ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
ELECTROMAGNETIC ENERGY CONVERTER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электромагнитному преобразователю энергии и/или электромагнитному микрогенератору. В частности, настоящее изобретение относится к электромагнитному преобразователю, предназначенному для реализации в автономном переключателе.
Уровень техники
Электромагнитный преобразователь энергии и/или электромагнитный микрогенератор (в дальнейшем называемый "устройством"), известный из уровня техники, содержит:
- ферромагнитное ярмо;
- проводящую катушку, образованную путем намотки провода вокруг участка ферромагнитного ярма;
- основной магнит, смещенный от катушки, вместе с ярмом образующий замкнутый магнитный контур.
В соответствии с этой конфигурацией магнитный поток, создаваемый основным магнитом, направляется через проводящую катушку с помощью ферромагнитного ярма.
Общий принцип работы устройства основан на активации изменения во времени магнитного потока, проходящего через проводящую катушку, чтобы индуцировать электрическое напряжение на ее клеммах.
В этой связи, устройство также оснащено механической системой активации, которая позволяет активировать изменение во времени магнитного потока. В частности, изменение во времени магнитного потока может быть вызвано смещением основного магнита или проводящей катушки, как описано в документах [1] и [2], приведенных в конце описания.
Однако устройства, описанные в документах [1] и [2], не являются удовлетворительными.
Действительно, магнитный поток, проходящий через проводящую катушку, ограничен магнитными потерями (другими словами, часть магнитного потока, создаваемого магнитом, не проходит через катушку) и магнитным насыщением ферромагнитного ярма, что ограничивает изменение магнитного потока, пригодного для генерации электрического напряжения на клеммах проводящей катушки.
Кроме того, механическая система активации требует использования модуля высвобождения и/или сохранения энергии, такого как листовые пружины или храповики, допускающие быстрое перемещение проводящей катушки или основного магнита, чтобы можно было получить существенное напряжение на клеммах проводящей катушки. В этой связи, напомним, что в соответствии с законом Ленца напряжение на клеммах проводящей катушки пропорционально производной по времени магнитного потока, проходящего через упомянутую катушку.
3
Например, для создания напряжения на клеммах проводящей катушки порядка одного Вольта устройству объемом порядка 1 см требуется перемещение, продолжительностью порядка одной миллисекунды. В частности, это случай электромагнитных преобразователей энергии, реализованных в автономных переключателях.
Однако модуль высвобождения и/или сохранения энергии обычно для каждом применении вступает в контакт (удары, трение) с магнитным контуром, тем самым, создавая проблемы, связанные с надежностью и износом.
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить электромагнитный преобразователь энергии и/или компактный электромагнитный микрогенератор, способный давать существенное электрическое напряжение на клеммах проводящей катушки.
Другая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить электромагнитный преобразователь энергии и/или электромагнитный микрогенератор, при управлении запуском которого не требуется входить в контакт, например, в механический контакт с магнитным контуром.
Другая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить электромагнитный преобразователь энергии, который было бы проще реализовать.
Сущность изобретения
Изложенные выше цели по меньшей мере частично достигаются посредством электромагнитного устройства, содержащего:
- проводящую катушку, содержащую первый и второй концы и проходящую вдоль главной оси XX',
- основной магнит, удерживаемый с помощью удерживающего средства во внутреннем объеме V, образованном проводящей катушкой, при этом удерживающее средство допускает вращательное движение упомянутого основного магнита вокруг оси YY', перпендикулярной главной оси XX', между двумя положениями устойчивого равновесия, называемыми соответственно первым положением равновесия и вторым положением равновесия,
- первый и второй приводные магниты, расположенные так, что они обращены соответственно к первому концу и второму концу, при этом магнитная полярность каждого из них лежит в плоскости, перпендикулярной оси YY', причем первый и второй приводные магниты выполнены такими, чтобы они приходили в поступательное движение одновременно одинаково и параллельно главной оси XX', как только на первый или второй магнит оказано усилие, причем поступательное перемещение первого и второго магнитов по их траектории, определенное направлением главной оси XX', приспособлено для того, чтобы заставить основной магнит принять соответственно первое положение равновесия или второе положение равновесия.
Выражение "приведены в поступательное перемещение" также означает "сдвигаются".
Выражение "поступательное движение" также означает "скольжение".
В соответствии с одним реализованным вариантом осуществления магнитная полярность первого магнита образует с главной осью XX' угол альфа, а магнитная полярность второго магнита образует с главной осью XX' либо угол –альфа, либо 180° +альфа, либо 180° –альфа.
