ИСТОЧНИК АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H02K7/18 F02B71/06 F03G7/08 

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к возобновляемым источникам электрической энергии, предназначенные для обеспечения снабжения энергией, например, светофорных объектов, с также иных энергопотребителей.

Известен источник электропитания, который представляет собой 20 упругих элементов, каждый из которых состоит из подпружиненной подвижной катушки и соосно с ней расположенного неподвижного магнита. Под действием силы тяжести автомобиля подвижная катушка перемещается относительно магнита, что приводит к наведению э.д.с. в витках катушки. Ток, возникающий под действием данной э.д.с., поступает в накопитель. После прекращения действия внешней силы упругий элемент возвращается в исходное состояние под действием пружины. Работа данной системы использует для получения электроэнергии принцип электромагнитной индукции - при помощи взаимного перемещения катушки относительно магнитов (см. патент США №7432607, Мкл. F04B 35/00, опубл. 2008 г.).

Недостатком системы является сложность конструкции, вследствие чего обеспечивается относительно низкая ее надежность, сложность монтажа и настройки массивных металлических элементов устройства, наличие дорогостоящих генераторов для выработки электроэнергии, большой объем сервисных работ.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является принятый в качестве прототипа источник автономного электропитания, содержащий эластичный передаточный элемент, электрическую нагрузку, магнитогидродинамический генератор, выполненный в виде герметичного цилиндра из непроводящего материала, внутри которого с двух сторон размещены подвижные поршни, один из которых подпружинен. Внутренний объем цилиндра между поршнями заполнен электропроводной жидкостью, вдоль внутренней поверхности цилиндра размещены противоположно расположенные электроды, связанные с накопителем энергии, а на внешней поверхности цилиндра установлен магнит, силовые линии которого нормальны к поверхности цилиндра (см. патент РФ №2543983, Мкл. В60К 25/10, опубл. 2015 г.).

Недостатком данного устройства является относительные сложность и невысокая технологичность изготовления (наличие герметичной емкости с жидкостью, наличие поршней, удерживающих жидкость, к которым также предъявляются высокие требования по герметичности) и относительно невысокая энергоотдача.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение конструкции при одновременном повышении ее надежности и увеличение мощности устройства.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в источнике автономного электропитания, содержащем полый эластичный передаточный элемент виде емкости, сообщенной каналом с герметичным цилиндром и заполненной одновременно с последним воздухом с возможностью взаимодействия с преобразователем энергии посредством поршня, накопитель энергии, подключенный к электрической нагрузке и с помощью тоководов - к преобразователю энергии, при этом последний состоит из рабочего элемента и его охватывающего с внешней стороны постоянного магнита, согласно изобретению рабочий элемент выполнен в виде металлической пластины прямоугольной формы, перемещающейся возвратно-поступательно вдоль продольной оси преобразователя энергии, верхняя и нижняя плоскости которой перпендикулярны силовым линиям постоянного магнита, при этом тоководы закреплены на каждой из двух противоположных боковых сторон металлической пластины, перемещающихся при движении параллельно продольной оси преобразователя энергии, причем одна из двух других противоположных боковых сторон упомянутой пластины подпружинена, а другая - жестко связана посредством штока с поршнем, размещенным внутри герметичного цилиндра с воздухом.

Предлагаемое устройство существенно проще, поскольку содержит меньше конструктивных элементов, в нем сняты требования к герметичности отдельных узлов, т.к. оно не содержит текучих материалов, что исключает выход устройства из строя по причине потери герметичности и, следовательно, ведет к повышению надежности конструкции в целом. При этом повышается мощность такого источника электропитания, поскольку в качестве рабочего элемента применена вместо жидкой среды металлическая пластина, электропроводимость которой существенно выше. Также улучшаются технологичность и эксплуатационные качества источника электропитания, поскольку устройство представляет собой совокупность несложных в конструктивном отношении и технологичных при изготовлении элементов, позволяющих достичь значительной простоты их монтажа и настройки, а также минимального объема работ по обслуживанию.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1, представлена схема источника автономного электропитания, где Q - внешняя сила.

На фиг. 2 представлен преобразователь энергии источника автономного электропитания в аксонометрической проекции.

