СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ КОЛЕБАНИИ РЕЛЬСОВ
METHOD OF ELECTRIC POWER GENERATION FROM VIBRATION OF RAILS

Изобретение относится к способам получения электрической энергии при колебании рельсов во время движения железнодорожных составов и может быть использовано для систем управления поездами.
Известен способ получения электрической энергии при колебании механических устройств, состоящий из магнитной системы с электрическими обмотками и подвижного якоря, описанный в патенте (RU 2368056 C1, 20.09.09).
Недостаток известного способа заключается в том, что подобный генератор не может быть впрямую использован для получения электрической энергии при колебании рельсов.
Более близким и принятым за прототип является способ получения электрической энергии при колебании рельсов во время движения подвижных составов. Способ заключается в преобразовании механического давления на рельсы в разность электрических потенциалов, которые передаются на приемник электрической энергии, описанный, например, в патенте (RU 2095265, 10.11.97).
Известный способ характеризуется тем, что он приспособлен для использования на железных дорогах и позволяет преобразовывать в электрическую энергию изменение давления на рельсы при прохождении подвижных составов.
Недостаток известного способа заключается в том, что в качестве генератора разности электрических потенциалов используется пьезоэлектрический эффект, энергия, выделяемая которым, незначительна. Способ может быть применен только для формирования датчиков передвижения.
Как известно, современное движение рельсовых подвижных составов не может обходиться без управления, для которого требуется электрическая энергия. Из-за большой протяженности транспортных сообщений для подачи питания на управляющие устройства требуются дополнительные провода, протяженность которых может в несколько раз превышать длину железных дорог. При этом в проводах имеют место значительные потери энергии.
Задачей изобретения является создание способа прямого преобразования колебательного движения рельсов при движении железнодорожных составов в электрическую энергию.
Технический результат изобретения заключается в получении достаточной величины напряжения, которое можно использовать для организации и управления движением железнодорожных транспортных средств, например питать светофоры, систему СЦБ и т.д. Дополнительным результатом изобретения является повышение КПД преобразования.
Технический результат достигается за счет того, что в способе получения электрической энергии при колебании рельсов формируют замкнутую магнитную цепь, состоящую из двух участков, первый из которых является частью рельсы, совершающей вертикальные колебания при прохождении колес подвижного состава, вторую часть располагают неподвижно, между первой и второй частями магнитной цепи выполняют зазоры, изменяющиеся при давлении на рельсу, и изменение магнитного поля в указанной замкнутой магнитной цепи используют для генерирования электромагнитной индукции.
В варианте технического решения в качестве первого участка магнитной цепи используют нижнюю часть головки рельсы.
В варианте технического решения в качестве первого участка магнитной цепи используют верхнюю часть подошвы рельсы.
Предложенный способ позволяет получать в приемнике (электромагнитной катушке, намотанной на сердечник) знакопеременные импульсы ЭДС, которые после выпрямления и последующего преобразования используют как электрическую энергию. При этом конструкция устройства, выполненного по данному способу, предельно проста и не содержит каких-либо подвижных кинематических звеньев.
Заявленное изобретение иллюстрируется 3-мя фигурами.
На фиг.1 представлена принципиальная конструкция устройства, реализующего данный способ, в которой в качестве первого участка магнитной цепи используется нижняя поверхность головки рельсы.
На фиг.2 показана деталь магнитной цепи.
На фиг.3 изображена магнитная система, где в качестве участка магнитной цепи используется верхняя часть подошвы рельсы.