В соответствии с одним реализованным вариантом осуществления устройство содержит возвратное средство, воздействующее на первый магнит или второй магнит так, чтобы заставить основной магнит занять одно из двух положений устойчивого равновесия, если на первый магнит и на второй магнит не воздействуют никакие внешние усилия, причем возвратное средство предпочтительно содержит пружину.
В соответствии с одним реализованным вариантом осуществления сдвиг первого магнита или второго магнита в сторону основного магнита ограничен, соответственно, первым и вторым ограничителями, причем первый и второй ограничители предназначены для того, чтобы не допустить контакта между основным магнитом и соответственно первым и вторым магнитами.
В соответствии с одним реализованным вариантом осуществления первый магнит, второй магнит и основной магнит выровнены вдоль главной оси XX'.
В соответствии с одним реализованным вариантам осуществления основной магнит симметричен по вращению относительно оси XX'.
В соответствии с одним реализованным вариантом осуществления устройство также содержит первое ферромагнитное ярмо и второе ферромагнитное ярмо, расположенные симметрично друг к другу относительно плоскости, содержащей ось YY' и главную ось XX'.
В соответствии с одним реализованным вариантом осуществления первое ярмо и второе ярмо содержат два конца, образующих полость, внутри которой удерживается основной магнит, причем полость имеет форму, соответствующую форме основного магнита.
В соответствии с одним реализованным вариантом осуществления первый магнит и второй магнит расположены в направляющей.
В соответствии с одним реализованным вариантом осуществления между первым и вторым ярмом предусмотрено расстояние, причем упомянутое расстояние предназначено для того, чтобы направлять первый и второй магниты во время их сдвига.
В соответствии с одним реализованным вариантом осуществления устройство содержит два стабилизирующих магнита, называемых соответственно третьим магнитом и четвертым магнитом, которые являются неподвижными и предназначены для стабилизации основного магнита в одном из двух положений устойчивого равновесия, когда устройство бездействует, при этом стабилизирующие магниты расположены так, что полюса стабилизирующего магнита, стабилизирующего основной магнит в любом из двух положений равновесия, выровнены с полюсами основного магнита.
В соответствии с одним реализованным вариантом осуществления третий и четвертый магниты расположены так, что они обращены соответственно к первому и второму концам, и каждый стабилизирующий магнит смещен в своем направлении от главной оси XX', при этом основной магнит также установлен на несущей детали, содержащей направляющую, а направляющая устроена так, чтобы вращательное движение основного магнита вокруг оси YY' между двумя положениями равновесия сопровождалось поступательным перемещением, допускающим выравнивание полюсов основного магнита с третьим магнитом и четвертым магнитом, если упомянутый основной магнит находится соответственно в первом положении равновесия или во втором положении равновесия.
В соответствии с одним реализованным вариантом осуществления магнитная полярность третьего и четвертого магнитов параллельна главной оси XX' и противоположна друг другу.
В соответствии с одним реализованным вариантом осуществления третий и четвертый магниты противоположны соответственно второму магниту и первому магниту.
В соответствии с одним реализованным вариантом осуществления основной магнит также содержит клин, расположенный на его полюсах и предназначенный для того, чтобы он располагался между основным магнитом и третьим или четвертым магнитами, если основной магнит находится соответственно в первом положении равновесия или во втором положении равновесия.
В соответствии с одним реализованным вариантом осуществления устройство также содержит ферромагнитное ярмо, которое между двумя концами ярма содержит клин основного магнита и третий или четвертый магнит, если основной магнит находится соответственно в первом положении равновесия или во втором положении равновесия.
В соответствии с одним реализованным вариантом осуществления устройство представляет собой либо электромагнитный преобразователь энергии, либо электромагнитный микрогенератор.
