Линейный электрогенератор с толкателем-колесом
LINEAR ELECTRIC GENERATOR WITH PUSHER-WHEEL

Изобретение относится к области энергетики, а именно к электроэнергетике, и может быть использовано для преобразования энергии магнитного поля постоянных магнитов в электроэнергию.
Известен (патент RU 2206170, опубл. 10.06.2003) линейный электрогенератор, содержащий корпус из немагнитного материала, внутри которого установлены на валах вращающиеся от приводов в виде шаговых электродвигателей постоянные магниты в виде горизонтальных цилиндров с выпуклостями по сторонам, внутри обмотки статора между указанными вращающимися постоянными магнитами установлен с возможностью перемещения между ними постоянный магнит-ползун в виде прямоугольника с выпуклостями и с подвижными контактами по бокам, на внутренней стороне обмотки статора установлены неподвижные контакты для управления шаговыми электродвигателями приводов указанных постоянных магнитов в зависимости от нахождения постоянного магнита-ползуна, при этом система управления шаговыми электродвигателями приводов вращающихся постоянных магнитов обеспечивает замыкание подвижных контактов с неподвижными контактами при подходе постоянного магнита-ползуна к одной мертвой точке для передачи сигнала на систему управления указанных приводов постоянных магнитов в зависимости от положения постоянного магнита-ползуна для такого поворота постоянных магнитов, чтобы постоянный магнит-ползун устремлялся к другой мертвой точке, при этом наведенная в обмотке статора электродвижущая сила поступает в выпрямитель.
Основным недостатком известного технического решения следует признать его сложность.
C
C
Известен (патент US 5975714, опубл. 02.11.1999) линейный электрогенератор, предназначенный для использования в конструкции переносного фонаря. Его индуктивная катушка имеет одинаковую длину с генерирующим магнитом. Рекомендуемая длина магнита (который набран из нескольких состыкованных дисков) существенно превышает его диаметр. Челночное перемещение магнита в трубчатом канале ограничивают закрепленные по его торцам винтовые пружины, свободные концы которых весьма далеко отстоят от катушки. Ввиду указанных геометрических характеристик электрогенератор имеет большой осевой габарит и соответствующую массу. И наоборот, его энергетическая эффективность мала, что объясняется прежде всего малой толщиной катушки D/d=1,42. В дополнение к этому из-за чрезмерно длинных участков канала за пределами катушки генерирующий магнит приходится перемещать на большое расстояние, что занимает время, снижая частоту получаемых электрических импульсов.
Недостатком известной конструкции следует признать то, что при ручном манипулировании устройством столь больших габаритов и массы (учитывая, что оно является частью портативного фонаря) трудно обеспечить высокую скорость прохождения магнита через катушку. В конечном счете известный линейный электрогенератор представляет собой громоздкое, тяжелое и неэффективное устройство, которое мало пригодно для практического применения.
Известен (патент RU 2304341, опубл. 10.08.2007) линейный электрический генератор, имеющий в составе корпус, установленную в нем электромагнитную систему с одной или несколькими, расположенными в ряд, кольцевыми индуктивными катушками, с цилиндрическим генерирующим магнитом, установленным с возможностью челночного перемещения внутри соосного катушке канала между ограничительными элементами на его концах, выходящих за пределы катушки.
Недостатком данной конструкции является низкая эффективность преобразования колебательной энергии в электроэнергию, что объясняется малыми амплитудами и частотами при встряске генератора рукой при ходьбе, а, следовательно, малыми линейными скоростями перемещений подвижного элемента относительно статора. Очевидно, что амплитуда наводимой в обмотке э.д.с. при раскачивании генератора за счет низкой частоты предельно мала, что обуславливает низкую эффективность использования данного генератора.
Известен (патент RU 134369, опубл. 10.11.2013) также линейный генератор на постоянных магнитах, имеющий в своем составе корпус, установленную в нем электромагнитную систему, состоящую из постоянного магнита, выполненного в цилиндрической форме и совершающего возвратно-поступательные движения, и магнитопровода, который является неподвижной частью линейного генератора.
