах, за пределами индуктивных катушек, установлены ограничительные элементы, выполненные в виде магнитов, обращенных к постоянному магниту одноименными полюсами. Выход первой индуктивной катушки подключен к точке соединения катода первого диода и анода второго диода, а выход последней индуктивной катушки подключен к точке соединения катода третьего диода и анода четвертого диода. Точка соединения анодов первого и третьего диодов подключена к минусовому выводу индуктивной системы. Точка соединения катодов второго и четвертого диодов и подключена к плюсовому выводу индуктивной системы. Постоянный магнит и магниты ограничительных элементов выполнены из сплава неодим-железо-бор (Nd-Fe-B).
Так как обеспечение отказоустойчивости возможно только в избыточных технических системах, предложенный трехмерный электрический генератор подвижного объекта позволяет обеспечить избыточность за счет независимой выработки электроэнергии по трем взаимно перпендикулярным осям одновременно благодаря отсутствию ограничений по ориентации осей в рабочем положении - формируется горячий структурный резерв.
Соединение генерирующих элементов или последовательно или параллельно обеспечивает дополнительную избыточность генератора и ограниченную работоспособность при отказах типа «обрыв обмотки катушки» или «выход из строя диодов выпрямителя».
Использование нескольких генерирующих элементов в индукционной системе увеличивает мощность генератора и обеспечивает ее дополнительную избыточность, что повышает отказоустойчивость генератора на основе горячего структурного резерва.
Использование постоянных магнитов в качестве ограничительных элементов повышает отказоустойчивость механической части генератора при длительной и непрерывной эксплуатации по сравнению с прототипом, в котором для этого используют пружины, подвергающиеся усталостной деформации.
В результате, генератор, выполненный на основе предложенного технического решения, приобретает свойство живучести при внезапных отказах отдельных элементов с полным или частичным восстановлением работоспособности.
Использование магнитов, выполненных из сплава неодим-железо-бор (Nd-Fe-B), позволяет повысить удельную мощность генератора при минимальных габаритных размерах.
Расположение индукционных систем по трем взаимно перпендикулярным осям, позволяет при одинаковых функциональных возможностях упростить конструкцию устройства, по сравнению с прототипом, и обеспечить возможность работы при любой пространственной ориентации генератора. Кроме того, возможность изменения пространственной ориентации увеличивает энергоотдачу генератора.
На фиг. 1 показана схема генератора с последовательной схемой подключения генерирующих элементов.
На фиг. 2 показана функциональная схема генерирующего элемента.
На фиг. 3 показана индукционная система одной ортогональной оси с последовательной схемой подключения нескольких генерирующих элементов.
На фиг. 4 показана индукционная система одной ортогональной оси с последовательной схемой подключения нескольких генерирующих элементов.
Отказоустойчивый трехмерный электрический генератор подвижного объекта (фиг. 1) содержит три индукционные системы 1 (ИС1), 2 (ИС2), 3 (ИС3). Минусовой вывод индукционной системы 1 (ИС1) соединен с плюсовым выводом индукционной системы 2 (ИС2), минусовой вывод которой подключен к плюсовому выводу индукционной системы 3 (ИС3). Плюсовой вывод индукционной системы 1 (ИС1) подключен к положительному полюсу генератора 4. Минусовой вывод индукционной системы 3 (ИС3) соединен с отрицательным полюсом генератора 5.
Каждая индукционная система 1 (ИС1), 2 (ИС2) и 3 (ИС3) закреплена внутри корпуса 6 на одной из трех взаимно перпендикулярных стенках соответственно.
Индукционные системы 1 (ИС1), 2 (ИС2) и 3 (ИС3) одинаковы и каждая представляет собой генерирующий элемент 7 (ГЭ) (фиг. 2) с n расположенными в ряд последовательно соединенными индуктивными катушками 8, намотанными на соосный канал 9, внутри которого установлен с возможностью челночного перемещения постоянный магнит 10. Внутри канала 9 на его концах, за пределами катушек 8, установлены ограничительные элементы 11 и 12, выполненные в виде магнитов, обращенных к постоянному магниту 10 одноименными полюсами. Выход первой катушки 8 подключен к точке соединения катода диода 13 и анода диода 14. Выход последней катушки 8 подключен к точке соединения катода диода 15 и анода диода 16. Точка соединения анодов диодов 13 и 15 подключена к минусовому выводу индуктивной системы 17. Точка соединения катодов диодов 14 и 16 подключена к плюсовому выводу индуктивной системы 18.
Каждая индукционная система 1 (ИС1), 2 (ИС2) и 3 (ИС3) содержит N генерирующих элементов 7 (ГЭ), которые соединены или последовательно (фиг. 3), или параллельно (фиг. 4).
Подвижные постоянные магниты 10 и магниты ограничительных элементов 11 и 12 выполнены на основе редкоземельных магнитов, состоящих из сплава неодима, бора и железа (Nd-Fe-B).
Во время движения объекта, на котором установлен предложенный генератор, механические импульсы, воздействуют на его корпус 6 вдоль каждой из трех координатных осей X Y Z, и вызывают колебания соответствующей индукционной системы 1 (ИС1), 2 (ИС2) и 3 (ИС3) (фиг. 1, 2). В результате генерируется переменная ЭДС в катушках 8 вследствие челночного перемещения постоянного магнита 10 между ограничительными элементами 11 и 12 на концах канала 9. Выходное переменное напряжение катушек 8 поступает в выпрямитель, образованный диодами 13, 14, 15 и 16. Выпрямленное напряжение поступает на положительный 18 и отрицательный 17 полюса генерирующего элемента 7 (ГЭ).
В случае выполнения индукционной системы 1 (ИС1), 2 (ИС2) и 3 (ИС3), из нескольких генерирующих элементов, суммируется выходное напряжение при последовательном соединении генерирующих элементов (фиг.3) или суммируется выходной ток при параллельном соединении генерирующих элементов (фиг. 4) для каждой индукционной системы 1 (ИС1), 2 (ИС2) и 3 (ИС3).
Вырабатываемую индукционными системами 1 (ИС1), 2 (ИС2) и 3 (ИС3) ЭДС можно использовать для питания электронных устройства подвижного отказоустойчивого автономного объекта со свойством живучести, подзарядки аккумуляторных батарей.