ВИБРАЦИОННЫЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к электромагнитным генераторам инерционного действия, которые служат автономными источниками питания микросхем автономных объектов.
Известен линейный генератор (RU №2020699, H02K 35/02, 1991 г.), содержащий немагнитный корпус, в котором размещены два неподвижных магнита и один подвижный, который обращен одноименными полюсами к неподвижным. На боковой поверхности корпуса размещена обмотка. Подвижный магнит выполнен с полусферическими торцами, а его протяженность составляет 1,3-1,6 его диаметра, что позволяет повысить величину вырабатываемых электрических импульсов.
Недостатками данного генератора являются ограниченные функциональные возможности и малая удельная мощность.
Известен так же магнитоэлектрический трехмерный генератор (RU №78991, H02K 35/02, 2008 г.), содержащий корпус, индукционную систему из подвижной и неподвижной частей, причем в корпусе установлен вертикально перемещаемый на упругих подвесках каркас, в котором размещены две индукционные системы, воспринимающие внешние механические импульсы по осям X и Y соответственно, каждая система состоит из качающейся на параллелограммных подвесках платформы с постоянными магнитами и неподвижной катушки индуктивности, а третья индукционная система, воспринимающая внешние механические импульсы по вертикальной оси Z, состоит из постоянных магнитов, закрепленных на каркасе, и катушки, неподвижно установленной внизу корпуса.
Недостатками данного генератора являются сложность конструкции и малая удельная мощность.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели относится генератор (RU №2402142, H02K 35/02, 2009 г.) содержащий корпус, индукционную систему из подвижной и неподвижной частей. Подвижная часть выполнена в виде двухполюсных постоянных магнитов, закрепленных на упругих стержнях. Неподвижная часть состоит из катушек, размещенных по периметру корпуса.
Выходная электрическая мощность прототипа, относящегося к линейным колебательным системам, максимальна при частоте возмущения, близкой к резонансной, и малом коэффициенте демпфирования. Осуществление резонансного режима связано со следующими трудностями. При резонансе амплитуда колебаний велика и для ее ограничения необходимо увеличение коэффициента демпфирования колебательной системы, что существенно снижает выходную мощность [Mitcheson P.D. et al. Architectures for vibration-driven micropower generators // Microelectromechanical Syst. J. 2004. Vol. 13, №3. P. 429-440.]. Кроме того, при относительно малой расстройки частоты внешней вибрации от резонансной также происходит существенное уменьшение выходной мощности [Mitcheson P.D. et al. Architectures for vibration-driven micropower generators // Microelectromechanical Syst. J. 2004. Vol. 13, №3. P. 429-440.]. Таким образом, недостатками прототипа являются относительно малая удельная мощность и узкий рабочий диапазон частот.
Задача полезной модели - улучшение удельных показателей и расширение функциональных возможностей за счет применения ограничителей размаха колебаний.
Технический результат - расширение рабочего диапазона частот за счет применения ограничителей размаха колебаний, а соответственно увеличение удельной мощности.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в колебательном электрическом генераторе, содержащем корпус, индукционную систему из подвижной и неподвижной частей, подвижная часть выполнена в виде двухполюсных постоянных магнитов, закрепленных на упругих стержнях, а неподвижная часть состоит из электромагнитных катушек, размещенных по периметру корпуса, согласно полезной модели, каждый упругий стержень снабжен двухсторонним ограничителем размаха его колебаний.
Сущность устройства колебательного электрического генератора поясняется чертежом, на котором показана схема расположения корпуса, подвижной части, обмоток.
Колебательный электрический генератор содержит корпус 1, на котором закреплена подвижная часть 2, которая представляет собой постоянные магниты, жестко закрепленные на упругих стержнях, которые выполнены, например, из пружинной стали. По периметру корпуса 1 на немагнитных каркасах расположены электромагнитные катушки 3. У каждого упругого стержня расположены двухсторонние ограничители размаха колебаний 4.
Колебательный электрический генератор работает следующим образом. Постоянные магниты, жестко закрепленные на упругих стержнях, представляют собой механическую колебательную систему с малым трением. При этом жесткость стержней достаточна, чтобы не допустить «провисания» постоянных магнитов относительно электромагнитных катушек. При возникновении внешних возмущений любого направления (например, удар, толчок, вибрации) происходит отклонение подвижной части 2 от положения равновесия, т.е. в механической системе возникают свободные или вынужденные колебания, причем направление и амплитуда которых зависит от внешнего возмущающего воздействия. По закону электромагнитной индукции в электромагнитных катушках 3 наводится ЭДС, величина, которой зависит от скорости движения подвижной части 2, числа витков в электромагнитных катушках 3 и магнитного потока, пронизывающего катушку. Выводы от электромагнитных катушек 3 через выпрямитель (на чертеже не показан) подключены к зарядному конденсатору (на чертеже не показан), с которого снимается напряжение для питания электрической схемы.
При внешней гармонической вибрации, в зависимости от ее частоты и интенсивности, возможны следующие режимы:
- малые гармонические колебания в пределах размаха, допускаемого ограничителями размаха колебаний;
- виброударные колебания с максимальным размахом, допускаемым ограничителем размаха колебаний.
В последнем случае, за счет периодических ударов достигаются режимы с большей средней скоростью при ограниченной амплитуде [Бабицкий В.И. Теория виброударных систем. Москва: Наука, 1978. 352 с], что позволяет получить резонансные режимы без увеличения коэффициента демпфирования, а, следовательно, с максимальной выходной мощностью. Кроме того, расширяется рабочий диапазон частот, который определяется частотами наступления и срыва виброударного колебания.
Таким образом, колебательный электрический генератор обеспечивает преобразование энергии возмущений и вибрации внешней среды любого направления в электрическую энергию при уменьшении габаритов, массы генератора, увеличении удельной мощности и расширение функциональных возможностей, в широком рабочем диапазоне частот, за счет применения ограничителей размаха колебаний.