ИНЕРЦИОННЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2014 года по МПК H02K35/02 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к магнитоэлектрическим генераторам инерционного действия, служащим автономным источником питания для различных систем.

Известен инерционный магнитоэлектрический генератор, содержащий немагнитный цилиндрический корпус, на наружной поверхности которого расположена обмотка, и магнитную систему, выполненную в виде трех последовательно установленных вдоль оси генератора аксиально-намагниченных цилиндрических магнитов: двух неподвижных и одного подвижного, размещенного между неподвижными магнитами и обращенного к ним одноименными полюсами (патент РФ №2020699 С1, 30.09.1994).

Недостаток известного генератора заключается в том, что его магнитная система вырабатывает слишком слабый сигнал при колебаниях подвижного магнита. Кроме того, его магнитная система подвержена воздействию внешних магнитных полей.

В качестве прототипа выбран инерционный магнитоэлектрический генератор, описанный в патенте РФ (№2340069 С1, 27.11.2008).

Известный генератор содержит корпус, выполненный из диэлектрического материала, внутри которого установлены два краевых постоянных магнитных элемента, размещенные на противоположных его концах, внутри корпуса установлен с зазором и с возможностью перемещения вдоль его оси подвижный магнитопровод, состоящий из двух обращенных навстречу друг к другу одноименными полюсами постоянных магнитных элементов, поверх корпуса расположен замкнутый на выпрямители электропроводящий контур.

Прототип обладает рядом преимуществ, в сравнении с аналогом, таких как относительная простота конструкции и более полное преобразование механической энергии в электрическую.

Его недостатком является большой осевой габарит и соответствующая масса, а его энергетическая эффективность невысока. В дополнение к этому, из-за чрезмерно длинных участков корпуса генерирующий магнит приходится перемещать на большое расстояние, что занимает время, снижая частоту получаемых электрических импульсов. Наконец, при ручном манипулировании устройством больших габаритов и массы трудно обеспечить высокую скорость прохождения магнита через генерирующую катушку.

Задачей данного изобретения является создание магнитоэлектрического генератора инерционного действия, обеспечивающего получение высоких удельных показателей генерации электрических сигналов при возвратно-поступательном воздействии на корпус генератора с величиной выходного сигнала, достаточной для электропитания различных электротехнических устройств. В задачу также входит расширение диапазона применения устройства.

Техническим результатом является повышение КПД и надежности магнитоэлектрического генератора, а также обеспечение универсальности и упрощение конструкции.

Технический результат достигается за счет того, что в инерционном магнитоэлектрическом генераторе, содержащем корпус, выполненный из диэлектрического материала, поверх которого установлен замкнутый на выпрямители электропроводящий контур, с установленными внутри корпуса тремя последовательно установленными вдоль оси генератора аксиально-намагниченными цилиндрическими магнитными элементами: двух неподвижных и одного подвижного, размещенного между неподвижными магнитными элементами и обращенного к ним одноименными полюсами, согласно изобретению магнитные элементы выполнены в виде чашеобразных сердечников, состоящих из цилиндрической трубы, с плоским основанием и сплошным внутренним стержнем, вокруг которого намотана обмотка подмагничивания, подключенная к источнику постоянного тока, неподвижные магнитные элементы основаниями примыкают к торцам корпуса и содержат дополнительную генерирующую обмотку, замкнутую на выпрямитель, подвижный магнитный элемент состоит из двух чашеобразных сердечников, примыкающих основаниями друг к другу.

Между подвижным и неподвижными магнитными элементами могут быть установлены мягкие пружины с токопроводящими проводами, соединенными с обмотками подмагничивания.

Пружины могут быть выполнены нелинейными, например коническими. Внутренняя поверхность корпуса генератора может быть покрыта материалом, снижающим внутреннее трение, например политетрафторэтиленом (тефлоном). Из внутренней полости корпуса может быть выкачан воздух.

Замкнутый на выпрямители электропроводящий контур может состоять из двух обмоток, расположенных в области зазора между неподвижными краевыми магнитами и подвижным магнитопроводом.

