МАЛОГАБАРИТНЫЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ ФОНАРЬ Российский патент 1994 года по МПК F21L7/00 

Изобретение относится к светотехнике, в частности к переносным световым устройствам со встроенным генератором.

Известны электродинамические фонари, в которых генератор, состоящий из ротора и статора, монтируется внутри корпуса и имеется устройство передачи внешнего механического движения ротору, состоящее из колес разного диаметра [1].

Яркость свечения таких фонарей пропорциональна магнитному потоку, проходящему через воздушные зазоры между ротором и статором
Φ=B˙S,
где В - индукция в воздушном зазоре;
S - площадь зазора. Площадь воздушного зазора определяется габаритами фонаря, которые, например, для ручного фонаря должны быть соразмерны с площадью ладони и длиной пальцев.

Для удобства работы с фонарем при его надежном удержании в руке фонарь лучше выполнять в форме, близкой к форме параллелепипеда, сторона которого, прилежащая к ладони, больше стороны, перпендикулярной ладони.

Для конструкции фонаря, где ротор охватывает статор [2], площадь S воздушного зазора
S = K₁ ˙ K₂ ˙ R_л ˙ Н_л, где R - радиус ладони;
Н_л - размер фонаря в направлении, перпендикулярном ладони;
К₁, К₂ - коэффициенты пропорциональности.

При передаче движения пальцев ротору через подвижное устройство и колесо должно располагаться параллельно ладони, что еще в большей степени (в К₃ раз) ограничивает размер Н_л и, следовательно, площадь S воздушного зазора, учитывая Н_л ˙ К₄ ˙ R_л:
S = K₁˙ K_2˙ K₃ ˙ K₄ ˙ R_л², причем каждый из коэффициентов К₂, К₃ и К₄ меньше 1. Но поскольку для продолжительности свечения ручного фонаря на оси вращения ротора с целью увеличения момента инерции принято [3], [4] устанавливать инерционное тело, то это еще в большей степени ограничивает площадь S воздушного зазора:
S = K₁˙ K₂ ˙K₃˙ K₄ ˙ K₅ ˙R_л², где К₅ - также меньше 1.

Техническим результатом, который обеспечивается изобретением, является повышение яркости и длительности свечения фонаря.

Технический результат обеспечивается тем, что в малогабаритном динамическом фонаре, содержащем корпус, размеры которого соответствуют площади ладони и длине пальцев для размещения в руке, генератор, монтируемый внутри корпуса и состоящий из ротора и статора, устройство для передачи внешнего механического движения ротору, содержащее по крайней мере одно колесо, ротор выполнен в виде постоянного магнита в форме диска, а статор представляет собой по крайней мере, один магнитопровод, охватываемый обмоткой и при этом магнит и магнитопровод выполнены торцевыми и размещены с торцевым зазором друг относительно друга.

На фиг.1 и 2 представлен малогабаритный динамически фонарь в собранном виде в двух проекциях; на фиг.3 - 8 - варианты выполнения фонаря.

В корпусе 1 с одной стороны находится лампочка 2 с рефлектором 3 и прозрачная крышка 4. Лампочка получает энергию от электрического генератора, состоящего из ротора и статора. Ротор выполнен в виде постоянного магнита 5 в форме диска, закрепленного на оси 6. Ось 6 установлена на опорах 7 и 8, размещенных на внутренней поверхности корпуса 1. Статор выполнен в виде магнитопровода 9, охватываемого обмоткой 10. Магнитопровод имеет такую форму, что его проекция на плоскость, перпендикулярную оси вращения ротора, как это изображено на фиг.3, имеет вид неполного сектора с центром на оси вращения ротора. При этом магнит 5 смещен относительно магнитопровода 9 вдоль оси вращения 6, а радиус его выбран соразмерным с радиусом неполного сектора, ограничивающим внешние, т.е. наиболее удаленные от оси вращения контуры магнитопровода. При этом поверхность магнита А, обращенная в сторону, противоположную направлению смещения, и поверхность магнитопровода В, обращенная в направлении смещения магнита, образуют торцевой воздушный зазор δ для обеспечения потокосцепления ротора с обмоткой статора. Подвижное устройство для передачи внешнего поступательного движения ротору содержит несколько элементов. Рычаг 11 закреплен одним концом в корпусе. На другом конце рычаг имеет ручку 12, выступающую из корпуса. Ручка 12 имеет своим продолжением зубчатую рейку 13, которая входит в корпус и зацеплена с колесом 14, имеющим два зубчатых зацепления разных диаметров.

Пружина 15, также закрепленная в корпусе, сжата при положении рычага, изображенном на фиг.1 сплошной линией, и ее действие направлено на перемещение рычага в положение, изображенное пунктиром.