Источник автономного электропитания содержит полый передаточный элемент в виде емкости 1, сообщенный с герметичным цилиндром 3 и заполненной одновременно с последним воздухом с возможностью взаимодействия за счет воздушной среды с преобразователем 4 энергии, оказывая воздействие на его подвижные элементы посредством поршня 5. В устройстве предусмотрен накопитель 6 энергии. Последний подключен к электрической нагрузке (на чертеже не показана), а также к преобразователю 4 энергии с помощью тоководов 7. В качестве электрической нагрузки могут быть, например, светофорные объекты и другое придорожное оборудование. Преобразователь 4 энергии состоит из рабочего элемента 8 и его охватывающего с внешней стороны постоянного магнита 9, силовые линии которого нормальны к продольной оси рабочего элемента 8. При этом рабочий элемент 8 выполнен в виде металлической пластины 10 прямоугольной формы, верхняя и нижняя плоскости которой перпендикулярны силовым линиям постоянного магнита 9. Тоководы 7 закреплены на каждой из двух противоположных боковых сторон 11, 12 пластины 10, перемещающихся при движении параллельно продольной оси преобразователя 4 энергии. Причем одна из двух других противоположных боковых сторон упомянутой пластины 10, перемещающихся в процессе движения перпендикулярно продольной оси преобразователя 4 энергии, а именно, сторона 13 подпружинена с помощью пружины 14, а другая - сторона 15, жестко связана посредством штока 16 с поршнем 5. При этом упомянутый поршень 5 размещен внутри герметичного цилиндра 3 с воздухом.

Работа устройства основана на применении способа, который представляет, своего рода, модификацию магнитогидродинамического способа преобразования энергии. Модификация заключается в замене проводящей жидкости, как рабочего элемента устройства, на металл. И, следовательно, модифицированная конструкция лишена некоторых недостатков, присущих прототипу.

Устройство работает следующим образом.

При воздействии внешней силы Q на полый эластичный, а следовательно, деформируемый передаточный элемент, выполненный в виде герметичной емкости 1, воздух из нее, поступая по каналу 2 в герметичный цилиндр 3, перемещает поршень 5. Перемещение поршня 5 приводит в движение посредством штока 16 выполненный в виде металлической прямоугольной пластины 10 рабочий элемент 8 преобразователя энергии 4, который начинает горизонтально перемещаться, пересекая магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 9. При этом электропроводный рабочий элемент 8 в виде металлической прямоугольной пластины 10 движется, преодолевая силу упругости пружины 14. В процессе движения электропроводного рабочего элемента 8 - пластины 10 через магнитное поле в нем протекает электрический ток, который по тоководам 7, закрепленным на каждой из сторон 11 и 12 металлической пластины 10, поступает в накопитель 6.

При исчезновении внешней силы Q электропроводный рабочий элемент 8 в виде металлической пластины 10 под действием упругой силы пружины 14, действующей со стороны 13 упомянутой пластины 10, возвращается в исходное состояние. При этом поршень 5, связанный жесткой связью с помощью штока 16 со стороной 15 упомянутой пластины 10 перемещается в начальное положение. Рассчитанная надлежащим образом механическая система «пружина - электропроводный элемент - поршень» может быть настроена в резонанс, что приведет к повышению энергоэффективности устройства за счет повышения амплитуды колебаний системы, а следовательно, увеличения амплитуды импульса тока, а также увеличению времени колебательного процесса при однократном воздействии внешней силы.

Применение в источнике электропитания в качестве рабочего элемента металлического твердого тела вместо электропроводной жидкости, как в прототипе, позволяет существенно упростить конструкцию, а также существенно повысить ее электрическую мощность.

Предлагаемый источник электропитания конструктивно упрощается и при этом обладает большей надежностью. Одновременно конструкция позволяет увеличить мощность устройства. Все перечисленное достигается за счет использования электропроводного металлического тела в качестве рабочего элемента преобразователя энергии, а именно, металлической пластины вместо электропроводной жидкости, перемещающейся с помощью двух поршней, как в прототипе. В связи с последним фактором исключаются жесткие требования к герметичности преобразователя энергии. Мощность устройства повышается за счет гораздо большей электропроводности металлической пластины по сравнению с жидкостью. В целом предлагаемый источник электропитания прост в изготовлении и при эксплуатации, а также обладает сравнительно низкой себестоимостью и увеличенным сроком службы.