Корпус линейного генератора изготовлен из немагнитного материала, на концах магнитопровода установлены полюсные наконечники, а постоянный магнит закреплен на штоке, который приводится в движение мембранами термоакустического двигателя. Эффективность достигается за счет увеличения частоты и уменьшения периода колебаний. Использование линейного генератора в составе с первичным двигателем, которым в данном случае является термоакустический двигатель, частота которого является постоянной, позволяет обеспечить частоту напряжения 50 Гц. Эффективность достигается также тем, что колебания штока, на котором закреплена магнитная система, используется в обоих направлениях, тем самым уменьшая габариты по отношению к вырабатываемой мощности.
Главным недостатком такого линейного генератора является потеря автономности применения, т.к. использование в его составе термоакустического двигателя не позволяет его функционирование, применяя только мускульные усилия.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства можно признать (патент RU 82957, опубл. 10.05.2009) линейный электрический генератор, содержащий корпус, смонтированную в нем электромагнитную систему из трех каркасов с кольцевыми индуктивными катушками, три генерирующих магнитных сердечника, на осях которых размещены, как минимум, по два кольцевых постоянных магнита с осевой намагниченностью одноименными полюсами навстречу друг другу. Генерирующие магнитные сердечники установлены с возможностью возвратно-поступательного движения внутри каркасов с кольцевыми индуктивными катушками, расположенными над зазорами между полюсами кольцевых постоянных магнитов. Каркасы с кольцевыми индуктивными катушками расположены в корпусе в один ряд, а оси генерирующих магнитных сердечников связаны с приводом посредством шатунов и общего коленвала, колена которого находятся под углом 120° друг к другу.
Недостатком прототипа является незначительная выходная мощность при использовании его с ручным приводом.
Техническая задача, решаемая посредством разработанного устройства, состоит в усовершенствовании конструкции устройств этого типа.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного устройства, состоит в увеличении мощности линейного электрогенератора при использовании его с ручным приводом.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать линейный электрогенератор с толкателем-колесом разработанной конструкции. Разработанное устройство содержит диамагнитный корпус, в котором расположены как минимум три каркаса из немагнитного материала с расположенными в них в ряд, кольцевыми индуктивными катушками, три генерирующих магнитных сердечника с осями из немагнитного материала с закрепленными на них как минимум двумя кольцевыми постоянными магнитами с осевой намагниченностью и установленные одноименными полюсами навстречу друг другу с возможностью челночного перемещения сердечников внутри каркасов с кольцевыми индуктивными катушками между опорными элементами и общий для всех генерирующих магнитных сердечников кривошипно-шатунный механизм, причем в качестве механизма, обеспечивающего челночное перемещение магнитных генерирующих сердечников, использовано массивное толкатель-колесо, закрепленное на штанге, которая, в свою очередь, закреплена на вертикальной оси с использованием подшипникового узла, дающего штанге степень свободы перемещения в вертикальной плоскости, кроме того, на штанге с использованием опор, с установленными в них подшипниковыми узлами, закреплен маховик, который взаимодействует с толкателем-колесом с использованием первого повышающего редуктора, при этом приводная шестерня редуктора закреплена непосредственно на боковой поверхности толкателя-колеса, а вертикальная ось установлена в корпусе с использованием подшипниковых узлов, закрепленных на корпусе и связана с ручным приводом кинематически с использованием второго повышающего редуктора или цепной передачи.
Кроме того, в устройстве обычно количество генерирующих магнитных сердечников кратно двум, причем их каркасы с кольцевыми индуктивными катушками расположены в корпусе вертикально, а оси генерирующих магнитных сердечников связаны попарно с использованием V- образного коромысла, на которое они опираются нижним концом, а верхний конец осей упирается каждый в свою плоскую пружину, которая одним концом крепится к корпусу, причем V-образные коромысла закреплены на горизонтальных осях в нижней части корпуса и имеют амортизаторы под пяткой каждого из плеч коромысла, а крышка корпуса, в котором установлены каркасы генерирующих магнитных сердечников представляет из себя плоскую поверхность с отверстиями для обеспечения челночного движения осей генерирующих магнитных сердечников, а количество отверстий соответствует количеству осей.