Зубчатое зацепление меньшего диаметра D₁ взаимосвязано с зубчатой рейкой 13, а зубчатое зацепление большего диаметра D₂ взаимосвязано с зубчатым колесом 16, охватывающим ось 6. На колесе 16 имеются два кулачка 17 с двумя защелками 18. Защелки 18 имеют возможность вращаться относительно центров 0₁ и 0₂ для взаимодействия с пилообразным зубчатым внутренним зацеплением 19, выполненным в виде углубления на одной стороне магнита.

Фонарь работает следующим образом.

В исходном положении рычаг 11 под действием пружины 15 занимает положение, изображенное на фиг.1 пунктиром. При нажатии на рычаг пальцем руки он перемещается внутрь корпуса и зубчатая рейка 13 приводит во вращение по часовой стрелке (см. фиг.1 ) через зацепление малого диаметра D₁ колесо 14. Перемещение колеса 14 через зацепление D₂ приводит во вращение против часовой стрелки колесо 16, охватывающее со скользящей посадкой ось 6. При этом благодаря центробежному ускорению защелки 18 входят во взаимодействие с зубчатым внутренним зацеплением 19 и приводят ротор во вращательное движение против часовой стрелки. При повороте магнита изменяется его потокосцепление с обмоткой статора и возникает ЭДС, пропорциональная индукции, площади воздушного зазора и частоте оборотов ротора. Благодаря инерции ротора его вращение продолжается и после остановки перемещения рычага и колес.

Как показано на фиг.1 и 2 для удобства пользования фонарем сторона его, прилежащая к ладони, значительно больше сторон, перпендикулярных ладони. Если конструировать фонарь по известным принципам, т.е. использовать для образования воздушного зазора цилиндрические поверхности статора и ротора, одна из которых охватывает другую, то площадь зазора, принимая также во внимание, что высота такого цилиндра сокращается реальными размерами колес, передающих вращение, составит всего 20-25% от площади торцевого зазора, образованного поверхностями А и В. С целью увеличения площади торцевого зазора рекомендовано выполнять в виде неполного диска. Для технологичности изготовления статора диск имеет паз, ширина которого соответствует размерам обмотки. Размеры магнита рекомендовано выбирать таким образом, чтобы радиус диска магнита был равен радиусу неполного сектора магнитопровода и наибольшему радиусу колеса с двойным зацеплением (см. фиг.3 и 4). При этом можно достичь достаточной величины момента инерции ротора без применения дополнительных инерционных тел и при сохранении габаритов фонаря использовать отсутствие инерционных тел для большего увеличения размеров магнита и, таким образом, еще больше увеличить магнитную индукцию в воздушном зазоре, а следовательно, увеличить потокосцепление, увеличить ЭДС и яркость свечения фонаря.

На фиг.5 и 6 изображен еще один усовершенствованный вариант конструкции малогабаритного фонаря. В нем с целью повышения яркости свечения статор содержит несколько обмоток, смещенных относительно магнита в одном направлении. Каждая из обмоток намотана на отдельном магнитопроводе. Обмотки соединены так, что их ЭДС суммируются. Такой вариант дает возможность в зазоре определенной величины разместить больше витков, чем сможет содержать одна обмотка, и таким образом увеличить генерируемое напряжение, а следовательно, яркость свечения фонаря. Этому способствует также то, что увеличена при этом суммарная площадь воздушного зазора, а следовательно, и потокосцепление.

Еще один усовершенствованный вариант конструкции показан также на фиг.5 и 6. Усовершенствование заключается в том, что магнитопроводы размещены в одной плоскости и зазоры между ними меньше зазора между каждым магнитопроводом и магнитом. Характерной особенностью конструкции, изображенной на фиг.3 и 4, или, например, в известной конструкции [3] является то, что магнит может занять такое положение, когда его поток имеет наибольшее значение. Магнит при отсутствии внешних сил стремится занять это положение и сохраняет его, пока внешнее усилие не достигает определенного значения. При инерционном вращении ротора это взаимодействие магнита с магнитопроводом показывает тормозящее действие и сокращает длительность свечения фонаря после каждого перемещения рычага от упора до упора. Конструкция, показанная на фиг. 5 и 6, свободна от этого недостатка, так как магнит не имеет уже преимущественного положения, поскольку изменение проводимости определяется только зазором между соседними магнитопроводами. Если магнитная проводимость конструкции по фиг.1 в положении, когда магнитный поток сцеплен с обмоткой, равна
G= , где μ_o - магнитная проницаемость воздуха;
S - площадь воздушного зазора;
δ - длина зазора и при повороте на 90^о магнитная проводимость потокосцепления магнита с магнитопроводом падает в несколько раз, то изменение проводимости примерно равно наибольшему значению проводимости.

