ВИБРАЦИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
VIBRATION POWER GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, а точнее к устройствам для генерирования электрической энергии, использующим энергию возвратно-поступательного, колебательного или вибрационного движения подвижного распределителя магнитного потока относительно системы магнитов и катушек.
Известен преобразователь механической энергии в электрическую, содержащий закрепленную на неподвижном основании замкнутую магнитную цепь и подвижный элемент, установленный на средстве передачи механической энергии [патент WO 9949556, опубл. 30.09.1999]. Магнитная цепь состоит из катушки, намотанной на сердечник, концы которого прикреплены к двум участкам магнитопровода Г-образной формы, выполненным из магнитомягкого ферромагнитного материала и повернутым друг к другу свободными концами. На свободных концах участков магнитопровода закреплены два постоянных магнита, которые ориентированы таким образом, чтобы магнитные потоки выходили из них в противоположных направлениях. В зазор между постоянными магнитами вставлен вкладыш, выполненный из мягкого ферромагнитного материала и замыкающий магнитную цепь. Средство передачи механической энергии состоит из пружинной пластины, один конец которой прикреплен к неподвижному основанию, а другой свободный конец прикреплен к середине подвижного элемента, выполненного в виде дугообразно изогнутого куска ферромагнитного материала. Дугообразный подвижный элемент расположен на внешней стороне магнитной цепи и отделен от него воздушным промежутком с возможностью колебания под воздействием внешнего воздействия в дугообразной выемке магнитопровода относительно двух разделенных вкладышем постоянных магнитов. При отсутствии внешнего воздействия подвижный элемент находится в состоянии равновесия и равноудален от постоянных магнитов, в этот период времени отсутствует изменение магнитного поля и магнитного потока на участках магнитопровода и в сердечнике, а в катушке не индуцируется выходное напряжение. При наличии внешнего воздействия подвижный элемент начинает колебаться относительно постоянных магнитов попеременно замыкая и размыкая магнитную цепь, в результате чего возникает изменяющийся по амплитуде магнитный поток, который индуцирует электрическое напряжение в катушке, величина которого зависит от частоты колебаний подвижного элемента. Недостатками известного преобразователя механической энергии в электрическую энергию являются ограниченная область применения из-за его низкого КПД, малоэффективная работа преобразователя, не обеспечивающая достаточного изменения магнитного потока в магнитной цепи и индуцирования тока в катушке, несовершенная конструкция из-за отсутствия средств регулирования амплитуды колебания подвижного элемента и сглаживания всплесков выходного напряжения, опасность отклонения подвижного элемента от заданной траектории колебательного движения из-за ненадежной кинетической связи между подвижным элементом и магнитопроводом магнитной цепи, сложность в подборе жесткости пружины и массы подвижного элемента.
Также известен генератор электрической энергии, содержащий постоянный магнит, одним концом прикрепленный к пластинчатой пружине, магнитопровод с обмоткой и привод периодического перемещения постоянного магнита [А.С. SU 1653085, опубл. 30.05.1991]. Привод выполнен в виде ферромагнитной зубчатой рейки с шириной выступающих зубцов, равной ширине торца полюса магнита, магнитопровод выполнен с полюсами, расстояние между которыми равно расстоянию между полюсами магнита, а пластинчатая пружина с магнитом выполнена с частотой собственных колебаний, большей частоты перемещения зубцов рейки, причем магнитопровод установлен с зазором между его полюсами и полюсами постоянного магнита большим, чем зазор между выступающим зубцом рейки и полюсом магнита. В пазах между зубцами рейки привода установлены дополнительные обмотки. Известный генератор работает следующим образом. Рейка с зубцами перемещается относительно постоянного магнита. Пластинчатая пружина с магнитом периодически отклоняется от положения равновесия в моменты прохождения выступающих зубцов рейки мимо полюса магнита за счет магнитного взаимодействия, а затем освобождается от него в момент, когда силы упругости пружины превышают силы магнитного взаимодействия, после чего начинаются колебания магнита с собственной частотой, большей частоты перемещения выступов рейки, в результате чего изменяются зазоры между магнитом и магнитопроводами, изменяется магнитное сопротивление этих зазоров, магнитные потоки в магнитной цепи и в катушках индуцируется ЭДС. Соотношение между периодом перемещения выступов и периодом колебания пластинчатой пружины с магнитом устанавливается подбором жесткости пластинчатой пружины, массы магнита и размеров зубцов рейки. Недостатками известного генератора электрической энергии являются маленькая скорость перемещения ферромагнитной зубчатой рейки и частоты колебания подвижного постоянного магнита, замедляющие изменение магнитного потока в магнитопроводе и индуцирование тока в обмотке, несовершенная конструкция из-за отсутствия средств регулирования амплитуды колебания постоянного магнита и сглаживания всплесков выходного напряжения, опасность отклонения подвижного постоянного магнита от заданной траектории колебательного движения из-за отсутствия надежной кинетической связи между подвижным постоянным магнитом и остальными элементами генератора, сложность в подборе жесткости пружины, массы постоянного магнита и размеров зубцов ферромагнитной рейки.