Изобретение также относится к переключателю, содержащему электромагнитное устройство в соответствии с изобретением.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики и преимущества станут очевидными из последующего описания электромагнитного устройства в соответствии с изобретением, приведенного в виде неограничивающих примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 приведено схематичное представление вдоль плоскости сечения, содержащей главную ось XX' и перпендикулярной оси YY', электромагнитного устройства в соответствии с первой модификацией первого варианта осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2а и 2b приведены схематичные представления вдоль секущей плоскости, содержащей главную ось XX' и перпендикулярной оси YY', электромагнитного устройства в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, при этом на фиг. 2а основной магнит находится в первом положении равновесия, а на фиг. 2b основной магнит находится во втором положении равновесия;
на фиг. 3а и 3b приведены схематичные представления вдоль плоскости сечения, содержащей главную ось XX' и перпендикулярной оси YY', электромагнитного устройства в соответствии с двумя другими модификациями первого варианта осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание отдельных вариантов осуществления изобретения
Изобретение, подробно описанное ниже, реализует электромагнитный преобразователь энергии и/или электромагнитный микрогенератор 10 (в дальнейшем называемый "электромагнитным устройством"), содержащий проводящую катушку 20, вмещающую в своем внутреннем объеме V основной магнит 30. В частности, основной магнит 30 способен совершать вращательное движение под действием приводных магнитов, чтобы генерировать изменения во времени магнитного потока в проводящей катушке 20 и, тем самым, создавать электрическое напряжение на клеммах упомянутой катушки.
В описании будем считать, что выравнивание полюсов двух магнитов означает, что магнитные поляризации этих двух магнитов выровнены вдоль одной и той же оси одинаковым образом. В частности, если полюсы двух магнитов выровнены, то между этими двумя магнитами возникает сила магнитного притяжения.
В общем, электромагнитное устройство 10, как показано на фиг. 1 и 2а-2b, содержит проводящую катушку 20, которая проходит вдоль главной оси XX' и содержит два конца, называемые соответственно первым концом 21 и вторым концом 22.
Под главной осью XX' понимают ось симметрии проводящей катушки 20.
Проводящая катушка 20 образована путем намотки провода, например медного провода, вдоль главной оси XX'. Проводящая катушка 20 также содержит внутренний объем V, открытый с обоих концов помянутой катушки. Очевидно, без необходимости уточнения, что медный провод содержит два конца, которые в оставшейся части настоящего описания называют клеммами проводящей катушки 20.
Электромагнитное устройство 10 также содержит основной магнит 30, расположенный во внутреннем объеме V проводящей катушки 20.
В частности, основной магнит 30 удерживают с помощью удерживающего средства 40 (см. фиг. 2а и 2b, 3а и 3b) во внутреннем объеме V катушки.
Удерживающее средство 40 позволяет основному магниту 30 поворачиваться вдоль оси YY', перпендикулярной главной оси XX', между двумя положениями устойчивого равновесия, называемыми соответственно первым положением равновесия и вторым положением равновесия, под действием перемещения приводных магнитов, называемых соответственно первым магнитом 31 и вторым магнитом 32.
Первый магнит 31 и второй магнит 32 расположены так, что они обращены соответственно к первому концу 21 и второму концу 22 проводящей катушки 20.
Первый магнит 31 и второй магнит 32 могут иметь вытянутую форму, например, форму параллелепипеда, а их магнитная полярность может быть сориентирована в соответствии с их большей протяженностью. Другими словами, в случае магнитов в форме параллелепипеда магнитная полярность может быть сориентирована в соответствии с длиной упомянутого магнита.
Кроме того, под формой параллелепипеда также подразумевают магнит, имеющий в целом форму параллелепипеда, наименьшая сторона которого имеет вогнутую форму. Под меньшей стороной прямоугольного магнита понимают сторону меньшего размера (с меньшей поверхностью).
Первый магнит 31 и второй магнит 32 могут быть идентичными. Под идентичностью понимают, что они имеют одинаковую форму и одинаковую магнитную полярность.
Магнитная полярность в настоящей заявке также относится к ориентации полюсов магнита. В частности, магнитная полярность в магните соединяет южный полюс с северным полюсом упомянутого магнита. Южный полюс обычно относится к участку поверхности магнита, в который входит магнитный поток. И наоборот, северный полюс соответствует другому участку поверхности магнита, из которого выходит магнитный поток.
Более того, первый магнит 31 и второй магнит 32 расположены так, что магнитная полярность каждого из этих двух магнитов лежит в плоскости, перпендикулярной оси YY', например, параллельна оси XX'. Также, магнитные полярности первого магнита 31 и второго магнита 32 могут быть противоположны друг другу. Другими словами, магнитная полярность первого магнита 31 направлена в направлении, противоположном направлению магнитной полярности второго магнита 32. Понятно, что магнитные полярности первого магнита 31 и второго магнита 32 не обязательно проходят вдоль главной оси XX' (другими словами, они не обязательно коллинеарны с осью XX').
Кроме того, первый магнит 31 и второй магнит 32 расположены так, чтобы сдвигаться одновременно одинаковым образом параллельно главной оси XX', как только либо на первый, либо на второй магнит 32 будет оказано усилие.
