Линейный электрический генератор

Изобретение относится к области электрорадиотехники. Техническим результатом является расширение области применения за счет повышения энергетической эффективности как источника тока и уменьшение габаритов и массы. Электрогенератор включает корпус, установленную 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. 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. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к генерированию электрической энергии, конкретно к устройству линейных электрических генераторов (линейных электрогенераторов).

Известен 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: см. патенты США №5347186, НКИ 310/17 и №5975714, НКИ 362/192. Геометрические характеристики этого устройства-аналога не приведены в патентных формулах, но содержатся в патентных описаниях вместе с конструктивными схемами электрогенератора.

В упомянутом патенте США №5347186 на фиг.3А показан опытный образец электрогенератора-аналога с индуктивной катушкой весьма большой толщины, которая характеризуется отношением внешнего диаметра к внутреннему D_C/d_С=2,72. Концевые участки трубчатого канала, в котором перемещается генерирующий магнит, выходят за пределы катушки на длину, многократно превышающую длину (осевой размер) генерирующего магнита. Такие геометрические характеристики предопределили большие габариты и массу электрогенератора. При ручном манипулировании им трудно обеспечить быстрое прохождение магнита через катушку, а потому эффективность данного опытного образца как источника тока мала. Этот энергетический недостаток усилен малыми осевыми размерами магнита и катушки: магнит выполнен в виде диска, то есть короткого цилиндра, характеризуемого отношением длины к диаметру L_M/D_M=0,5, поэтому при относительной длине катушки L_C=1,1 L_M она также коротка.

Другой опытный образец электрогенератора-аналога, показанный на фиг.5А упомянутого патента США №5347186, содержит генерирующий магнит с L_M/D_M=1,18, вокруг которого смонтирован ряд из 4-х тонких длинных катушек с D_C/d_C=1,4 и L_C/L_M=1,27. Перемещение генерирующего магнита по каналу ограничено торцевыми магнитами, установленными от крайних катушек на расстоянии L_F=0,42 L_M. Из-за столь близкого расположения торцевых магнитов, которые обращены одноименными полюсами к подвижному магниту, он в крайних положениях остается почти полностью в пределах индуктивной катушки. Это обстоятельство вместе с малой толщиной катушки предопределяет неэффективность данного образца электрогенератора-аналога (несмотря на наличие в нем нескольких катушек).

Прототипом изобретения является линейный электрогенератор, представленный в упомянутом патенте США №5975714. Характеристики этого устройства, который встроен в переносной фонарь, содержатся в описании фонаря. Из него явствует, что индуктивная катушка имеет одинаковую длину с генерирующим магнитом. Рекомендуемая длина магнита (который набран из нескольких состыкованных дисков) существенно превышает его диаметр: L_M/D_M≥1,5. Челночное перемещение магнита в трубчатом канале ограничивают закрепленные по его торцам винтовые пружины, свободные концы которых весьма далеко - на длину не менее 2L_M - отстоят от катушки. Ввиду указанных геометрических характеристик электрогенератор имеет большой осевой габарит и соответствующую массу. И наоборот, его энергетическая эффективность мала, что объясняется прежде всего малой толщиной катушки: D_C/d_C=1,42. В дополнение к этому, из-за чрезмерно длинных участков канала за пределами катушки генерирующий магнит приходится перемещать на большое расстояние, что занимает время, снижая частоту получаемых электрических импульсов. Наконец, при ручном манипулировании устройством столь больших габаритов и массы (учитывая, что оно является частью портативного фонаря) трудно обеспечить высокую скорость прохождения магнита через катушку.

В конечном счете, известный линейный электрогенератор представляет собой громоздкое, тяжелое и неэффективное устройство, которое мало пригодно для практического применения.

Изобретение решает техническую задачу комплексного усовершенствования линейного электрогенератора, а именно повышения его энергетической эффективности как источника тока, наряду с уменьшением габаритов и массы, с тем чтобы обеспечить возможность широкого применения линейного электрогенератора.

Эта задача решается тем, что в линейном электрическом генераторе, включающем 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, согласно изобретению, 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.

В частных случаях осуществления изобретения:

- катушка выполнена из медной проволоки диаметром от 0,15 мм до 0,5 мм, намотанной в количестве от 2000 до 5000 витков;

- ограничительный элемент выполнен в виде упругого неметаллического диска;

- ограничительный элемент выполнен в виде упругой диафрагмы;

- ограничительный элемент выполнен в виде пружины;

- ограничительный элемент выполнен в виде магнита, обращенного к генерирующему одноименным полюсом;

- ограничительным элементом является непосредственно торцевая поверхность канала;

- ограничительным элементом является корпусная часть электрогенератора;

- линейный электрогенератор выполнен с возможностью размещения на транспортном средстве, например на велосипеде;

- линейный электрогенератор выполнен с возможностью размещения на транспортировочном устройстве, например на лифте;

- линейный электрогенератор выполнен с возможностью размещения на ветроэлектроагрегате.

При осуществлении изобретения ожидается технический результат, совпадающий с существом решаемой задачи.

