Линейный электрогенератор Российский патент 2024 года по МПК H02K35/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования энергии магнитного поля постоянных магнитов в электроэнергию.

Известен (RU, патент 2304341, опубл. 10.08.2007) линейный электрический генератор, включающий корпус и смонтированную в нем электромагнитную систему с одной или несколькими, расположенными в ряд, кольцевыми индуктивными катушками, с цилиндрическим генерирующим магнитом, установленным с возможностью челночного перемещения внутри соосного катушке канала между ограничительными элементами на его концах, выходящих за пределы катушки, причем относительные размеры упомянутых составных элементов находятся в следующих пределах: внешний диаметр катушки больше внутреннего в (1,5÷2,5) раза, длина катушки составляет (0,75÷1,25) от длины магнита, длина магнита составляет (0,75÷1,25) от диаметра магнита, расстояние между ограничительным элементом и катушкой составляет (0,75÷1,5) от длины магнита.

Недостатком данной конструкции является низкая эффективность преобразования колебательной энергии в электроэнергию, что объясняется малыми амплитудами и частотами при встряске генератора рукой при ходьбе, а, следовательно малыми линейными скоростями перемещений подвижного элемента относительно статора. Очевидно, что амплитуда наводимой в обмотке э.д.с. при раскачивании генератора за счет низкой частоты предельно мала, что обуславливает низкую эффективность использования данного генератора.

Известен также (RU, патент 134369, опубл. 10.11.2013) линейный генератор на постоянных магнитах, включающий корпус, установленную в нем электромагнитную систему, состоящую из постоянного магнита, выполненного в цилиндрической форме и совершающего возвратно-поступательные движения, и магнитопровода, который является неподвижной частью линейного генератора, причем корпус линейного генератора изготовлен из немагнитного материала, на концах магнитопровода установлены полюсные наконечники, а постоянный магнит закреплен на штоке, который приводится в движение мембранами термоакустического двигателя

Главным недостатком такого линейного генератора является потеря автономности применения, т.к. использование в его составе термоакустического двигателя не позволяет его функционирование, применяя только мускульные усилия.

Известен также (RU, патент 82957, опубл. 10.05.2009) линейный электрический генератор, включающий корпус, как минимум, три каркаса из немагнитного материала с расположенными на них в ряд кольцевыми индуктивными катушками, три генерирующих магнитных сердечника с осями из немагнитного материала, установленные с возможностью челночного перемещения их внутри каркасов с кольцевыми индуктивными катушками между опорными элементами, и привод, причем каждый из трех генерирующих магнитных сердечника содержит, как минимум, по два кольцевых постоянных магнита с осевой намагниченностью, зафиксированных на осях из немагнитного материала с расположенными навстречу друг к другу одноименными полюсами с зазором, величина которого устанавливается распорными втулками из немагнитного материала, а число кольцевых индуктивных катушек на каждом каркасе на единицу меньше числа кольцевых постоянных магнитов каждого генерирующего магнитного сердечника.

Недостатком линейного электрического генератора является незначительная выходная мощность при использовании его с ручным приводом.

Наиболее близким аналогом разработанного устройства можно признать (RU, патент 2644765, опубл. 14.02.2018) линейный электрогенератор с толкателем-колесом.

Линейный электрогенератор с толкателем-колесом, содержащий диамагнитный корпус, в котором расположены как минимум два каркаса из немагнитного материала с расположенными в них в ряд кольцевыми индуктивными катушками, два генерирующих магнитных сердечника с осями из немагнитного материала с закрепленными на них как минимум двумя кольцевыми постоянными магнитами с осевой намагниченностью и установленные одноименными полюсами навстречу друг другу с возможностью челночного перемещения сердечников внутри каркасов с кольцевыми индуктивными катушками между опорными элементами и общий для всех генерирующих магнитных сердечников кривошипно-шатунный механизм, причем в качестве механизма, обеспечивающего челночное перемещение магнитных генерирующих сердечников, использовано массивное толкатель-колесо, закрепленное на штанге, которая, в свою очередь, закреплена на вертикальной оси с использованием подшипникового узла, дающего штанге степень свободы в вертикальной плоскости, кроме того, на штанге с использованием опор, с установленными в них подшипниковыми узлами, закреплен маховик, который взаимодействует с толкателем-колесом с использованием первого повышающего редуктора, причем приводная шестерня редуктора закреплена непосредственно на боковой поверхности толкателя-колеса, а вертикальная ось установлена в корпусе с использованием подшипниковых узлов и связана с ручным приводом кинематически с использованием второго повышающего редуктора.

