ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВИБРАЦИЙ В ЭЛЕТРИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ
VIBRATION-TO-VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электромагнитным генераторам, которые служат автономными источниками питания. Предлагаемый преобразователь вибраций в электрическое напряжение может быть использован для получения электрической энергии от любого вибрирующего тела, в том числе для электропитания устройств и подзарядки аккумуляторов во время движения транспортного средства (автомобиль, железнодорожный вагон и др.).
Известны электрические генераторы возвратно-поступательного движения, содержащие магнитопроводы с обмоткой, закрепленные неподвижно, и постоянные магниты, приведенные в возвратно-поступательное движение посторонним источником энергии (Хитерер М.Я., Овчинников И.Е. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения, СПб: Корона принт, 2004. - 368 с.). Основными недостатками рассмотренных конструкций являются сложность устройства и применение постоянных магнитов, а также невозможность использования генератора при малых перемещениях подвижного элемента (например, при вибрациях).
Известен вибрационный генератор электрической энергии (патент РФ 2439771), содержащий постоянный магнит, магнитопровод, рабочую обмотку, подвижное средство изменения магнитного потока в магнитопроводе, отличающийся тем, что подвижное средство изменения магнитного потока в магнитопроводе выполнено в виде шунта, состоящего из чередующихся магнитопроводящих и магнитонепроводящих слоев, расположенных перпендикулярно направлению колебания шунта. Недостатки такого генератора заключаются в сложности конструкции и повышенной стоимости постоянных магнитов, а также малой мощности выходного сигнала, обусловленной малой массой подвижного средства и небольшим изменением магнитного потока (постоянный магнит и два рабочих зазора не позволяют получить индукцию в зазорах больше 0,1 Тл).
Наиболее близким по конструкции и принципу действия является линейный генератор возвратно-поступательного движения Потапова Л.А. и Сморудовой Т.В. (заявка №2012108778/07 от 7.03.2012), в котором подвижный магнитопровод выполнен из углеродистой стали, сохраняющей остаточную индукцию (вместо дорогих постоянных магнитов), и организована система самовозбуждения. Недостатками этого генератора являются сложность конструкции и необходимость движения подвижного магнитопровода перпендикулярно магнитным потокам, что не позволяет его использовать при малых перемещениях магнитопровода (например, при вибрациях).
Задача изобретения - упрощение конструкции и получение максимальной мощности устройства.
Предлагается преобразователь вибраций в электрическое напряжение, содержащий неподвижный магнитопровод с обмотками возбуждения и генераторной, подвижный магнитопровод с упругим элементом, конденсатор и диоды, отличающийся тем, что с целью упрощения конструкции и получения максимальной мощности устройства подвижный магнитопровод выполнен из высокоуглеродистой стали и перемещается в направлении магнитного потока, упругий элемент имеет жесткость, определяющую частоту собственных колебаний подвижного магнитопровода преобразователя примерно равной частоте собственных колебаний транспортного средства, а конденсатор имеет емкостное сопротивление, примерно равное максимальному индуктивному сопротивлению генераторной обмотки.
В предлагаемой конструкции преобразователя перемещение подвижного магнитопровода происходит в направлении магнитных потоков, при этом изменяется рабочий зазор между подвижным и неподвижным магнитопроводами, изменяется магнитная индукция и поток в магнитной цепи и наводится ЭДС в генераторной обмотке. Подвижный магнитопровод закреплен на упругих элементах и вместе с ними образует колебательную систему. Жесткость упругого элемента и масса подвижного магнитопровода определяют частоту собственных колебаний этой колебательной системы. Для повышения эффективности преобразователя частоту его собственных колебаний приближают к частоте собственных колебаний вибрирующего тела (например, транспортного средства), т.к. вблизи резонанса амплитуда колебаний будет наибольшей. Выходную мощность преобразователя определяет масса подвижного элемента (а ее можно выполнить достаточно большой) и диапазон изменения магнитной индукции в рабочем зазоре (при изменении рабочего зазора от 0,1 мм до 0,6 мм магнитная индукция может изменяться от 1 до 0,2 Тл).
Подвижный магнитопровод имеет простую форму (без выступов) и выполнен из более дешевого материала - высокоуглеродистой стали (вместо постоянных магнитов). Для обеспечения самовозбуждения и повышения зарядного тока емкостное сопротивление конденсатора приближено к индуктивному сопротивлению генераторной обмотки, т.к. вблизи резонанса напряжений ток в цепи приближается к максимально возможному.