Подвижный магнитный элемент может содержать два симметричных сплошных боковых выреза, проходящих вдоль цилиндрической трубы до его основания.

Внутренняя поверхность корпуса генератора может содержать накладки в виде полос, выполненных из материала с низким коэффициентом трения, в которые входят сплошные боковые вырезы подвижного магнитного элемента.

Выполнение магнитных элементов в виде чашеобразных сердечников, состоящих из цилиндрической трубы, с плоским основанием и сплошным внутренним стержнем и подвижного магнитопровода, состоящего из двух чашеобразных сердечников, примыкающих основаниями друг к другу, позволит повысить силу взаимодействия между неподвижными и подвижным магнитным элементами. Наличие дополнительной генерирующей обмотки позволяет получать добавочную энергию при перемещении подвижного магнитного элемента. Наличие обмоток подмагничивания дает возможность повысить коэрцитивную силу магнитных элементов и, тем самым, также повысить силу взаимодействия между магнитами.

Установка между подвижным и неподвижными магнитными элементами мягких пружин с токопроводящими проводами, соединенными с обмотками подмагничивания, с одной стороны, увеличивает частоту взаимодействия между подвижным и неподвижными магнитными элементами, а с другой стороны, упрощает питание обмоток намагничивания подвижного магнитного элемента.

Выполнение пружин нелинейными, например коническими, дает возможность формировать стохастические и субгармонические автоколебательные процессы, что повысит генерирующие свойства генератора.

Покрытие внутренней поверхности корпуса генератора материалом, снижающим внутреннее трение, например политетрафторэтиленом (тефлоном), снижает внутреннее трение генератора. Этому же способствует и выкачивание из внутренней полости корпуса воздуха.

Применение замкнутого на выпрямители электропроводящего контура, состоящего из двух обмоток, расположенных в области зазора между неподвижными и подвижным магнитным элементами, дает возможность получать дополнительную энергию от генератора при движении подвижного магнитного элемента.

Использование на подвижном магнитном элементе двух симметричных сплошных боковых выреза, проходящих вдоль цилиндрической трубы до его основания, и наличие внутренних накладок в виде полос, выполненных из материала с низким коэффициентом трения, в которые входят сплошные боковые вырезы, с одной стороны, исключают возможность вращения подвижного магнитного элемента вокруг своей оси, а с другой стороны, повышают энергию колебаний магнитного потока при изменении положения подвижного магнитного элемента.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 представлен чертеж чашеобразного магнитного элемента при виде со стороны намагничивающей обмотки.

На Фиг.2 показан магнитный элемент при виде сбоку.

Фиг.3 демонстрирует инерционный магнитоэлектрический генератор в сборе.

На фиг.4 приведена принципиальная электрическая схема соединений магнитоэлектрического генератора.

На фиг.5 имеется вид магнитоэлектрического генератора в сборе с пружинами.

На фиг.6 изображен чашеобразный магнитный элемент при виде со стороны намагничивающей обмотки с боковыми вырезами.

На фиг.7 нарисован магнитный элемент с боковыми вырезами при виде сбоку.

Инерционный магнитоэлектрический генератор (ИМГ) содержит чашеобразные магнитные элементы, состоящие из цилиндрической трубы 1 (фиг.1, 2), с плоским основанием 2 и сплошным внутренним стержнем 3, вокруг которого намотана обмотка подмагничивания 4, подключенная к источнику постоянного тока. Задача обмотки увеличить коэрцитивную силу магнитных элементов.