Предпочтительно количество генерирующих магнитных сердечников кратно двум, причем их каркасы с кольцевыми индуктивными катушками расположены в корпусе вертикально, а оси генерирующих магнитных сердечников связаны попарно с использованием V-образного коромысла, на которое они опираются нижним концом, а верхний конец осей упирается каждый в свою плоскую пружину, которая одним концом крепится к корпусу, причем V-образные коромысла закреплены на горизонтальных осях в нижней части корпуса и имеют амортизаторы под пяткой каждого из плеч коромысла, а крышка корпуса, в котором установлены каркасы генерирующих магнитных сердечников, представляет из себя плоскую поверхность с отверстиями для обеспечения челночного движения осей генерирующих магнитных сердечников, а количество отверстий соответствует количеству осей.

Главным недостатком этого линейного генератора является сложность его конструкции. Одним из основных узлов прототипа является маховик, связанный с толкателем-колесом с помощью повышающего редуктора. Маховик для обеспечения как можно большего давления на основание, должен иметь большой собственный кинетический момент. Соответственно, он должен разгоняться до больших угловых скоростей. Скорости могут достигать порядка 10000 об/мин. Это выдвигает серьезные требования к качеству балансировки маховика и к качеству подшипников, в которых он установлен. Кроме того, повышающий редуктор, передающий крутящий момент от толкателя-колеса на маховик, должен иметь большое передаточное число. Это приводит к большому времени разгона маховика до нужных скоростей, что вызывает большие трудности при эксплуатации устройства.

Техническая проблема, на решение которой направлено разработанное техническое решение, состоит в расширении ассортимента линейных генераторов.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в упрощении конструкции линейного электрогенератора с сохранением выходной мощности при использовании его в автономном режиме, т.е. с ручным или ножным приводом.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать линейный генератор разработанной конструкции. Линейный электрогенератор содержит корпус 1, как минимум два каркаса 2 из немагнитного материала с расположенными в них в ряд кольцевыми индуктивными катушками 3, два генерирующих магнитных сердечника с осями 4 из немагнитного материала с закрепленными на них, как минимум, двумя кольцевыми постоянными магнитами 5 с осевой намагниченностью и одноименными полюсами навстречу друг другу, установленные с возможностью челночного перемещения сердечников внутри каркасов с кольцевыми индуктивными катушками между опорными элементами и общий для всех генерирующих магнитных сердечников механизм, обеспечивающий челночное перемещение магнитных генерирующих сердечников, в качестве которого используется массивное толкатель-колесо 6, закрепленное на штанге 7, которая, в свою очередь, крепится к вертикальной оси 8 с использованием подшипникового узла 9, дающего штанге степень свободы в вертикальной плоскости. Вертикальная ось установлена в корпусе с использованием подшипниковых узлов 15 и связана с ручным приводом 16 кинематически с использованием повышающего редуктора 17.

Кроме того, количество генерирующих магнитных сердечников в предлагаемом устройстве кратно двум, причем их каркасы с кольцевыми индуктивными катушками расположены в корпусе вертикально, а оси генерирующих магнитных сердечников связаны попарно с использованием V-образного коромысла 18. V-образные коромысла закреплены на горизонтальных осях 19. Крышка корпуса, в котором установлены каркасы генерирующих магнитных сердечников, представляет из себя плоскую поверхность с отверстиями 20 для обеспечения челночного движения осей генерирующих магнитных сердечников, а количество отверстий соответствует количеству осей. Ручной привод представляет из себя рычаг с рукояткой.