На чертеже представлена конструкция преобразователя вибраций.
Преобразователь вибраций содержит корпус 1 с закрепленным к нему неподвижным П-образным магнитопроводом 2, на котором имеются обмотки возбуждения 3 и генераторные обмотки 4.
Подвижный магнитопровод 5 закреплен на упругих элементах 6. На подвижном магнитопроводе закреплены два уголка 7 с амортизирующими прокладками 8, исключающих прилипание подвижного магнитопровода к неподвижному и уменьшающих шум при вибрациях. Концы уголков 7 входят в пазы ограничителей хода 9, закрепленных на корпусе 1. С помощью ограничителей хода регулируются минимальный и максимальный зазоры в магнитной цепи. Выводы генераторной обмотки подключены через диодный мост 10 к конденсатору 11. Выводы обмотки возбуждения тоже подключены к конденсатору через диод 12. Конденсатор подключен к клеммам 13 или разъему 14, расположенным снаружи корпуса 1, при этом корпус 1 может быть выполнен герметичным.
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><mi>w</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>Ф</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
вых
Работает преобразователь вибраций следующим образом. При подсоединении преобразователя вибраций к вибрирующему телу подвижный магнитопровод в преобразователе вибраций тоже будет совершать колебания с собственной частотой, определяемой жесткостью упругого элемента и массой подвижного магнитопровода. Если собственная частота колебаний подвижного магнитопровода будет близка к частоте вибрирующего тела (приближаясь к резонансу), то амплитуда колебаний подвижного магнитопровода будет стремиться к наибольшему значению. При колебаниях подвижного магнитопровода относительно неподвижного будет изменяться зазор между ними, что приведет к изменению напряженности магнитного поля и магнитной индукции в магнитной цепи и создаст ЭДС в генераторной обмотке, пропорциональную скорости изменения потокосцепления
, где w - число витков генераторной обмотки, Ф=BS, Ф и В - поток и магнитная индукция в неподвижном магнитопроводе, S - сечение полюса этого магнитопровода. В генераторной обмотке 4 формируется знакопеременная ЭДС, которая диодным мостом 10 выпрямляется и конденсатором 11 сглаживается. С конденсатора 11 снимается выходное напряжение U на внешний разъем 14 или клеммы 13 (для подключения внешних устройств), а также напряжение для питания обмотки возбуждения 3. При этом последовательно с обмоткой возбуждения в прямом направлении включен диод D, отсекающий ту переменную составляющую тока, наведенного в этой обмотке изменяющимся магнитным потоком, которая направлена встречно основному току возбуждения. Для увеличения тока, отдаваемого генераторной обмоткой, емкостное сопротивление конденсатора выполняют примерно равным индуктивному сопротивлению генераторной обмотки, т.к. вблизи резонанса напряжений ток будет стремиться к наибольшему значению. При этом преобразователь вибраций будет работать в режиме самовозбуждения.
Самовозбуждение преобразователя вибраций осуществляется следующим образом. В нерабочем состоянии подвижный магнитопровод 5, выполненный из углеродистой стали, сохраняет остаточную намагниченность. При этом в магнитной цепи сохраняется некоторый остаточный магнитный поток. При возникновении вибраций перемещение подвижного магнитопровода 5 от первоначального (устойчивого) положения приведет к изменению магнитного потока, возникновению в генераторной обмотке 4 ЭДС, увеличению напряжения на конденсаторе 11, появлению тока в обмотке возбуждения 3. При этом магнитный поток в магнитопроводе 2 увеличится и при дальнейших возвратно-поступательных движениях подвижного магнитопровода 5 ЭДС в генераторной обмотке 4 будет постепенно возрастать, напряжение на конденсаторе 11 и ток в обмотке возбуждения 3 тоже будут возрастать. Все это приведет к постепенному увеличению магнитного потока в магнитопроводе 2 до тех пор, пока отдельные участки магнитопровода 2 не войдут в режим насыщения. При насыщении магнитопровода 2 максимальное значение магнитного потока будет оставаться неизменным и при сохранении частоты возвратно-поступательных движений напряжение на выходе генератора будет оставаться неизменным.