Корпус 5 ИМГ выполнен в виде трубы (фиг.3), изготовленной из немагнитного диэлектрического материала. Внутри корпуса 5 установлены два неподвижных магнитных элемента 6, 7, выполненных согласно фиг.1, 2 и размещенных на противоположных его концах. Неподвижные магнитные элементы 6, 7 основаниями примыкают к торцевым поверхностям корпуса 5. Обмотки подмагничивания неподвижных магнитных элементов обозначены соответственно 4' и 4". Обмотки намотаны вокруг сплошного внутреннего стержня 3. На стержни намотаны дополнительные генерирующие обмотки, соединенные с выпрямителем (не показаны). Для подвода проводов к обмоткам в цилиндрической трубе выполнены отверстия (не показаны). Подвижный магнитный элемент 8 состоит из двух чашеобразных сердечников, выполненных согласно фиг.1, 2, примыкающих основаниями друг к другу. Подвижный магнитный элемент 8 установлен внутри корпуса 5 между неподвижными магнитными элементами 6 и 7 с зазором и возможностью перемещения вдоль его оси, При этом подвижный магнитный элемент обращен к неподвижным магнитам 6, 7 своими сердечниками одноименными полюсами. Оба сердечника подвижного магнитного элемента снабжены обмотками подмагничивания 9 и 10, задача которых усилить его магнитную силу. Поверх корпуса 5 имеется электропроводящий контур, состоящий из двух обмоток 11 и 12, расположенных в области зазора между неподвижными магнитными элементами 6 и 7 и подвижным магнитным элементом 8.

Обмотки 11 и 12, в свою очередь, выведены на мостовые выпрямители, состоящие из диодов 13 и 14 (фиг.4). Дополнительные генерирующие обмотки 15 и 16 неподвижных магнитных элементов 6, 7 с помощью проводов, проходящих через корпус (не показаны), выведены на мостовые диодные выпрямители, состоящие из диодов соответственно 17 и 18. Все выпрямительные мосты, состоящие из диодов 13, 14, 17 и 18, соединены последовательно. Выходные зажимы выпрямителей подключены к потребителю электроэнергии 19 через диод (не обозначен), предупреждающий разряд аккумулятора потребителя на обмотки подмагничивания. К общему выходу выпрямительных мостов подключены также обмотки подмагничивания 4', 4" и 9, 10, провода для которых проходят внутрь корпуса, не нарушая при этом его герметичность.

В варианте технического решения между подвижным магнитным элементом 8 и неподвижными магнитными элементами 6 и 7 установлены мягкие пружины 20 (фиг.5) с токопроводящими проводами (не показаны), соединенными с обмотками подмагничивания. Токопроводящие провода выполнены в виде тонкого витого провода наподобие телефонного провода, соединяющего трубку с аппаратом.

В варианте технического решения пружины 20 выполнены нелинейными, например коническими (не показаны).

В варианте технического решения внутренняя поверхность корпуса 5 генератора покрыта материалом, снижающим внутреннее трение, например политетрафторэтиленом (тефлоном) (не показано).

В варианте технического решения из внутренней полости корпуса 5 выкачан воздух.

В варианте технического решения подвижный магнитный элемент 8 содержит два симметричных сплошных боковых выреза 21 (фиг.6, 7), проходящих вдоль цилиндрической трубы 1 до его основания 2.

В варианте технического решения внутренняя поверхность корпуса генератора содержит накладки в виде полос, выполненных из материала с низким коэффициентом трения, в которые входят сплошные боковые вырезы 21 (не показаны), проходящих вдоль внутренней поверхности корпуса 5.

ИМГ действует следующим образом. При любом механическом воздействии на корпус 5 (фиг.1) при наличии вектора силы, направленной вдоль его продольной оси, между неподвижными магнитными элементами 6, 7 и подвижным магнитным элементом 8 нарушается равновесие, что приводит к появлению колебаний между ними. Эти колебания сопровождаются изменением магнитных потоков, которые определяют появление э.д.с. на выходе дополнительных генерирующих обмоток 13 и 14, замкнутых на выпрямители 15 и 16. Одновременно эти изменения генерируют напряжение в обмотках 9 и 10, что сопровождается появлением напряжения на выходе выпрямителей 11 и 12. Напряжение выпрямителей 11, 12, 15 и 16 суммируется и подается потребителю энергии 17 (фиг.4). Небольшая часть получаемой энергии идет на подмагничивание магнитных элементов за счет питания соответствующих обмоток.

Колебания подвижного магнитного элемента могут возникать и за счет возмущения внешнего магнитного поля.