Технический результат в предлагаемом устройстве достигается вследствие того, что в нем используют, как минимум, еще одно массивное толкатель-колесо, расположенное симметрично относительно первого. Причем каждое из дополнительных толкателей-колес крепится к вертикальной оси 8 своей штангой 7, которая, в свою очередь, закреплена в вертикальной оси 8 с использованием подшипникового узла 9. Все толкатели-колеса связаны с одним приводом. Кроме того, верхняя часть осей генерирующих магнитных сердечников закреплена в подшипнике линейного перемещения 21, расположенного соосно с отверстием 20 на нижней стороне крышки корпуса 1, а нижняя часть осей закреплена в подшипнике линейного перемещения 22, расположенного на нижней части каркаса 2. Причем к нижней части осей генерирующих магнитных сердечников крепится в подшипниковом узле 11 верхняя часть шатуна 10, а нижняя его часть закреплена в подшипниковом узле 12 на конце V-образного коромысла.

Кроме того, внутри корпуса линейных генераторов закреплен магнитопровод 13 в виде симметрично расположенных пластин из магнитного материала, на конце которых имеются полюсные наконечники 14.

Разработанная конструкция линейного электрогенератора приведена на фиг. 1 и фиг. 2. Линейный генератор содержит корпус 1, как минимум два каркаса 2 из немагнитного материала с расположенными в них в ряд кольцевыми индуктивными катушками 3, два генерирующих магнитных сердечника с осями 4 из немагнитного материала с закрепленными на них, как минимум, двумя кольцевыми постоянными магнитами 5 с осевой намагниченностью и одноименными полюсами навстречу друг другу, установленные с возможностью челночного перемещения сердечников внутри каркасов с кольцевыми индуктивными катушками между опорными элементами и общий для всех генерирующих магнитных сердечников механизм, обеспечивающий челночное перемещение магнитных генерирующих сердечников, в качестве которого используется массивное толкатель-колесо 6, закрепленное на штанге 7, которая, в свою очередь, крепится к вертикальной оси 8 с помощью подшипникового узла 9, дающего штанге степень свободы в вертикальной плоскости. Вертикальная ось установлена в корпусе с помощью подшипниковых узлов 15 и связана с ручным приводом 16 кинематически с помощью повышающего редуктора 17. Кроме того, количество генерирующих магнитных сердечников в предлагаемом устройстве кратно двум, причем их каркасы с кольцевыми индуктивными катушками расположены в корпусе вертикально, а оси генерирующих магнитных сердечников связаны попарно с помощью V-образного коромысла 18. V-образные коромысла закреплены на горизонтальных осях 19. Крышка корпуса, в котором установлены каркасы генерирующих магнитных сердечников, представляет из себя плоскую поверхность с отверстиями 20 для обеспечения челночного движения осей генерирующих магнитных сердечников, а количество отверстий соответствует количеству осей. Ручной привод представляет из себя рычаг с рукояткой.

Устройство работает следующим образом. При вращении рукоятки ручного привода, крутящий момент передается через повышающий редуктор или цепную передачу на вертикальную ось и она начинает вращаться. При этом приходят во вращение все штанги, на которых закреплены толкатели-колеса, и они начинают катиться по плоской поверхности корпуса. Толкатели-колеса, катясь по окружности вокруг вертикальной оси, по очереди наезжают на верхние части осей генерирующих магнитных сердечников, выступающих над поверхностью корпуса устройства, и передают усилие на оси генерирующих магнитных сердечников. При этом, наезжая на первую парную ось, толкатель-колесо сообщает ей движение вниз, которое через шатун передается на V-образное коромысло, что в свою очередь приводит к движению второй парной оси вверх. Челночные перемещения осей приводят к перемещению закрепленных на них постоянных магнитов внутри индуктивных катушек, что и приводит к выработке электроэнергии.