В качестве прототипа принят электромеханический генератор для преобразования энергии механической вибрации в электрическую энергию, содержащий два постоянных магнита с полюсами, замкнутыми на пластинчатый магнитопровод, неподвижную катушку с рабочей обмоткой и подвижное средство изменения магнитного потока в магнитопроводе [патент JP 2008536469, опубл. 04.09.2008]. Постоянные магниты симметрично расположены на продольных сторонах П-образного магнитопровода. Одной из своих поперечных сторон магнитопровод шарнирно прикреплен к основанию генератора с возможностью колебательного движения под воздействием вибрации в вертикальном направлении. Для увеличения амплитуды колебания магнитопровода на его свободной стороне установлен балласт, выполненный из материала с низкой магнитной проницаемостью. Катушка с рабочей обмоткой установлена на шарнирной стороне магнитопровода и прикреплена к основанию генератора таким образом, что при колебательном движении магнитопровода остается в неподвижном положении. На противоположной свободной стороне магнитопровода выполнен поперечный зазор, в котором разомкнутые поверхности магнитопровода имеют противоположные полярности. В зазоре расположено выполненное из материала с высокой магнитной проницаемостью подвижное средство изменения магнитного потока, установленное на основании генератора с возможностью перемещения. Перемещаясь из зазора, а затем обратно возвращаясь в него, кроме изменения магнитного потока в магнитопроводе, подвижное средство также используется для приблизительной настройки резонансной частоты его колебания. При воздействии на основание электромеханического генератора внешнего источника вибрации, его магнитопровод колеблется в вертикальном направлении относительно неподвижной катушки с рабочей обмоткой и средства изменения магнитного потока, расположенного в зазоре магнитопровода, в результате чего изменяется магнитный поток в магнитопроводе, который индуцирует электрический ток в обмотке катушки, возникает электродвижущая сила, которая индуцирует в катушке электрическое напряжение. Недостатками известного электромеханического генератора для преобразования энергии механической вибрации в электрическую энергию являются его несовершенная конструктивная схема из-за отсутствия в схеме генератора приспособления, позволяющего точно отрегулировать рабочую амплитуду колебания магнитопровода и зафиксировать среднее положение его амплитудного смещения относительно средства изменения магнитного потока, и сложности при подборе массы балласта, а также низкая эффективность работы генератора из-за неточной настройки резонансной частоты колебания магнитопровода.
Решаемая техническая задача - совершенствование конструктивной схемы генератора за счет введения в его схему приспособления, позволяющего отрегулировать рабочую амплитуду колебания его подвижных частей и зафиксировать среднее положение их амплитудного смещения, а также повышение эффективности работы генератора за счет точного определения резонансной частоты их колебания.
Указанная техническая задача решается предлагаемым вибрационным генератором электрической энергии, содержащим по меньшей мере один постоянный магнит, полюса которого замкнуты магнитопроводом, рабочую обмотку, подвижное средство изменения магнитного потока в магнитопроводе, при этом рабочая обмотка размещена на магнитопроводе, в котором выполнен поперечный зазор, где расположено подвижное средство изменения магнитного потока с возможностью соединения с вибрационным приводом. Новым является то, что подвижное средство изменения магнитного потока выполнено в виде магнитного шунта, по меньшей мере один из концов магнитопровода в зазоре снабжен наконечником, причем шунт и наконечник выполнены в виде жестких пакетных структур, состоящих из неразъемно соединенных между собой чередующихся магнитопроводных слоев δ и магнитонепроводных слоев t, расположенных параллельно друг другу и перпендикулярно направлению колебательного движения шунта, при этом ребра слоев δ и t образуют плоскости, контактирующие со смежными поверхностями шунта и наконечника магнитопровода, где толщина магнитопроводного слоя δ выполнена меньше рабочей амплитуды S колебания шунта, а толщина магнитонепроводного слоя t выполнена не меньше толщины магнитопроводного слоя δ, изготовленного из магнитомягкого материала с магнитной проницаемостью, превышающей магнитную проницаемость материала магнитопровода. Восприятие вибрационных колебаний происходит лучше, если магнитный шунт будет подпружинен с двух сторон упругими элементами в направлении своего колебательного движения. Шунт может быть снабжен элементами регулирования и фиксации своего среднего положения амплитудного смещения 2S при колебательном движении относительно наконечника, что позволит управлять режимом изменения магнитного потока в магнитопроводе. Целесообразно, если генератор будет выполнен с возможностью регулирования и фиксации шунта в статическом состоянии путем совмещения меток, наносимых при изготовлении, и в динамическом состоянии по максимальному значению выходного напряжения на обмотке. Поочередно расположенные магнитопроводные слои δ и магнитонепроводные слои t в шунте и наконечнике могут совпадать. Предпочтительно, если толщина магнитонепроводного слоя t будет выполнена больше толщины магнитопроводного слоя δ не более, чем в 3 раза, что позволит обеспечить оптимальное изменение магнитного потока в магнитопроводе.
Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показан вид сверху генератора, на фиг.2 показан вид генератора со стороны шунта, на фиг.3 показан продольный локальный разрез магнитного коммутатора в месте контакта шунта с наконечником магнитопровода, на фиг.4 показана схема, поясняющая распределение магнитного потока между шунтом и наконечником магнитопровода.
Предлагаемое изобретение поясняется примером конкретного выполнения. Вибрационный генератор 1 электрической энергии содержит магнитопровод 2, замкнутый на полюса постоянного магнита 3. По обеим сторонам магнита 3 установлена на магнитопроводе 2 двухсекционная рабочая обмотка 4 с выходными контактами 5 (см. фиг.1 и 2). На противоположной стороне магнитопровода 2 выполнен поперечный зазор 6, где на одном конце, расположенном в зазоре, установлен наконечник 7, плотно примыкающий к поверхности магнитопровода 2. Зазор 6 с наконечником 7 охватывает корпус магнитного коммутатора 8, в котором установлен подвижный магнитный шунт 9, предназначенный для изменения магнитного потока в магнитопроводе 2. Магнитный шунт 9 подпружинен с двух сторон в направлении своего колебательного движения упругими элементами 10, выполненными из резиновых прокладок. С обратной стороны упругих элементов 10 расположены с возможностью перестановки упоры 11, выполненные из металлических пластин (см. фиг.3). Перестановка упоров 11 относительно шунта 9 регулируется и фиксируется в неподвижном состоянии регулировочными болтами 12, установленными с обеих сторон корпуса магнитного коммутатора 8, и предназначенными для регулирования рабочей амплитуды S колебания шунта 9 и фиксации среднего положения его амплитудного смещения, составляющего 2S (см. фиг.4). Генератор 1 выполнен с возможностью регулирования и фиксации шунта 9 в статическом состоянии, путем совмещения меток, наносимых при его изготовлении, а также в динамическом состоянии в процессе работы, по максимальному значению выходного напряжения на выходных контактах 5 обмотки 4. Магнитопровод 2 с постоянным магнитом 3 и магнитным коммутатором 8, в котором установлен подвижный шунт 9, образует замкнутую магнитную цепь. Наконечник 7 магнитопровода 2 и шунт 9 выполнены в виде одинаковых жестких пакетных структур, состоящих из неразъемно соединенных при помощи связующего компаунда и чередующихся между собой магнитопроводных слоев δ и магнитонепроводных слоев t, расположенных параллельно друг другу и перпендикулярно направлению колебательного движения шунта 9. Толщина магнитонепроводного слоя t больше толщины магнитопроводного слоя δ не более, чем в 3 раза, и в данном случае толщина магнитопроводного слоя δ может составлять 1 мм, а толщина магнитонепроводного слоя t может составлять 3 мм. Ребра слоев δ и t образуют плоскости, контактирующие со смежными поверхностями шунта 9 и наконечника 7 магнитопровода 2, и между ними выполнены минимально возможные зазоры, предназначенные для беспрепятственного перемещения шунта 9 относительно наконечника 7, при этом поочередно расположенные магнитопроводные слои δ и магнитонепроводные слои t в шунте 9 могут совпадать со слоями δ и t, расположенными в наконечнике 7 магнитопровода 2. Шунт 9 изготовлен в виде задвижки плоского сечения, выполненной за одно целое со штоком 13, выступающим наружу корпуса магнитного коммутатора 8 и жестко присоединенным к источнику механической вибрации с малой амплитудой колебания, направление которого совпадает с направлением перемещения шунта 9. Магнитопровод 2 выполнен из листов электротехнической стали марки Э8. В качестве магнита 3 использован неодимовый NbFeB магнит. Магнитопроводные слои δ выполнены из пластин магнитомягкого феррита марки 1500НМ. Магнитонепроводные слои t и связующий компаунд для неразъемного соединения слоев δ и t выполнены из полиформальдегида.
Вибрационный генератор 1 электрической энергии используют следующим образом. Конструкцию генератора 1 закрепляют на неподвижном основании (не показано). На шток 13 подвижного шунта 9 воздействуют источником механической вибрации с малой амплитудой колебания, под воздействием которого шунт 9 начинает совершать колебательные движения относительно наконечника 7 магнитопровода 2, в результате перемещений магнитного шунта 9 в магнитопроводе 2 возникает изменяющийся по амплитуде магнитный поток, который индуцирует электрическое напряжение в обмотке 4, к выходным контактам 5 которой подключают электрическую нагрузку. Для точной настройки рабочей амплитуды S колебания шунта 9 и фиксации среднего положения его амплитудного смещения 2S используют регулировочные болты 12. В статическом состоянии регулирование выполняют путем совмещения специальных меток, которые наносятся при изготовлении генератора. В динамическом состоянии точную регулировку осуществляют по максимальной величине напряжения на выходных контактах 5 обмотки 4.