Установка между подвижным 8 и неподвижными магнитными элементами 6 и 7 мягких пружин 20 (фиг.5) с токопроводящими проводами, соединенными с обмотками намагничивания, с одной стороны, увеличивает силу взаимодействия между магнитными элементами, а с другой стороны, упрощает питание обмоток намагничивания 9 и 10 подвижного магнитного элемента 8. Эти пружины препятствуют столкновению между магнитными элементами.

Применение нелинейных пружин 20, например конических, способствует формированию стохастических и субгармонических автоколебательных процессов. Это означает, что при любых, даже очень слабых, воздействиях на корпус генератора могут самопроизвольно возникать колебательные резонансные процессы. Такое свойство генератора повышает его универсальность.

Покрытие внутренней поверхности корпуса 5 генератора материалом, снижающим внутреннее трение, например политетрафторэтиленом (тефлоном), снижает внутреннее трение генератора. Этому же способствует и образование вакуума во внутренней полости корпуса. За счет этого повышаются КПД устройства и его чувствительность к внешним воздействиям.

Использование на подвижном магнитном элементе двух симметричных сплошных боковых выреза 21, проходящих вдоль цилиндрической трубы до его основания, и наличие внутренних накладок в виде полос, выполненных из материала с низким коэффициентом трения, в которые входят сплошные боковые вырезы, с одной стороны, исключают возможность вращения подвижного магнитного элемента вокруг своей оси, а с другой стороны, повышают энергию колебаний магнитного потока при изменении положения подвижного магнитного элемента. Вырезы также обеспечивают более мощное воздействие возмущений магнитного поля на генерирующие обмотки 15, 16 и обмотки 11, 12 электропроводящего контура.

Необходимое для получения электрических импульсов колебательное движение подвижного магнитного элемента относительно катушки можно осуществить, например, силовым воздействием на корпус электрогенератора: ручной встряской, колебаниями при ходьбе (беге) или при движении транспортного средства (велосипеда, автомобиля) и т.д. Рациональная конструкция магнитных элементов и их расположение обеспечивают в комплексе малые габариты и массу линейного электрогенератора, возможность придания генерирующему магниту высокой скорости движения, получение электрических импульсов больших амплитуд, частот и продолжительности. Благодаря низкому трению и в соответствии с заявленными геометрическими характеристиками обеспечивается легкость в обращении при эффективной и надежной работе в процессе колебательного движения генератора магнита без перекосов и заклинивания.

Изобретение осуществимо на базе обычной технологии. При этом все магнитные элементы могут быть выполнены на основе бескобальтовых сплавов, наиболее дешевых в производстве, а наличие самоподмагничивания обеспечивает высокие магнитные свойства. Тело магнита может быть сплошным.

Областью применения изобретения является, в первую очередь, питание маломощных потребителей тока, таких как сигнальные маячки, портативные радиоприемники и радиопередатчики, портативные электрические фонари и тому подобные устройства, особенно в аварийных условиях, когда отсутствует возможность подзарядки штатных систем питания перечисленных устройств от других источников тока. Предложенный генератор может быть частью автономного блока питания или может встраиваться в упомянутые устройства, как ручные, так и носимые на теле, в частности сотовые телефоны.

Предложенный инерционный магнитоэлектрический генератор удобно монтируется на разнообразных механических устройствах, в частности на колесных транспортных средствах. Генератор может быть также использован как элемент ветроэлектроагрегата. Вырабатываемого при этом тока достаточно, по меньшей мере, для освещения в ночное время приусадебного участка, периметра охранной зоны (например, аэродрома) и т.п. Предложенный инерционный магнитоэлектрический генератор применяться для выработки электрической энергии при движении разного рода транспортировочных устройств, например снаружи или внутри лифтовой кабины. Вырабатываемый ток может использоваться в целях освещения кабины.

Вышеизложенное позволяет ожидать от изобретения решение поставленной задачи, а именно получение высоких удельных показателей генерации электрических сигналов при возвратно-поступательном воздействии на корпус генератора с величиной выходного сигнала, достаточной для электропитания различных электротехнических устройств.

Заявленный прибор благодаря своим качествам может решить задачу по расширению диапазона применения устройства.