Технический результат в предлагаемом устройстве достигается вследствие того, что в нем используется несколько толкателей-колес, и суммарная мощность будет зависеть от их количества.

Любое вращающееся твердое тело представляет из себя механический гироскоп, соответственно, толкатель-колесо тоже. Усилие, передаваемое толкателем-колесом на оси генерирующих магнитных сердечников, а следовательно, и выходная мощность всего линейного электрогенератора, будет зависеть не только от веса подвижных частей, вращающихся вокруг вертикальной оси, но и от гироскопического момента, развиваемого толкателем-колесом. Использование механического гироскопа для создания дополнительного усилия давно известно и применяется в различных областях техники, например, в дробильных мельницах [1]. В них также дробильный камень, вращаясь вокруг вертикальной оси и, соответственно, вокруг собственной оси, давит на основание не только собственным весом, но и усилием, развиваемым за счет гироскопического момента.

Гироскопический момент всегда направлен так, чтобы по кратчайшему пути совместить вектор угловой скорости собственного вращения гироскопа с вектором угловой скорости его переносного (внешнего) вращения. Следовательно, если толкатель-колесо вращается против часовой стрелки, а штанга вокруг вертикальной оси, по часовой стрелке, то гироскопический момент обеспечивает дополнительное давление на поверхность корпуса устройства и определяется по формуле [1], [2]:

где

Мг - гироскопический момент в н*м;

Jтк - момент инерции толкателя-колеса в н*м*с²;

Wтк - угловая скорость вращения толкателя-колеса в 1/с;

Wш - угловая скорость вращения штанги в 1/с.

Учитывая, что [1]:

где

R - длина штанги в м;

Wш - угловая скорость вращения штанги в 1/с;

r - радиус толкателя-колеса в м;

Wтк - угловая скорость толкателя-колеса в 1/с,

Wтк - угловая скорость вращения толкателя-колеса в 1/с;

будем иметь окончательную формулу для гироскопического момента:

где

Мг - гироскопический момент в н*м;

Jтк - момент инерции толкателя-колеса в н*м*с²;

R - длина штанги в м;

r - радиус толкателя-колеса в м;

Wш - угловая скорость вращения штанги в 1/с.

При использовании в устройстве N толкателей-колес суммарный гироскопический момент будет находиться по формуле:

где N - количество толкателей-колес, используемых в устройстве.

Гироскопический момент можно представить как момент силы нормального давления Р на плече R [1]:

где

Мг - гироскопический момент в н*м;

Р - сила нормального давления в н;

R - длина штанги в м.

Сила давления всех толкателей-колес на оси генерирующих магнитных сердечников определяется по формуле:

где

Мгс - суммарный гироскопический момент в Н*м

Так как гироскопический момент зависит от квадрата угловой скорости вращения штанги, то увеличивая эту скорость, можно достичь значительного увеличения силы нормального давления, и, как следствие, увеличения выходной мощности устройства.

Мощность, которую можно получить на данном устройстве, ограничена мускульными усилиями, которые может развить человек. Поэтому, вместо ручного привода в приведенном выше линейном электрогенераторе может использоваться любой другой привод, создающий требуемую величину крутящего момента. Это может быть, например, педальный привод, использующий мускульные усилия ног, привод от ветро- или гидроколеса, двигатель, работающий на любом виде топлива. В этом случае выходная мощность линейного электрогенератора будет больше, чем при использовании ручного привода.

Реализация линейного электрогенератора с толкателем-колесом на современном уровне развития техники вполне возможна, так как кольцевые постоянные магниты выпускаются серийно в большой номенклатуре мощностей, подшипники линейного перемещения выпускаются серийно, толкатель-колесо представляет из себя цилиндрические тела, выточенные из любого подходящего металла. Угловые скорости вращения в данном устройстве невелики, поэтому подобрать необходимые редукторы и подшипники тоже не составит большого труда.