Устройство, допускающее сдвиг первого магнита 31 и второго магнита 32, может содержать средство скольжения, например, направляющую. Однако изобретение не ограничено только этим устройством скольжения, и специалист в этой области техники, обладающий общими знаниями, может реализовать любое другое средство или устройство, способное сдвигать первый магнит 31 и второй магнит 32.
Понятно, без необходимости уточнения, что амплитуда сдвига каждого из двух магнитов одинакова во время их скольжения (под амплитудой сдвига подразумевается расстояние).
Такой эффект можно достичь путем связывания, например, жесткого, первого магнита 31 со вторым магнитом 32.
Сдвиг первого магнита 31 и второго магнита 32 по любой из траекторий, определяемых направлением главной оси XX', приспособлен для того, чтобы заставить основной магнит 30 занять соответственно первое положение равновесия и второе положение равновесия.
Также, при заданной магнитной ориентации первого магнита 31 и второго магнита 32 ясно, без необходимости пояснения, что магнитная поляризация основного магнита 30 не параллельна оси YY'.
Более того, предпочтительно магнитная поляризация основного магнита 30 может быть по существу перпендикулярна, предпочтительно перпендикулярна оси YY'.
При функционировании в таком электромагнитном устройстве 10 вращательное движение основного магнита 30 из одного из положений устойчивого равновесия в другое положение устойчивого равновесия индуцируют путем сдвига первого магнита 31 и второго магнита 32.
Поворот основного магнита 30 из второго положения равновесия в первое положение равновесия называют "прямым циклом".
Поворот основного магнита 30 из первого положения равновесия во второе положение равновесия называют "непрямым циклом".
Тогда, вращательное движение основного магнита 30 индуцирует изменение во времени магнитного поля, проходящего через проводящую катушку 20, тем самым, создавая ненулевое электрическое напряжение на клеммах проводящей катушки 20.
Занятие основным магнитом 30 любого из положений устойчивого равновесия определяется амплитудой взаимодействия между упомянутым основным магнитом 30 и приводными магнитами 31, 32.
Другими словами, если первый магнит 31 находится ближе к основному магниту 30, чем второй магнит 32, то упомянутый основной магнит 30 займет первое положение равновесия.
Наоборот, если второй магнит 32 находится ближе к основному магниту 30, чем первый магнит 31, то упомянутый основной магнит 30 займет второе положение устойчивого равновесия.
Для примера, основной магнит 30 в начальный момент может находиться во втором положении устойчивого равновесия. Другими словами, второй магнит 32 находится ближе к основному магниту 30, чем первый магнит 31.
Затем, усилие, например, механического происхождения, воздействующее на первый магнит 31 в направлении XX', позволяет начать сдвиг первого магнита 31 и второго магнита 32, так что первый магнит 31 приближается к основному магниту 30, а второй магнит 32 отдаляется от него.
Таким образом, во время сдвига двух приводных магнитов магнитное взаимодействие между вторым магнитом 32 и основным магнитом 30 уменьшается, в то время как между первым магнитом 31 и основным магнитом 30 увеличивается, тем самым увеличивая магнитную неустойчивость основного магнита 30.
Затем, как только магнитную неустойчивость, вызванную сдвигом двух приводных магнитов больше нет возможности выдерживать, происходит внезапный поворот основного магнита 30 вокруг оси YY'.
Таким образом, поворот основного магнита 30 вызывается без контакта с упомянутым основным магнитом 30, де факто ограничивая проблемы, связанные с износом и надежностью. Поворот основного магнита 30 приводит к быстрой инверсии направления потока, проходящего через катушку и, следовательно, изменению во времени магнитного потока. Напряжение, индуцируемое на клеммах проводящей катушки 20 изменением магнитного потока, проходящего через нее, позволяет генерировать электрический ток, который может протекать в электрическую нагрузку, подключенную к клеммам упомянутой проводящей катушки 20. Таким образом, механическую работу, выполняемую для того, чтобы сдвинуть магниты 31 и 32, преобразуют в электрическую энергию.
Более того, расположение основного магнита 30 во внутреннем объеме V проводящей катушки 20 позволяет увеличить часть потока, используемую для генерации электрического напряжения на клеммах упомянутой проводящей катушки 20. Тогда можно рассмотреть основной магнит 30 меньших размеров.
Кроме того, основной магнит 30, расположенный во внутреннем объеме V проводящей катушки 20, делает электромагнитное устройство 10 более компактным.
