УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЯХ
DEVICE FOR GENERATING ELECTRIC ENERGY AT MECHANICAL VIBRATIONS

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам для получения электрической энергии от двух расположенных рядом элементов при их механическом колебательном движении относительно друг друга, и может быть использовано, в частности, для получения энергии во время движения железнодорожных составов за счет периодического вынужденного колебательного движения вагонов.
Известно устройство для получения электрической энергии при колебании механических элементов, состоящее из магнитной системы с электрическими обмотками и подвижного якоря, описанное в патенте (RU 2292106 C1, 20.01.2007).
Известное устройство содержит корпус, на концах которого расположены постоянные магниты. Внутри корпуса установлен с зазором и возможностью перемещения между краевыми постоянными магнитными элементами подвижный магнитопровод и дополнительный подвижный постоянный магнит.
Недостаток известного устройства заключается в том, что оно имеет сложную конструкцию и не может быть применено для генерации энергии при колебании, например, вагонов поезда относительно друг друга.
Более близким и принятым за прототип является устройство для получения электрической энергии при механических колебаниях, описанное в патенте RU 2368056 C1, 20.09.09.
Известное устройство содержит источник колебаний, источник электропитания, магнитную систему из обращенных друг к другу магнитопроводов с электрическими обмотками, диодные выпрямители и приемник электрической энергии.
Известное устройство предназначено для преобразования колебаний, возникающих между рядом расположенных элементов, например вагонов поезда, в электрическую энергию.
Недостаток известного устройства заключается в том, что оно имеет сложную конструкцию, что не способствует его широкому применению, в частности, и на транспорте.
Как известно, движение рельсовых подвижных составов не может обходиться без управления, для которого требуется электрическая энергия, которая используется и для собственных нужд вагонов и поезда в целом.
Задачей изобретения является обеспечение возможности вырабатывать электрический ток за счет использования колебательного процесса между двумя расположенными рядом элементами, в частности вагонами поезда.
Технической задачей изобретения является разработка устройства для прямого преобразования колебательного движения расположенных недалеко друг от друга механических элементов, в частности вагонов поезда, в электрическую энергию достаточной величины, которую можно использовать для организации и управления движением железнодорожных транспортных средств, например питания собственных нужд вагонов, системы СЦБ и т.д.
Дополнительной технической задачей является повышение КПД преобразования и повышение его надежности. Кроме того, предложенное устройство будет способствовать снижению динамических нагрузок на состав, за счет некоторого демпфирующего эффекта.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для получения электрической энергии при механическом колебании различных элементов относительно друг друга, содержащем источник колебаний, источник электропитания, магнитную систему из обращенных друг к другу магнитопроводов с электрическими обмотками, диодные выпрямители и приемник электрической энергии, согласно изобретению магнитная система состоит из выполненных из ферромагнитного материала двух индукторов, разделенных зазором, каждый индуктор выполнен в виде центрального сердечника и боковых стержней, расположенных симметрично по отношению сердечнику и имеющих с ним общее основание, индукторы установлены на элементах, совершающих колебания относительно друг друга так, что в спокойном и без отклонений состоянии они находятся на одной оси, симметрично по отношению к разделяющему их зазору, причем сердечники снабжены обмотками возбуждения, включенными согласно и получающими электропитание от цепи постоянного тока, а боковые стержни снабжены силовыми обмотками, включенными в цепь внутренних нужд через выпрямители.
Площадь сечения сердечника может быть равна суммарной площади боковых стержней.
Сечение сердечников и стержней может иметь вид прямоугольников, а боковые стержни размещены с двух сторон от сердечника на линии, совпадающей с направлением колебаний, сердечники снабжены расширяющимся в стороны стержней наконечниками, а поверхности концов стержней могут иметь выпуклость, хорда которой совпадает с направлением движения.
Сердечники и боковые стержни могут быть выполнены в виде цилиндров, стержни установлены вокруг сердечника, причем сердечники снабжены наконечником, который может быть выполнен в виде расходящегося конуса, а концы стержней могут иметь поверхность в виде полусферы.
Сечение боковых стержней может быть выполнено в виде овалов, большие оси которых перпендикулярны оси, проходящей от центра сердечника к центру овала.