Конструкция разработанного устройства приведена на фиг. 1 и 2. Линейный электрогенератор содержит в своем составе корпус 1, как минимум три каркаса 2 из немагнитного материала с расположенными в них в ряд кольцевыми индуктивными катушками 3, три генерирующих магнитных сердечника с осями 4 из немагнитного материала с закрепленными на них, как минимум, двумя кольцевыми постоянными магнитами 5 с осевой намагниченностью и одноименными полюсами, обращенными навстречу друг другу, установленными с возможностью челночного перемещения сердечников внутри каркасов с кольцевыми индуктивными катушками между опорными элементами, и общий для всех генерирующих магнитных сердечников кривошипно-шатунный механизм. В качестве механизма, обеспечивающего челночное перемещение магнитных генерирующих сердечников, использовано массивное толкатель-колесо 6, закрепленное на штанге 7, которая, в свою очередь, закреплена на вертикальной оси 8 с использованием подшипникового узла 9, дающего штанге степень свободы (свободное перемещение) в вертикальной плоскости, кроме того, на штанге с использованием опор 10 с установленными в них подшипниковыми узлами 11 закреплен маховик 12, который связан с толкателем-колесом посредством повышающего редуктора 13, причем приводная шестерня 14 редуктора закреплена непосредственно на боковой поверхности толкателя-колеса. Вертикальная ось установлена в корпусе с использованием подшипниковых узлов 15 и связана с ручным приводом 16 кинематически посредством повышающего редуктора 17 или цепной передачи. Кроме того, количество генерирующих магнитных сердечников в предлагаемом устройстве кратно двум, причем их каркасы с кольцевыми индуктивными катушками расположены в корпусе вертикально, а оси генерирующих магнитных сердечников связаны попарно посредством V-образного коромысла 18, на которое они опираются нижним концом, а верхний конец осей упирается каждый в свою плоскую пружину 19, которая одним концом крепится к корпусу. V-образные коромысла закреплены на горизонтальных осях 20 в нижней части корпуса и имеют амортизаторы 21 под пяткой каждого из плеч коромысла. Крышка корпуса, в котором установлены каркасы генерирующих магнитных сердечников, представляет собой плоскую поверхность с отверстиями 22 для обеспечения челночного движения осей генерирующих магнитных сердечников, а количество отверстий соответствует количеству осей. Ручной привод представляет собой рычаг с рукояткой.
Устройство работает следующим образом. При вращении рукоятки ручного привода крутящий момент поступает через повышающий редуктор или цепную передачу на вертикальную ось, и она начинает вращаться. При этом приходит во вращение штанга, на которой закреплено толкатель-колесо, и оно начинает катиться по плоской поверхности корпуса. Вращение толкателя-колеса через повышающий редуктор передается маховику, причем направление вращения у маховика и толкателя-колеса одинаковы. Толкатель-колесо, катясь по окружности вокруг вертикальной оси, по очереди наезжает на плоские пружины, расположенные на поверхности корпуса устройства, и через них передает усилие на оси генерирующих магнитных сердечников. При этом, наезжая на первую парную ось, толкатель-колесо сообщает ей движение вниз, которое через V-образное коромысло приводит к движению второй парной оси вверх. Челночные перемещения осей приводят к перемещению закрепленных на них постоянных магнитов внутри индуктивных катушек, что и приводит к выработке электроэнергии.
Технический результат в предлагаемом устройстве достигается вследствие того, что усилие, передаваемое толкателем-колесом на оси генерирующих магнитных сердечников, а следовательно, и выходная мощность всего линейного электрогенератора, будет зависеть не только от веса подвижных частей, вращающихся вокруг вертикальной оси, но и от гироскопического момента, развиваемого толкателем-колесом и маховиком.
