УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ КОЛЕБАНИИ РЕЛЬСОВ
DEVICE TO GENERATE ELECTRIC POWER FROM RAIL VIBRATION

Изобретение относится к устройствам для получения электрической энергии при колебании рельсов во время движения железнодорожных составов и может быть использовано для систем управления поездами.
Известно устройство для получения электрической энергии при колебании механических систем, состоящее из магнитной системы с электрическими обмотками и подвижного якоря, описанное в патенте (RU 2368056 С1, 20.09.09).
Недостаток известного устройства 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 устройство для получения электрической энергии при колебании рельсов во время движения подвижных составов, и описанное, например, в патенте (RU 2095265, 10.11.97). Устройство преобразует механическое давление на рельсы в разность электрических потенциалов, которые передаются на приемник электрической энергии.
Известное устройство характеризуется тем, что оно приспособлено для использования на железных дорогах и позволяет преобразовывать изменение давления на рельсы при прохождении подвижных составов в электрические потенциалы.
Недостаток известного устройства заключается в том, что в качестве генератора разности электрических потенциалов используется пьезоэлектрический эффект, энергия, выделяемая которым незначительна. Устройство может быть применено только для формирования датчиков передвижения.
Как известно, 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 устройства для прямого преобразования колебательного движения рельс при движении железнодорожных составов в электрическую энергию.
Технический результат заключается в получении напряжения достаточной величины, которое можно использовать для организации и управления движением железнодорожных транспортных средств, например, питать светофоры, систему СЦБ и т.д. Дополнительным техническим результатом является повышение КПД преобразования и повышение надежности устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для получения электрической энергии при колебании рельсов, содержащем источник колебаний - рельсы, генератор, преобразующий колебаний в электрические импульсы, и приемник электрической энергии, согласно изобретению, генератор импульсов выполнен в виде разветвленной магнитной цепи, состоящей из трех участков, два первых участка являются частями рельса, совершающего вертикальные колебания при прохождении колес подвижного состава, третий участок магнитной цепи расположен неподвижно и выполнен в виде H-образного магнитопровода, с поперечиной и верхними и нижними ветвями, поперечина магнитопровода расположена вдоль рельса, верхние ветви имеют зазоры по отношению к нижней поверхности головки рельса, нижние ветви магнитопровода расположены с зазором по отношению к подошве рельса, поперечина и ветви магнитопровода снабжены электрическими обмотками, обмотки ветвей подключены к приемнику электрической энергии через выпрямитель и полупроводниковый диод, обмотка поперечины подключена к выходу указанного выпрямителя.
В варианте технического решения обмотка поперечины включена параллельно выпрямителю.
В варианте технического решения обмотка поперечины выполнена из провода большого сечения и соединена последовательно с плюсом выпрямителя и анодом полупроводникового диода.
Предложенное устройство позволяет получать в приемнике (электромагнитных обмотках, намотанных на ветви магнитопровода) знакопеременные импульсы ЭДС, которые после выпрямления и последующего преобразования используют как электрическую энергию. При этом конструкция устройства предельно проста и не содержит каких-либо подвижных кинематических звеньев.
Заявленное изобретение иллюстрируется 4 фигурами.
На фиг.1 представлена принципиальная конструкция устройства.
На фиг.2 показан H-образный магнитопровод.
На фиг.3 изображена схема соединений обмоток магнитопровода.
На фиг.4 дан фрагмент схемы соединения обмотки поперечины, включенной последовательно с плюсом выпрямителя и анодом диода, соединяющего выход выпрямителя и приемника электроэнергии.