Список литературы:

1. Гироскоп. Теория и применение. К. Магнус Перевод с немецкого под редакцией Г.Д. Блюмина Издательство " Мир". Москва 1974.

2. Гироскопические системы. Теория гироскопов и гиростабилизаторов. Д.С. Пельпор. Издательство " Высшая школа ". Москва 1986.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение технологичности конструкции. Линейный электрогенератор содержит корпус, два каркаса из немагнитного материала с расположенными в них вертикально в ряд кольцевыми индуктивными катушками, два генерирующих магнитных сердечника с осями из немагнитного материала с закрепленными на них двумя кольцевыми постоянными магнитами с осевой намагниченностью и одноименными полюсами навстречу друг другу, установленными с возможностью челночного перемещения сердечников внутри каркасов с кольцевыми индуктивными катушками. На штанге закреплено массивное толкатель-колесо, обеспечивающее челночное перемещение магнитных генерирующих сердечников. Оси генерирующих магнитных сердечников связаны попарно с помощью V-образного коромысла. Дополнительно введено еще одно массивное толкатель-колесо, расположенное симметрично относительно первого, закрепленное к вертикальной оси своей штангой. Все толкатели-колеса связаны с одним приводом. При этом верхняя часть осей генерирующих магнитных сердечников закреплена в подшипнике линейного перемещения, расположенном соосно с отверстием в крышке корпуса, на нижней стороне крышки корпуса, а нижняя часть – в подшипнике линейного перемещения, расположенном на нижней части каркаса. 2 ил.

Линейный электрогенератор, отличающийся тем, что он содержит корпус, как минимум два каркаса из немагнитного материала с расположенными в них вертикально в ряд кольцевыми индуктивными катушками, как минимум два генерирующих магнитных сердечника с осями из немагнитного материала с закрепленными на них как минимум двумя кольцевыми постоянными магнитами с осевой намагниченностью и одноименными полюсами навстречу друг другу, установленными с возможностью челночного перемещения сердечников внутри каркасов с кольцевыми индуктивными катушками между опорными элементами и общий для всех генерирующих магнитных сердечников механизм, обеспечивающий челночное перемещение магнитных генерирующих сердечников, в виде массивного толкателя-колеса, закрепленного на штанге, которая, в свою очередь, крепится к вертикальной оси с помощью подшипникового узла, дающего штанге степень свободы в вертикальной плоскости, причем вертикальная ось установлена в корпусе с помощью подшипниковых узлов и связана с ручным приводом кинематически с помощью повышающего редуктора, кроме того, оси генерирующих магнитных сердечников связаны попарно с помощью V-образного коромысла, закрепленного на горизонтальных осях на нижней стороне корпуса, а крышка корпуса, в котором установлены каркасы генерирующих магнитных сердечников, представляет из себя плоскую поверхность с отверстиями для обеспечения челночного движения осей генерирующих магнитных сердечников, а количество отверстий соответствует количеству осей, отличающийся тем, что в нем используется как минимум еще одно массивное толкатель-колесо, расположенное симметрично относительно первого, причем каждое из дополнительных толкателей-колес крепится к вертикальной оси своей штангой, которая, в свою очередь, закреплена в вертикальной оси с помощью подшипникового узла, причем все толкатели-колеса связаны с одним приводом, кроме того, верхняя часть осей генерирующих магнитных сердечников закреплена в подшипнике линейного перемещения, расположенном соосно с отверстием в крышке корпуса, на нижней стороне крышки корпуса, а нижняя часть осей закреплена в подшипнике линейного перемещения, расположенном на нижней части каркаса, причем к нижней части осей генерирующих магнитных сердечников крепится в подшипниковом узле верхняя часть шатуна, а нижняя его часть закреплена в подшипниковом узле на конце V-образного коромысла, кроме того, внутри корпуса линейного электрогенератора закреплен магнитопровод в виде симметрично расположенных пластин из магнитного материала, на конце которых имеются полюсные наконечники.