Электромагнитное устройство 10 также может содержать возвратное средство, воздействующее на один из приводных магнитов, расположенное так, чтобы заставить основной магнит 30 занять одно из двух положений устойчивого равновесия, если на первый магнит 31 и на второй магнит 32 не воздействуют никакие внешние усилия.
Например, возвратное средство может быть устроено так, чтобы второй магнит 32 заставлял основной магнит 30 принимать второе положение устойчивого равновесия, если на электромагнитное устройство 10 (и, в частности, на приводные магниты) не оказывается никакого внешнего влияния. Другими словами, возвратное средство может быть устроено так, чтобы заставить второй магнит 32 находиться ближе к основному магниту 30, чем первый магнит 31. В соответствии с этой конфигурацией, если устройство бездействует, основной магнит 30 находится во втором положении устойчивого равновесия.
Также в соответствии с этой конфигурацией, если электромагнитное устройство 10 было задействовано, и если основной магнит 30 был передвинут в первое положение равновесия, то понятно, что возвратное средство выполнено таким, чтобы возвращать основной магнит 30 во второе положение равновесия. Под выражением "выполнено таким, чтобы возвращать основной магнит 30 во второе положение равновесия" также понимают, что возвращающая сила возвратного средства является по меньшей мере достаточной, чтобы основной магнит 30 совершил непрямой цикл без помощи внешнего воздействия.
Возвратное средство особенно предпочтительно, поскольку после прекращения воздействия усилия на первый магнит 31 для запуска прямого цикла основного магнита 30 возвратное средство, в свою очередь, предназначено для того, чтобы вернуть основной магнит 30 во второе положение равновесия.
Другими словами, прямой цикл и непрямой цикл основного магнита 30 может быть запущен единственным воздействием, оказываемым на первый магнит 31, тем самым, позволяя удвоить изменение во времени магнитного потока в проводящей катушке 20.
Возвратное средство преимущественно содержит пружину.
Особенно предпочтительно, чтобы сдвиг первого магнита 31 и второго магнита 32 в сторону основного магнита 30 был ограничен соответственно первым или вторым ограничителем. Первый и второй ограничители предназначены для того, чтобы предотвращать контакт между основным магнитом 30 и соответственно первым магнитом 31 вторым магнитом 32.
На фиг. 1, 3а и 3b показан первый вариант осуществления электромагнитного преобразователя 10 энергии в соответствии с настоящим изобретением.
В соответствии с первой модификацией этого первого варианта осуществления (показанной на фиг. 1) первый магнит 31, второй магнит 32 и основной магнит 30 выровнены вдоль главной оси XX'.
Под выравниванием вдоль главной оси XX' понимают, что магнитные поляризации этих трех магнитов коллинеарны главной оси XX'.
Это расположение особенно предпочтительно, поскольку приводной магнит, который обеспечивает одно из двух положений устойчивого равновесия для основного магнита 30, также стабилизирует упомянутый магнит в этом положении равновесия (под выражением "стабилизирует в положении равновесия" понимают, в частности, "удерживает").
Этот стабилизирующий эффект происходит, по сути, от взаимного притяжения между основным магнитом 30 и приводным магнитом, который заставляет его занять одно из двух положений устойчивого равновесия.
Эффект удержания основного магнита 30 одним из приводных магнитов в положении устойчивого равновесия также создает высвобождающее средство, позволяющее основному магниту 30 поворачиваться даже более резко, когда преобразователь запущен.
Тем не менее, отметим, что стабилизирующий эффект, вызванный первым магнитом 31 и вторым магнитом 32, также может быть получен для других ориентаций упомянутых магнитов.
Таким образом, на фиг. 3а-3b показаны другие виды этого первого варианта осуществления.
В частности, магнитные полярности первого магнита 31 и второго магнита 32 (представленные стрелками А и В на фиг. 3а) имеют ненулевое угловое отклонение относительно главной оси XX'. Магнитные полярности двух магнитов образуют, например, угол 180°.
Более того, в соответствии с этим вариантом магнитные полярности преимущественно противоположны друг другу.
В другом варианте, показанном на фиг. 3b, магнитные полярности первого магнита 31 и второго магнита 32 (представленные стрелками C и D на фиг. 3b) имеют ненулевое угловое отклонение относительно главной оси XX' и образуют между собой угол менее 180°.
Воздействия первого магнита 31 и второго магнита 32 в соответствии с их положениями относительно основного магнита 30 идентичны воздействиям, описанным в первой модификации этого первого варианта осуществления.