В конструкции (см. фиг.5 и 6) наибольшее значение проводимости
G_м= μ_o и поскольку согласно условию δ> δ_м, то изменение проводимости невелико и тормозящий момент незначителен, что увеличивает длительность свечения после однократного перемещения рычага.

Еще один усовершенствованный вариант конструкции показан также на фиг.5 и 6. Усовершенствование заключается в том, что, с целью увеличения длительности свечения фонаря, он снабжен дополнительным кольцеобразным магнитопроводом 20, диаметр которого примерно равен диаметру магнита, причем дополнительный магнитопровод установлен параллельно диску магнита на расстоянии, равном зазоре между магнитом и магнитопроводом 9, но с другой стороны магнита. Конструкция, изображенная на фиг. 1, имеет тот недостаток, что магнит имеет тенденцию притягиваться к магнитопроводу, чем создает давление на опору со стороны магнитопровода 9. Это увеличивает трение в опоре и не позволяет добиться длительного свечения фонаря при одном движении рычага от упора до упора. Для устранения этого недостатка в конструкции (см. фиг.5 и 6) установлен дополнительный диск из ферромагнитного материала, диаметр которого примерно равен диаметру магнита, причем установлен дополнительный магнитопровод на расстоянии, равном зазору между магнитом и основным магнитопроводом, но с другой стороны магнита. Крепление дополнительного магнитопровода к корпусу осуществляется, например, через дополнительную плату 21.

Аксиальные силы взаимодействия между магнитом и магнитопроводом, расположенным на расстоянии, равном зазору между магнитом и основным магнитопроводом, уравновешивают силу притяжения магнита к основному магнитопроводу, ослабляют силу трения в опоре и тем самым продлевают длительность инерционного вращения и длительность свечения фонаря.

Еще один вариант усовершенствованной конструкции (см. фиг.7 и 8) предусматривает наличие обмоток на дополнительных магнитопроводах, расположенных по другую сторону вдоль оси вращения магнита на расстоянии, равном расстоянию от основного магнитопровода до магнита. Такой вариант конструкции позволяет более полно использовать магнитную энергию магнита и при согласованном включении дополнительных обмоток с основными увеличивает ЭДС генератора и, следовательно, яркость свечения фонаря.

Использование: в светотехнике, в частности в переносных световых устройствах со встроенным генератором. Сущность изобретения: малогабаритный динамический фонарь содержит корпус 1, генератор, размещенный внутри корпуса и состоящий из ротора в виде постоянного магнита 5 в форме диска и статора, содержащего магнитопровод 9 охватываемый обмоткой, проекция которого на плоскость, перпендикулярную оси вращения ротора, имеет вид неполного диска, подвижное устройство для передачи внешнего поступательного движения ротору через шестерню и обгонную муфту. Магнит 5 смещен относительно магнитопровода 9 вдоль своей оси вращения, при этом магнит и магнитопровод выполнены торцевыми и размещены с торцевым зазором относительно друг друга. 6 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. МАЛОГАБАРИТНЫЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ ФОНАРЬ, содержащий корпус, генератор, состоящий из ротора и статора, и устройство передачи внешнего механического движения ротору, содержащее по крайней мере одно колесо, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде постоянного магнита в форме диска, а статор представляет собой по крайней мере один магнитопровод, охватываемый обмоткой, и при этом магнит и магнитопровод выполнены торцевыми и размещены с торцевым зазором друг относительно друга. 2. Фонарь по п.1, отличающийся тем, что статор выполнен в виде неполного диска с пазом с глубиной, превышающей радиус указанного диска. 3. Фонарь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что радиус постоянного магнита и радиус статора, выполненного в форме неполного диска, примерно равны радиусу наибольшего по габаритам колеса устройства передачи. 4. Фонарь по п.1, отличающийся тем, что статор состоит из отдельных магнитопроводов, каждый из которых содержит обмотку, причем обмотки соединены последовательно таким образом, что генерируемая ЭДС суммируется. 5. Фонарь по п.4, отличающийся тем, что магнитопроводы размещены в одной плоскости и зазоры между ними меньше торцевого зазора между каждым магнитопроводом и магнитом. 6. Фонарь по пп.1 - 5, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным дисковым магнитопроводом, диаметр которого соответствует диаметру магнита, причем дополнительный дисковый магнитопровод установлен с другой стороны параллельно диску магнита на расстоянии, примерно равном торцевому зазору между магнитом и магнитопроводом. 7. Фонарь по п.5, отличающийся тем, что дополнительный дисковый магнитопровод составлен из отдельных магнитопроводов с обмотками.