Сечение боковых стержней может быть выполнено в виде прямоугольников, большие стороны которых перпендикулярны оси, проходящей от центра сердечника к центру прямоугольника.
Сердечник и боковые стержни могут быть выполнены из тонкой, покрытой лаком проволоки, проходящей продольно магнитному потоку, причем часть продольных нитей проволоки может быть выполнена из магнитотвердого материала.
Обмотка сердечника может быть подключена к приемнику электрической энергии через выпрямители, установленные на выходе силовых обмоток стержней.
Выполнение магнитной системы в виде двух индукторов, установленных на элементах, совершающих колебания и разделенных зазором, в которой каждый индуктор выполнен в виде сердечника и боковых стержней, расположенных симметрично по отношению сердечнику и имеющих с ним общее основание, позволяет сформировать простой по конструкции и не имеющий подвижных частей генератор, преобразующий механические колебания в электрическую энергию.
Если площадь сечения сердечника равна суммарной площади боковых стержней, то при смещении индукторов относительно друг друга магнитное поле сердечника будет проходить навстречу потоку бокового стержня, что увеличит число гармонических составляющих в суммарной э.д.с. и, таким образом, повысит выход электроэнергии. Наличие сердечника, снабженного расширяющимся наконечником или выполненного в виде расходящегося конуса, также приводит к повышению энергии, вырабатываемой устройством, за счет увеличения напряжения при высоких амплитудах колебаний.
Выполнение сечения сердечника и стержней в виде прямоугольников и расположение боковых стержней с двух сторон от сердечника на линии, совпадающей с отклонением, применяется, если колебания происходят по одной линии.
Выпуклость поверхности концов стержней с хордой, совпадающей с направлением движения, повышает чувствительность системы при движении индукторов по отношению друг к другу.
Выполнение сечения сердечников и боковых стержней в виде цилиндров и установка стержней вокруг сердечников применяется, если имеет место сложный колебательный процесс с неопределенным направлением движения, например, как это происходит между вагонами поезда.
Выполнение сечения боковых стержней в виде овалов, большие оси которых перпендикулярны оси, проходящей от центра сердечника к центру овала, целесообразно при небольших амплитудах колебаний.
Выполнение боковых стержней в виде прямоугольников, большие стороны которых перпендикулярны оси, проходящей от центра сердечника к центру прямоугольника, целесообразно для упрощения конструкции индукторов.
Выполнение сердечника и боковых стержней из тонкой, покрытой лаком проволоки позволяет упростить технологию изготовления индукторов, особенно если они имеют сложную пространственную конфигурацию, и снизить потери в стали.
Введение в тело магнитопровода продольных нитей проволоки, выполненной из магнитотвердого материала, позволяет снизить потребление энергии на намагничивание системы и обеспечить автономный режим работы устройства.
Питание обмотки сердечника через выпрямители, установленные на выходе силовых обмоток стержней, также обеспечивает автономность генератора при возникновении колебательного процесса.
Заявленное изобретение иллюстрируется 8 фигурами.
На фиг.1 представлена принципиальная конструкция устройства в плоском исполнении, вид сбоку.
На фиг.2 показана вторая проекция магнитопровода по фиг.1, вид спереди.
На фиг.3 изображен фрагмент крепления магнитопровода к колеблющемуся элементу.
На фиг.4 дана принципиальная схема соединения обмоток сердечника и боковых стрежней.
На фиг.5 нарисована принципиальная конструкция магнитопровода с цилиндрическим сердечником и цилиндрическими боковыми стержнями, вид сбоку.
Фиг.6 дает представление о второй проекции, относящейся к фиг.5, вид спереди.
На фиг.7 показан один из боковых стержней в виде овала применительно к цилиндрическому магнитопроводу.
На фиг.8 начерчен один из боковых стержней в виде прямоугольника применительно к цилиндрическому магнитопроводу.