Устройство, реализующее способ получения электрической энергии при колебании рельсов, выполнено следующим образом. Замкнутая магнитная цепь состоит из двух участков. Первый участок является нижней частью головки 1 рельсы (фиг.1, 2), т.е. состоит из материала рельсы. Второй П-образный участок - магнитопровод 2 выполнен из электротехнической стали и его прямолинейная часть расположена вдоль рельсы. Первый и второй участки магнитной цепи разделены двумя зазорами 3, расположенными между поверхностью головки рельсы и ветвями 4 П-образного магнитопровода 2. Величина зазоров выбрана с таким расчетом, чтобы при максимальном изгибе рельсы под давлением проходящего колеса состава зазоры сохранялись на минимальном уровне. В свою очередь, магнитопровод 2 имеет вставку из постоянного магнита (не показан) и содержит генерирующую электрическую обмотку 5. Ветви 4 П-образного магнитопровода изогнуты в сторону шейки рельсы под некоторым углом с таким расчетом, чтобы поверхности зазоров, образованных между ветвями 4 и поверхностью головки рельсы 1, были параллельны друг другу. П-образный магнитопровод 2 установлен на двух пластинах 6. Пластины 6 жестко прикреплены к стержню 7, вбитому в полотно 8 железной дороги. Пластины 6 обладают некоторой упругостью и допускают небольшое смещение по отношению к поверхности дорожного полотна 8.
В варианте технического решения в качестве первого участка магнитной цепи используют верхнюю часть подошвы 9 рельсы 1 (фиг.3), также совершающей вертикальные колебания при прохождении колес подвижного состава. Вторую часть магнитной цепи - магнитопровод 2 устанавливают неподвижно, и его прямолинейная часть расположена вдоль рельсы. Между первой 9 и второй 2 частями магнитной цепи выполняют зазоры 3. Второй П-образный участок 2 магнитопровода также выполнен из электротехнической стали и содержит вставку из постоянного магнита (не показан) и электрическую обмотку 5. Первый и второй участки магнитной цепи разделены двумя зазорами 3, расположенными между верхней поверхностью подошвы 9 рельсы и ветвями 4 П-образного магнитопровода 2. Величина зазоров выбрана с таким расчетом, чтобы при отсутствии изгиба рельсы под давлением проходящего колеса состава зазоры сохранялись на минимальном уровне. Ветви 4 П-образного магнитопровода 2 изогнуты в сторону рельсы под некоторым углом с таким расчетом, чтобы поверхности зазоров, образованных между ветвями 4 и поверхностью подошвы 9 рельсы 1, были параллельны друг другу. П-образный магнитопровод 2 установлен на двух пластинах 6. Пластины 6 жестко прикреплены к стержню 7, вбитому в полотно 8 железной дороги. Пластины 6 обладают некоторой упругостью и допускают небольшое смещение по отношению к поверхности дорожного полотна 8.
Способ получения электрической энергии при колебании рельсов действует следующим образом. Во время движения железнодорожных составов рельсы в результате статического и динамического воздействия колес совершают вертикальные колебания. Во время этих колебаний зазоры 3 между первым участком магнитной цепи 1 или 9, которыми является часть рельсы, и магнитопроводом 2 изменяются. Если первым участком магнитной цепи является головка рельсы 1, то при нажатии на рельс, эти зазоры уменьшается. Если первым участком магнитной цепи является подошва рельсы 9, то зазоры увеличивается. В любом случае изменение зазоров сопровождается колебаниями магнитного напряжения вдоль всей магнитной цепи. В результате этих циклов в магнитопроводе 1 происходит периодическое изменение магнитного потока, которое приводит к появлению эдс в генерирующей обмотке 5. При изменении магнитного поля Ф в обмотке 4, согласно закону Максвелла, будет генерироваться э.д.с. в соответствии с формулой:
e=-w·dФ/dt,
где w - число витков обмотки 5, dФ/dt - изменение магнитного поля. Полученную таким образом э.д.с., можно использовать для источника электрической энергии.
Особенность способа состоит в том, что в системе генерации электроэнергии отсутствуют подвижные кинематические звенья, что способствует высокому КПД системы и высокой ее надежности.
Практика показывает, что при прохождении подвижного состава изгиб рельс составляет 3-6 мм и зависит от скорости движения поезда, и его веса. Расчеты показывают, что при этом магнитный поток изменяется в 5-7 раз. В обмотке 5 генерируется переменная э.д.с., величина которой выбирается расчетным путем на основании соотношений числа витков, сечения магнитопровода и величины зазоров и стационарного магнитного потока. Мощность организованного таким образом только одного генератора может составлять 100 ВА и более. После выпрямления и преобразования полученная энергия используется 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.