Особенно предпочтительно, чтобы основной магнит 30 обладал симметрией вращения вокруг оси YY'. Другими словами, основной магнит 30 может представлять собой цилиндр вращения вокруг оси YY'. В соответствии с этой конфигурацией ось YY' неподвижна и предпочтительно может пересекать главную ось XX' в центре проводящей катушки 20.
Удерживающее средство 40 основного магнита 30 может содержать, например, держатель магнита. Основной магнит 30 может быть оснащен выступом, расположенным вдоль оси YY' упомянутого магнита. Держатель магнита может содержать полость, имеющую форму, комплементарную выступу, в которую вставляют упомянутый выступ.
Электромагнитное устройство 10 также содержит первое ферромагнитное ярмо 50 и второе ферромагнитное ярмо 50', расположенные симметрично друг к другу относительно плоскости, содержащей ось YY' и главную ось XX'.
Каждое ферромагнитное ярмо может содержать по меньшей мере один ферромагнитный материал, выбираемый из: сплавов на основе железа с высокой индукцией насыщения (например, индукцией насыщения, превышающей 1,5 Тесла), таких как чистое железо, железо, легированное кремнием (Si) (FeSi), железо, легированное никелем (Ni) (FeNi), железо, легированное кобальтом (Co) (FeCo). Эти сплавы также могут содержать дополнительные элементы, такие как Cr, P, Cu, Al.
Ферромагнитный материал также может содержать по меньшей мере один из элементов, выбираемых из феррита шпинельной структуры (такого как MnZn, NiZn). Последний, благодаря своей низкой электропроводности, особенно предпочтителен, потому что позволяет снизить потери на вихревые токи.
Наконец, ферромагнитный материал также может содержать по меньшей мере один из элементов, выбираемых из: сплава на основе железа (Fe) типа металлического стекла, полученного в аморфной или нанокристаллической форме.
Первое 50 и второе 50' ярмо могут содержать по два конца, выполненных так, чтобы образовывать полость, внутри которой удерживается основной магнит 30. Поэтому, ясно без необходимости пояснения, что каждое ярмо замыкается на основном магните 30. В ином случае, два конца ярма имеют расстояние, внутри которого расположен постоянный магнит, так что каждое ярмо образует с магнитом замкнутую магнитную петлю.
Особенно предпочтительно, чтобы полость имела форму, соответствующую форме основного магнита 30.
Первое и второе ферромагнитное ярмо могут быть расположены вокруг основного магнита с зазором, точно определенным по ширине, так, чтобы воздушные зазоры 51, 51' располагались напротив друг друга. Ширина воздушного зазора, который образован пространством, расположенным между внешней поверхностью основного магнита 30 и любым из концов ферромагнитного ярма, определяет интенсивность магнитного потока, проходящего в упомянутом ярме. Величина, которая определяет влияние воздушного зазора на магнитный поток, известна как магнитное сопротивление. Заданной ширине воздушного зазора соответствует точное значение магнитного сопротивления.
Основной магнит 30 может иметь гладкую или, в другом варианте, структурированную цилиндрическую внешнюю поверхность. В этом втором случае средняя поверхность магнита остается цилиндрической, но локально ее профиль отклоняется от средней поверхности в соответствии с заданным шаблоном. Понятно, что отклонения от среднего профиля превышают шероховатость материала и, как правило, превышают одну десятую от значения воздушного зазора.
Таким образом, воздушное пространство, образованное между магнитом и ярмом, и, следовательно, размеры воздушного зазора, будут меняться в зависимости от углового положения магнита. Переменный воздушный зазор создает эффект, называемый эффектом переменного магнитного сопротивления, и, таким образом, может способствовать скорости вращения магнита и его стабилизации.
Кроме того, понятно без необходимости уточнения, что полость, образованная концами ферромагнитных ярмов, находится во внутреннем объеме V проводящей катушки 20. В частности, как показано на фиг. 1, токопроводящий провод, образующий проводящую катушку 20, окружает первый участок каждого ферромагнитного ярма. Первый участок каждого ферромагнитного ярма, как показано на фиг. 1, состоит из двух плеч, разделенных воздушным зазором.
Каждое ярмо образует с основным магнитом 30 замкнутую магнитную цепь. Другими словами, каждое ферромагнитное ярмо позволяет направлять магнитный поток в соответствии с замкнутой цепью и, таким образом, ограничивать магнитные утечки.