Любое вращающееся твердое тело представляет из себя механический гироскоп, соответственно толкатель-колесо и маховик - тоже. Использование механического гироскопа для создания дополнительного усилия давно известно и применяется в различных областях техники, например, в дробильных мельницах [Гироскоп. Теория и применение. К. Магнус. Перевод с немецкого. / Под ред. Г.Д. Блюмина. - М.: Мир, 1974]. В них также дробильный камень, вращаясь вокруг вертикальной оси и, соответственно, вокруг собственной оси, давит на основание не только собственным весом, но и усилием, развиваемым за счет гироскопического момента.
Гироскопический момент всегда направлен так, чтобы по кратчайшему пути совместить вектор угловой скорости собственного вращения гироскопа с вектором угловой скорости его переносного (внешнего) вращения. Следовательно, если толкатель-колесо и маховик вращаются против часовой стрелки, а штанга вокруг вертикальной оси, по часовой стрелке, то гироскопический момент обеспечивает дополнительное давление на поверхность корпуса устройства и определяется по формуле [Гироскопические системы. Теория гироскопов и гиростабилизаторов. Д.С. Пельпор. – М.: Высшая школа, 1986]
,
где Мг - гироскопический момент, н*м;
2
Jтк - момент инерции толкателя-колеса, н*м*с;
Wтк - угловая скорость вращения толкателя-колеса, 1/с;
2
Jм - момент инерции маховика, н*м*с;
Wм - угловая скорость вращения маховика, 1/с;
Wш - угловая скорость вращения штанги, 1/с.
Учитывая, что [1]
,
где R - длина штанги, м;
Wш - угловая скорость вращения штанги, 1/с;
r - радиус толкателя-колеса, м;
Wтк - угловая скорость толкателя-колеса, 1/с, а
,
где Wм- угловая скорость вращения маховика, 1/с;
Wтк- угловая скорость вращения толкателя-колеса, 1/с;
n - передаточное отношение редуктора,
будем иметь окончательную формулу для гироскопического момента
,
где Мг - гироскопический момент, н*м;
2
Jтк - момент инерции толкателя-колеса, н*м*с;
2
Jм - момент инерции маховика, н*м*с;
n - передаточное отношение редуктора;
R - длина штанги, м;
r - радиус толкателя-колеса, м;
Wш - угловая скорость вращения штанги, 1/с.
Гироскопический момент можно представить как момент силы нормального давления Р на плече R [Гироскоп. Теория и применение. К. Магнус. Перевод с немецкого. / Под ред. Г.Д.Блюмина. – М.: Мир, 1974]
,
где Мг - гироскопический момент, н*м;
Р - сила нормального давления, н;
R - длина штанги, м.
Так как гироскопический момент зависит от квадрата угловой скорости вращения штанги, то, увеличивая эту скорость, можно достичь значительного увеличения силы нормального давления и, как следствие, увеличения выходной мощности устройства.
Мощность, которую можно получить на данном устройстве, ограничена мускульными усилиями, которые может развить человек. Поэтому вместо ручного привода в приведенном выше линейном электрогенераторе может использоваться любой другой привод, создающий требуемую величину крутящего момента. Это может быть, например, педальный привод, использующий мускульные усилия ног, привод от ветро- или гидроколеса, двигатель, работающий на любом виде топлива. В этом случае выходная мощность линейного электрогенератора будет больше, чем при использовании ручного привода.
Реализация линейного электрогенератора с толкателем-колесом на современном уровне развития техники вполне возможна, так как кольцевые постоянные магниты выпускаются серийно в большой номенклатуре мощностей, толкатель-колесо и маховик представляют из себя цилиндрические тела, выточенные из любого подходящего металла. Угловые скорости вращения в данном устройстве невелики, поэтому подобрать необходимые редукторы и подшипники тоже не составит большого труда.