Особенности конструкции и удачное расположение элементов в сочетании с дополнительными техническими решениями позволяют ожидать, что будет полностью реализован и технический результат, заключающийся в повышении КПД и надежности магнитоэлектрического генератора.

Таким образом, технико-экономические достоинства предложенного инерционного магнитоэлектрического генератора заключаются в следующем.

1. Высокий общий КПД.

2. Стабильность работы.

3. Возможность выработки энергии в различных установках.

4. Автономность в различных условиях работы.

5. Низкие капитальные и эксплуатационные расходы.

Изобретение относится к электротехнике и может служить автономным источником питания для различных систем. Технический результат состоит в получении высоких удельных показателей генерации электрических сигналов с величиной, достаточной для электропитания различных электротехнических устройств для расширения области применения. Генератор содержит чашеобразные магнитные элементы, состоящие из цилиндрической трубы с плоским основанием 2 и сплошным внутренним стержнем 3, вокруг которого намотана обмотка подмагничивания 4, подключенная к источнику постоянного тока. Корпус 5 выполнен в виде трубы из немагнитного диэлектрического материала, на противоположных концах которого установлены два неподвижных магнитных элемента 6, 7, основаниями примыкающие к его торцевым поверхностям. Подвижный магнитный элемент 8 состоит из примыкающих основаниями друг к другу двух чашеобразных сердечников с обмотками подмагничивания 9 и 10, установлен внутри корпуса 5 между неподвижными магнитными элементами 6 и 7 с зазором и возможностью перемещения вдоль его оси и обращен к неподвижным магнитам 6, 7 своими сердечниками одноименными полюсами. Поверх корпуса 5 имеется электропроводящий контур, состоящий из двух обмоток 11 и 12, расположенных в области зазора между неподвижными магнитными элементами 6 и 7 и подвижным магнитным элементом 8 и выведенных на мостовые диодные выпрямители, на которые выведены и дополнительные генерирующие обмотки 15 и 16 неподвижных магнитных элементов 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Инерционный магнитоэлектрический генератор, содержащий корпус, выполненный из диэлектрического материала, поверх которого установлен замкнутый на выпрямители электропроводящий контур, с установленными внутри корпуса тремя последовательно установленными вдоль оси генератора аксиально-намагниченными цилиндрическими магнитными элементами: двух неподвижных и одного подвижного, размещенного между неподвижными магнитными элементами и обращенного к ним одноименными полюсами, отличающийся тем, что магнитные элементы выполнены в виде чашеобразных сердечников, состоящих из цилиндрической трубы, с плоским основанием и сплошным внутренним стержнем, вокруг которого намотана обмотка подмагничивания, подключенная к источнику постоянного тока, неподвижные магнитные элементы основаниями примыкают к торцам корпуса и содержат дополнительную генерирующую обмотку, замкнутую на выпрямитель, подвижный магнитный элемент состоит из двух чашеобразных сердечников, примыкающих основаниями друг к другу.

2. Инерционный магнитоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что между подвижным и неподвижными магнитными элементами установлены мягкие пружины с токопроводящими проводами, соединенными с обмотками подмагничивания.

3. Инерционный магнитоэлектрический генератор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что пружины выполнены нелинейными, например коническими.

4. Инерционный магнитоэлектрический генератор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что внутренняя поверхность корпуса генератора покрыта материалом, снижающим внутреннее трение, например политетрафторэтиленом (тефлоном).

5. Инерционный магнитоэлектрический генератор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что из внутренней полости корпуса выкачан воздух.

6. Инерционный магнитоэлектрический генератор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что замкнутый на выпрямители электропроводящий контур состоит из двух обмоток, расположенных в области зазора между неподвижными краевыми магнитами и подвижным магнитопроводом.

7. Инерционный магнитоэлектрический генератор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что подвижный магнитный элемент содержит два симметричных сплошных боковых выреза, проходящих вдоль цилиндрической трубы до его основания.

8. Инерционный магнитоэлектрический генератор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что внутренняя поверхность корпуса генератора содержит накладки в виде полос, выполненных из материала с низким коэффициентом трения, в которые входят сплошные боковые вырезы подвижного магнитного элемента.