Особенно предпочтительно, чтобы первое ферромагнитное ярмо 50 и второе ферромагнитное ярмо 50' были разнесены на расстояние Е. Упомянутое расстояние Е предназначено для того, чтобы направлять первый и второй магниты 32 при их сдвиге.
При работе электромагнитный преобразователь 10 энергии позволяет основному магниту 30 поворачиваться на 180°. Добавление возвратного средства, как описано в общем описании настоящего изобретения, также позволяет главному магниту 30 выполнять прямой цикл и непрямой цикл, каждый из которых соответствует повороту основного магнита 30 на 180° вокруг оси YY.
На фиг. 2а и 2b показан второй вариант осуществления электромагнитного преобразователя 10 энергии в соответствии с настоящим изобретением.
В соответствии с этим вторым вариантом осуществления преобразователь содержит два неподвижных стабилизирующих магнита, называемых соответственно третьим магнитом 33 и четвертым магнитом 34. Два стабилизирующих магнита предназначены для того, чтобы стабилизировать в одном из двух положений равновесия основной магнит 30, как только преобразователь начинает бездействовать.
Эффект удержания основного магнита 30 одним из стабилизирующих магнитов в положении устойчивого равновесия также создает высвобождающее средство, позволяющее основному магниту 30 поворачиваться даже более резко, когда преобразователь запущен.
Кроме того, стабилизирующие магниты расположены так, что полюса магнита, стабилизирующего основной магнит 30 в одном из двух положений равновесия, выровнены с полюсами основного магнита 30.
Предпочтительно, третий магнит 33 и четвертый магнит 34 расположены так, что они обращены соответственно к первому концу 21 и второму концу 22. Более того, каждый стабилизирующий магнит смещен в своем направлении от главной оси XX'. Под смещением в разных направлениях от главной оси XX' понимают, что они расположены с каждой стороны от упомянутой оси.
Кроме того, в соответствии с этой компоновкой основной магнит 30 установлен на держателе (иначе, на удерживающем средстве 40), содержащем направляющую 41, причем направляющая расположена так, что поворот основного магнита 30 вокруг оси YY' между двумя положениями равновесия сопровождается поступательным движением, позволяющим выровнять полюса основного магнита 30 с третьим магнитом 33 и четвертым магнитом 34, когда упомянутый основной магнит 30 находится соответственно в первом положении равновесия или во втором положении равновесия.
Направляющая 41 может быть прямоугольной или изогнутой.
Основной магнит 30 может быть направлен в направляющей с помощью выступа, расположенного на упомянутом магните.
Основной магнит 30 может иметь вытянутую форму, например, форму параллелепипеда.
Магнитные полярности третьего магнита 33 и четвертого магнита 34 могут быть параллельны главной оси XX' и могут быть противоположны друг другу.
Кроме того, как показано на фиг. 2а и 2b, третий магнит 33 и четвертый магнит 34 могут находиться напротив соответственно второго магнита 32 и первого магнита 31.
Предпочтительно, основной магнит 30 может содержать клин, расположенный на одном из его концов и предназначенный для того, чтобы он располагался между основным магнитом 30 и третьим магнитом 33 или четвертым магнитом 34, если основной магнит 30 находится соответственно в первом положении равновесия или во втором положении равновесия. Таким образом, этот клин может поглощать сотрясения, испытываемые основным магнитом 30 во время его стабилизации.
Клин может содержать по меньшей мере ферромагнитные материалы, выбираемые из: сплавов на основе железа с высокой индукцией насыщения, таких как чистое железо, железо, легированное кремнием (Si) (FeSi), железо, легированное никелем (Ni) (FeNi), железо, легированное кобальтом (Co) (FeCo).
Эти сплавы также могут содержать дополнительные элементы, такие как Cr, P, Cu, Al.
Ферромагнитный материал также может содержать по меньшей мере один из элементов, выбираемых из феррита шпинельной структуры (MnZn, NiZn). Последний, благодаря своей низкой электропроводности, особенно предпочтителен, потому что позволяет снизить потери на вихревые токи.
Наконец, ферромагнитный материал также может содержать по меньшей мере один из элементов, выбираемых из: сплава на основе железа (Fe) типа металлического стекла, полученного в аморфной или нанокристаллической форме.
Предпочтительно, преобразователь также содержит ферромагнитное ярмо, которое содержит два конца 60 и 60' ярма, расположенные между клином и основным магнитом 30 и третьим магнитом 33 или четвертым магнитом 34, если основной магнит 30 находится соответственно в первом положении равновесия или во втором положении равновесия.