Таким образом, если учесть, что при проезде одного автомобиля деформация эластичной емкости происходит, как минимум, дважды, а с учетом обратного (под действием пружины) движения жидкости, четырежды, то можно говорить о предлагаемом устройстве, как о достаточно эффективном источнике электропитания дорожных объектов - потребителей энергии, таких как, в частности, светофорные объекты. Наличие колебательного процесса, который при надлежащем расчете конструкции может приобрести резонансный характер, еще больше повышает энергетическую эффективность предлагаемого устройства.

Повышение мощности источника питания достигается за счет использования вместо проводящей жидкости металлической пластины, проводимость которой на несколько порядков выше любой из проводящей жидкости. Такое решение продиктовано тем, что мощность данного источника определяется соотношением (см. Каулинг Т. Магнитная гидродинамика. М.: Изд-во МИР, 1984):

Р=σ*u²*В²,

где: σ - проводимость среды [Ом^-1*м^-1];

u - скорость потока проводящей среды [м/с];

В - индукция внешнего магнитного поля [Тл].

Из формулы следует, что при прочих равных условиях (неизменность скорости среды u и индукции внешнего магнитного поля В), мощность источника вырастает пропорционально проводимости движущейся среды. Следовательно, заменив жидкость на металл, мы получаем существенное увеличение мощности устройства. Подтвердим сказанное примером: проводимость антифриза «ХАДО G12», составляет 5,08·10^-6 Ом^-1*м^-1 (см Оценка электропроводности охлаждающих жидкостей при эксплуатации автомобилей. http://dspace.khadi.kharkov.ua/dspace/bitstream/123456789/772/1/04.pdf). В то же время проводимость алюминия и меди составляют соответственно 3,7*10⁷ Ом^-1*м^-1 и 5,8*10⁷ Ом^-1*м^-1.

Таким образом, изобретение позволяет упростить конструкцию, повысить ее надежность и увеличить мощность устройства при тех же, что и у прототипа, габаритах конструкции.

Источник автономного электропитания содержит эластичный передаточный элемент в виде герметичной емкости (1), сообщенной каналом (2) с герметичным цилиндром (3). В цилиндр помещен поршень (5), который при помощи штока (16) связан с преобразователем (4) энергии. Последний представляет собой рабочий элемент (8), помещенный в поле постоянного магнита (9). Шток (16) жестко соединен с одной из сторон (15) рабочего элемента (8), выполненного в виде металлической пластины (10) прямоугольной формы. Противоположная сторона (13) упомянутой пластины подпружинена с помощью пружины (14). Под действием внешней силы Q на заполненную воздухом эластичную емкость (1) усилие по герметичному каналу (2) и цилиндру (3) передается на поршень (5), который, перемещаясь, оказывает давление на рабочий элемент (8). Последний начинает двигаться, пересекая силовые линии магнита (9), одновременно оказывая воздействие на пружину (14). Во время возвратно-поступательного движения рабочего элемента (8) между полюсами магнита (9) на двух противоположных сторонах (11) и (12) металлической пластины (10) возникает э.д.с., создающая электрический ток, поступающий в накопитель (6) по тоководам (7). 2 ил.

Источник автономного электропитания, содержащий полый эластичный передаточный элемент в виде емкости, сообщенной каналом с герметичным цилиндром и заполненной одновременно с последним воздухом с возможностью взаимодействия с преобразователем энергии посредством поршня, накопитель энергии, подключенный к электрической нагрузке и с помощью тоководов - к преобразователю энергии, при этом последний состоит из рабочего элемента и его охватывающего с внешней стороны постоянного магнита, отличающийся тем, что рабочий элемент выполнен в виде металлической пластины прямоугольной формы, перемещающейся возвратно-поступательно вдоль продольной оси преобразователя энергии, верхняя и нижняя плоскости которой перпендикулярны силовым линиям постоянного магнита, при этом тоководы закреплены на каждой из двух противоположных боковых сторон металлической пластины, перемещающихся при движении параллельно продольной оси преобразователя энергии, причем одна из двух других противоположных боковых сторон упомянутой пластины подпружинена, а другая - жестко связана посредством штока с поршнем, размещенным внутри герметичного цилиндра с воздухом.