Устройство для получения электрической энергии при механических колебаниях состоит из выполненных из ферромагнитного материала двух индукторов, разделенных зазором (не обозначен). Каждый индуктор состоит из сердечника 1 (фиг.1, 2) и боковых стержней 2, расположенных симметрично по отношению сердечнику и имеющих с ним общее основание 3. В спокойном состоянии и при отсутствии смещения индукторы находятся на одной оси, симметрично по отношению к зазору. Обозначения позиций каждого индуктора одинаковы, но цифры одного из них отличаются наличием штриха. Площадь сечения сердечника 1 равна суммарной площади боковых стержней 2. Толщина боковых стержней 2 равна или меньше амплитуды колебаний. Сердечник каждого индуктора снабжен обмоткой возбуждения 4 и расширяющимся в сторону стержней наконечником 5. Боковые стержни 2 снабжены силовыми обмотками 6.
Сечение сердечников и стержней имеет вид прямоугольника, а поверхности концов стержней могут иметь выпуклость (не показана), хорда которой совпадает с направлением движения.
Индукторы установлены на элементах 7 (фиг.3), совершающих колебания относительно друг друга. Для обеспечения крепления к торцевым поверхностям основания 3 индукторов с помощью шурупов-саморезов (не обозначены) прикреплен поддон 8, так чтобы края поддонов выступали за габариты индукторов. Между поддоном и поверхностью элемента 7 расположена пружинящая прокладка 9, изготовленная, например, из пенополиуретана. Элементы 7 и поддон 8 скреплены между собой болтами 10 с гайкой 10а. Цилиндрическая часть болтов 10 между поверхностью поддона 8 и поверхностью элемента 7 снабжена цилиндрической пружиной сжатия (не обозначена).
Обе обмотки возбуждения 4 индукторов включают согласно и снабжают электропитанием от цепи постоянного тока, которая формируется за счет силовых обмоток 6, соединенных с цепью внутренних нужд, через однофазные двухполупериодные мостовые выпрямители 11 (фиг.4). Все выпрямители силовых обмоток соединены последовательно.
На практике один из индукторов, который совершает колебания, может быть лишен обмоток. При этом все указанные обмотки расположены на втором индукторе, расположенном неподвижно.
Сердечник 1 и боковые стержни 2 могут быть выполнены в виде цилиндров (фиг.5, 6). Стержни 2 установлены вокруг сердечника 1 по окружности и имеют общее основание 3. Сердечник снабжен наконечником 5, выполненным в виде расходящегося конуса, а концы стержней могут иметь поверхность в виде полусферы (не показана).
Площадь сечения сердечника 1 равна суммарной площади боковых стержней 2. Сердечник каждого индуктора снабжен обмоткой возбуждения 4. Боковые стержни 2 снабжены силовыми обмотками 6. Установка индукторов на подвижные элементы производится аналогично фиг.3. Обмотки возбуждения и силовые обмотки соединены так же, как и на фиг.4.
Элементами для размещения индукторов могут служить, например, торцевые обращенные друг к другу поверхности вагонов. В спокойном состоянии индукторы находятся симметрично по отношению к разделяющему их зазору и на одной оси.
Сечение боковых стержней может быть выполнено в виде овалов (фиг.7), большие оси которых перпендикулярны оси, проходящей от центра сердечника к центру овала.
Сечение боковых стержней может иметь вид прямоугольников (фиг.8), большие стороны которых перпендикулярны оси, проходящей от центра сердечника к центру прямоугольника.
Сердечник 1 и боковые стержни 2 могут быть выполнены из тонкой, покрытой лаком проволоки, проходящей продольно магнитному потоку. Часть нитей этой проволоки выполнена из магнитотвердого материала. Полученные таким образом индукторы должны быть пропитаны смолой и выдержаны при определенной температуре до полного затвердевания смолы.