Ферромагнитное ярмо позволяет направлять магнитный поток, создаваемый основным магнитом 30, через проводящую катушку 20 и, тем самым, ограничивать магнитные утечки.
Запуск преобразователя может быть инициирован путем воздействия силой, например, на первый магнит 31 (если основной магнит 30 находится во втором положении равновесия). Сдвигу первого магнита 31 и, следовательно, второго магнита 32 изначально препятствует основной магнит 30, полюсы которого имеют ориентацию, противоположную ориентации полюсов первого магнита 31. Во время этой фазы четвертый магнит 34 (стабилизатор) удерживает основной магнит 30 во втором положении равновесия, и происходит накопление энергии в системе по мере того, как сила, воздействующая на первый магнит 31, увеличивается. Как только расстояние между первым магнитом 31 и основным магнитом 30 уменьшается, эта энергия дополнительно увеличивается до тех пор, пока основной магнит 30 станет невозможно удерживать во втором положении, из-за магнитной неустойчивости, вызванной приближением первого магнита 31.
Тогда основной магнит 30 совершает внезапный поворот на 180°, сопровождаемый смещением упомянутого магнита вдоль направляющей держателя.
После этого перемещения основной магнит 30 находится во втором положении равновесия, при этом его полюса выровнены с полюсами четвертого магнита 34.
Резкий поворот основного магнита 30 создает изменение магнитного потока через проводящую катушку 20, тем самым, создавая электрическое напряжение на клеммах упомянутой проводящей катушки 20.
Если электромагнитный преобразователь 10 энергии оснащен возвратным средством (например, пружиной, воздействующей на второй магнит 32), то основной магнит 30 возвращается во второе положение равновесия, как только прекращается воздействие силы, прикладываемой к первому магниту 31. Таким образом, возвратное средство позволяет удвоить изменение во времени магнитного потока.
Противоположный эффект можно получить из первого положения равновесия и путем приложения усилия ко второму магниту 32.
2
В качестве примера, основной магнит 30 может иметь остаточную магнитную индукцию B равную 0,5 Тесла и занимать половину внутреннего объема V проводящей катушки 20. Проводящая катушка 20 может иметь поперечное сечение S = 0,1 см и содержать N = 10 витков. В соответствии с этой компоновкой можно создать электрическое напряжение 2*N*B*S/Δt=10 Вольт. Если считать сопротивление электрического провода, формирующего проводящую катушку 20 равным R= 1 Ом, то получается энергия, равная E=e²/RΔt=1000 мкДж.
Основной магнит 30 и приводные магниты могут представлять собой спечённые магниты или магнитопластик. Магнитопластики, полученные путем отливки, могут обладать преимуществом, заключающимся в том, что их можно изготовить недорого, при этом они могут иметь сложную форму и распределение намагниченности. Такие магниты обладают следующими интересными характеристиками для электромагнитных микрогенераторов и/или электромагнитных преобразователей энергии:
- они могут соответствовать объемам, доступным в устройстве,
- форму и профиль их внешней поверхности можно оптимизировать, чтобы создать переменный воздушный зазор во время движения магнита и, следовательно, эффект переменного магнитного сопротивления, который улучшает производительность преобразователя,
- распределение намагниченности, то есть направление, соединяющее полюса магнита, можно оптимизировать, чтобы увеличить поток в магнитной цепи и ограничить потери потока,
- магнитопластики менее чувствительны к сотрясениям и износу, например, коррозии,
- магнитопластики можно получить путем отливки, в частности, с использованием технологии впрыскивания пластика. Для этого смесь полимеров (например, термоусадочного полимера, такого как PA) и магнитного порошка (например, SmCo) нагревают и впрыскивают в жидком виде в полость формы. Во время впрыскивания к выемке прикладывают магнитное поле, чтобы сориентировать и намагнитить магнитный порошок. Деталь остужают в этой конфигурации до затвердевания, и, таким образом, сохраняют ее магнитную поляризацию. Можно изготовить многополюсные магниты сложной формы. Магниту можно добавить дополнительные функции, чтобы упростить его интеграцию в механическую систему (например, добавить выступы).
Настоящее изобретение также относится к беспроводному и/или безбатарейному автономному переключателю, предназначенному для обеспечения управления функциями автоматизации дома, такими как освещение, открывание и закрывание роликовых ставней.
Ссылочный материал
[1] US9240267,
[2] US9509304.