Устройство для получения электрической энергии при колебании рельсов выполнено следующим образом. Разветвленная магнитная цепь состоит из трех участков. Первый и второй участки магнитной цепи является частью рельса, совершающего вертикальные колебания при прохождении колес подвижного состава. В качестве первого участка используется нижняя поверхность головки 1 (фиг.1) рельса 2. В качестве второго участка магнитной цепи используют верхнюю поверхность подошвы 3 рельса. Третий участок магнитной цепи располагают неподвижно и выполняют в виде H-образного магнитопровода 4 (фиг.1, 2) с поперечиной 5 и верхними 6 и нижними 7 ветвями. Магнитопровод 2 выполнен из электротехнической стали. Верхние ветви 6 магнитопровода 4 расположены вдоль рельса 2 с зазором 8 по отношению к нижней поверхности головки 1 рельса 2. Нижние ветви 7 магнитопровода 4 расположены с зазором 9 по отношению к верхней поверхности подошвы 3. Величина верхнего зазора должна быть такова, чтобы при максимальном прогибе рельса этот зазор достигал минимального значения. Величина зазора 9 может иметь минимальное значение и в принципе, при отсутствии прогиба рельса, она может равняться нулю. Ветви магнитопровода несколько наклонены в сторону шейки рельса. Это сделано для того, чтобы увеличить пространство для установки электрических обмоток. Впрочем, такой наклон не обязателен. Магнитопровод 4 установлен на двух пластинах 10, которые крепятся к магнитопроводу с помощью боковин 11. Пластины 10 жестко прикреплены к стержню 12, вбитому в полотно 13 железной дороги. Пластины 10 обладают некоторой упругостью и допускают небольшое смещение по отношению к поверхности дорожного полотна. 13.
Поперечина 5 снабжена обмоткой намагничивания 14 (фиг.2, 3). В свою очередь верхние ветви 6 имеют силовые обмотки 15. Нижние ветви 7 имеют силовые обмотки 16. Все силовые обмотки могут быть соединены последовательно, или параллельно, или попарно последовательно. Особенность соединения определяется требуемым напряжением на выходе. При соединении обмоток необходимо соблюдать полярность с таким расчетом, чтобы обеспечить сложение напряжений, генерируемых обмотками. Выходы силовых обмоток подключены к приемнику электрической энергии - аккумулятору 17 через выпрямитель 18 и полупроводниковый диод 19. Намагничивающая обмотка 14 поперечины подключена к выходу выпрямителя 18.
В варианте технического решения обмотка 14 поперечины выполнена из провода большого сечения и соединена последовательно с плюсом выпрямителя 18 и анодом полупроводникового диода 19 (фиг.4).
Намагничивающая обмотка возбуждения 14 может быть снабжена обратным диодом 20.
Устройство для 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 8 и 9 между первым участком магнитной цепи 1 и вторым участком магнитной цепи и ветвями магнитопровода соответственно 6 и 7 изменяются. Между первым участком магнитной цепи - головкой рельса 1 и ветвями магнитопровода при нажатии на рельс зазоры 8 уменьшаются. Если участком магнитной цепи является подошва рельса 9, то зазоры 9 увеличиваются. Предполагается, что в магнитопроводе имеется остаточный магнитный поток, сохранившийся от предварительного намагничивания магнитопровода. В любом случае изменение зазоров сопровождается колебаниями магнитного напряжения вдоль всех магнитных цепей. В результате этих циклов в ветвях магнитопровода 1 происходит периодическое изменение магнитного потока Ф. При нажатии на рельс в верхних ветвях 6 магнитопровода 4 магнитный поток увеличивается, а в нижних ветвях 7 поток уменьшается. Эти изменения потоков приводят к появлению ЭДС е в генерирующих силовых обмотках 15 и 16. При изменении магнитного поля Ф в обмотках, согласно закону Максвелла, будет генерироваться ЭДС в соответствии с формулой
e=-w×dФ/dt,
где w - число витков обмотки 5, dФ/dt - изменение магнитного поля.
После выпрямления в выпрямителе 18 постоянный ток поступает и в намагничивающую обмотку 14, в результате чего ее поток намагничивания усиливается. Растет напряжение и на выходе выпрямителя. Полученную таким образом ЭДС можно использовать как источник электрической энергии, которая поступает в аккумулятор 17 и в дальнейшем используется для нужд железной дороги.
При последовательном соединении намагничивающей обмотки 14 эффект будет аналогичен, с той разницей, что обмотка последовательного возбуждения может обеспечить больший поток намагничивания.
Особенность устройства 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 рельсов составляет 3-6 мм и зависит от скорости движения поезда, и его веса. Расчеты показывают, что при этом магнитный поток изменяется в несколько раз. В силовых обмотках генерируется переменная ЭДС, величина которой выбирается расчетным путем. Мощность организованного таким образом одного генератора может составить более 100 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.