Устройство для получения электрической энергии при механических колебаниях действует следующим образом. Индукторы, выполненные согласно фиг.1, 2, применяются, если механические колебания происходят по одной линии, проходящей по оси индуктора от одного бокового стрежня, через сердечник и второй боковой стержень. В процессе колебании механических элементов 7 относительно друг друга, прикрепленные к ним индукторы будут совершать возвратно-поступательные движения, которые вызовут изменение величин зазоров между направленными навстречу друг другу боковыми стрежнями. При этом имеет место сложный характер изменения магнитного потока, определяемый еще и местом их расположения относительно друг друга. В частности, если боковой стержень будет располагаться в промежутке между противоположным стержнем и противоположным сердечником, то часть магнитного потока, создаваемого сердечником, будет замыкаться по наконечнику стержня, минуя центр обмотки 6, что вызывает дополнительные изменения магнитного потока в силовых обмотках. Кроме того, поскольку намагничивающий ток сердечника зависит от тока силовых обмоток, то изменение этого тока приведет к дополнительным колебаниям потока, проходящего через центры силовых обмоток 6. Наконечник 5 способствует этому изменению. Более того, если амплитуда колебаний превышает толщину стержня, то один из них, двигающийся внутрь, т.е. по направлению к оси сердечника, будет в какой то момент располагаться в магнитном поле сердечника 1, что означает изменение направления потока в нем относительно первоначального. Затем при движении в обратном направлении такую же позицию будет занимать и противоположный боковой стрежень. При любых изменениях магнитного поля Ф в обмотках 6, согласно закону Максвелла, будет генерироваться э.д.с. е в соответствии с формулой:
e=-w×dФ/dt,
где w - число витков соответствующей обмотки, dФ/dt - изменение магнитного поля, проходящего через оси силовых обмоток 6. После выпрямления в выпрямителях 11 небольшая часть постоянного тока поступает и в намагничивающую обмотку возбуждения 5, в результате чего создаваемый ее магнитный поток усиливается. Растет напряжение и на выходе выпрямителей. Полученную, таким образом, на выходе выпрямителей э.д.с. можно использовать как источник электрической энергии. Эта энергия поступает либо в аккумулятор, либо в цепь питания собственных нужд. Наличие нитей из магнитотвердого материала обеспечит первоначальный магнитный поток в начале колебательного процесса.
Индукторы, выполненные согласно фиг.5, 6, применяются, если имеют место более сложные пространственные колебания элементов 7 относительно друг друга. В частности, во время движения железнодорожных составов вагоны поезда в результате статического и динамического воздействия колес с рельсами совершают вертикальные, поперечные и частично встречные колебания. В процессе всех этих колебаний зазоры между индукторами будут изменяться по сложному закону. Любые из этих изменений, вне зависимости от направления, приведут к вариациям магнитных полей между стержнями 2. Эти изменения обеспечит появление в обмотках 6 э.д.с. и поступление постоянного тока в систему от выпрямителей. Возможные соударения индукторов гасятся в прокладках из пенополиуретана 9. Генерируемая мощность будет определяться габаритными размерами индукторов, частотой и амплитудой колебаний. При этом система индукторов, которые могут быть размещены в нескольких местах между двумя вагонами приведет к некоторому демпфированию колебаний.
Выполнение сечения боковых стержней в виде овалов (фиг.7), большие оси которых перпендикулярны оси, проходящей от центра сердечника к центру овала, целесообразно при небольших амплитудах колебаний.
Выполнение сечения боковых стержней в виде прямоугольников (фиг8), большие стороны которых перпендикулярны оси, проходящей от центра сердечника к центру прямоугольника, целесообразно для упрощения конструкции индукторов.
Особенность устройства состоит в том, что в системе генерации электроэнергии отсутствуют дополнительные подвижные кинематические звенья, что способствует высокому КПД системы и высокой ее надежности.
Из практики известно, что при движении подвижного состава амплитуда колебаний между вагонами может достигать 5 мм и более. Расчеты показывают, что при этом магнитный поток изменяется в несколько раз. В силовых обмотках генерируется переменная э.д.с., величина которой определяется расчетным путем. Мощность организованного, таким образом, генератора может составить 500 и более ВА. После выпрямления и преобразования, полученная энергия может быть использована для питания систем управления и регулирования дорожного движения. При этом имеет место снижение потерь при передаче энергии к системам управления, повышается надежность и безопасность транспортного железнодорожного сообщения.
Технико-экономические достоинства устройства:
1. Отсутствие подвижных элементов в системе индукторов, что повышает его надежность.
2. Простота конструкции, что обеспечивает его относительно низкую себестоимость.
3. Простота монтажа на колеблющиеся поверхности.
4. Автономность работы.
5. Широкий диапазон применения.
6. Высокий КПД за счет сниженных вихревых токов.