Существо изобретения иллюстрирует чертеж, на котором показан схематично предлагаемый линейный электрогенератор в разрезе, с частичным вырывом. В корпусе 1 смонтирована электромагнитная система с кольцевой (круглой) индуктивной катушкой (соленоидом) 2, с цилиндрическим подвижным магнитом 3 внутри нее. Этот генерирующий магнит помещен с радиальным зазором в соосную катушке немагнитную, токонепроводящую (например, пластиковую) трубку 4 с выступающими за пределы катушки концами. На торцах трубки установлены ограничительные элементы 5, определяющие крайние положения магнита при его челночном перемещении (показаны штрихами). Эти элементы, выполненные в конкретном случае в виде упругих неметаллических дисков (например, резиновых шайб), демпфируют ударные нагрузки на конструкцию электрогенератора и способствуют возвратному движению магнита в направлении катушки. В электронном блоке 6 с контактами для подсоединения потребителя может предусматриваться накопитель.

Относительные размеры составных элементов в представленном электрическом генераторе находятся в следующих пределах: D_C/d_C=1,5÷2,5; L_M/D_M=0,75÷1,25; L_C/L_M=0,75÷1,25; L_F/L_M=0,75÷1,5. (Условные обозначения параметров приведены выше и соответствуют обозначениям на чертеже; численные значения параметра L_F для правого и левого торцов трубки могут различаться).

Предложенный линейный электрогенератор работает так же, как аналогичные устройства. Необходимое для получения электрических импульсов челночное движение магнита 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. Можно также непосредственно воздействовать на генерирующий магнит от специального приводного устройства: см. упомянутый патент США №5347186, фиг.14.

Заявленные отличительные признаки линейного электрогенератора, представляющие относительные размеры его составных элементов, являются итогом испытаний многих экспериментальных образцов. При их изготовлении варьировались размеры составных элементов, определяющие энергетические и габаритно-массовые характеристики электрогенератора. Из представленного выше обзора устройств-аналогов видно, что они частично соответствуют отличительным признакам изобретения. Однако лишь заявленная совокупность значений D_C/d_C, L_M/D_M, L_C/L_M, L_F/L_M обеспечивает в комплексе: малые габариты и массу линейного электрогенератора, возможность придания генерирующему магниту высокой скорости движения, получение электрических импульсов больших амплитуд, частот и продолжительности. Образцы электрогенератора, изготовленные в соответствии с заявленными геометрическими характеристиками, продемонстрировали легкость в обращении, наряду с эффективной и надежной работой, осуществимость быстрого челночного движения генерирующего магнита без перекосов и заклинивания.

Примером является изготовленный образец электрогенератора с катушкой из 2350 витков медной проволоки диаметром 0,2 мм с абсолютными размерами составных элементов (в мм): D_C=36, d_C=17, L_C=15, L_M=12, D_M=14, L_F=15 (соотношение размеров: D_C/d_C=2,12; L_M/D_M=0,86; L_C/L_M=1,25; L_F/L_M=1,25). При длине 60 мм этот образец короче (и соответственно легче) в 3 раза известных устройств, легко умещается в руке; им легко манипулировать (трясти) для выработки импульсов тока. За 30 секунд такой операции вырабатывается электроэнергии, достаточной для питания светодиодного комнатного светильника в течение нескольких минут.

Как явствует из вышеизложенного, изобретение осуществимо на базе обычной технологии. При этом генерирующий магнит изготовляется из обладающего большой магнитной силой сплава (например, «самарий - кобальт», «неодим - железо - бор»). Тело магнита может быть сплошным или состоять из нескольких частей с различными характеристиками (это определяется, в частности, возможностями изготовления магнита). Для большинства применений целесообразно изготавливать соленоид из медной проволоки диаметром от 0,15 мм до 0,5 мм, наматывая его в количестве от 2000 до 5000 витков (минимальному диаметру соответствует наибольшее из этих чисел, а максимальному диаметру - наименьшее).

Представленные выше технические решения (включая фигуру) не исчерпывают сущности изобретения. В частности, ограничительный элемент для генерирующего магнита может размещаться как непосредственно в трубке 4, так и вне ее. Он может выполняться в виде упругой диафрагмы, пружины (например, пластинчатой) или магнита, обращенного к генерирующему одноименным полюсом. Ограничительным элементом может быть непосредственно торцевая поверхность канала или корпусная часть электрогенератора. В одном образце электрогенератора на противоположных концах канала могут предусматриваться разные ограничительные элементы, причем на различном расстоянии L_F от катушки. (Очевидно, что для электрогенератора с несколькими установленными в ряд катушками расстояние L_F отмеряется от ограничительного элемента до ближайшей, соседней, катушки).

Областью применения изобретения является, в первую очередь, питание маломощных потребителей тока, таких как сигнальные маячки, портативные радиоприемники и радиопередатчики, сотовые телефоны, 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 линейный электрогенератор может быть частью автономного блока питания или может встраиваться в упомянутые устройства, как ручные, так и носимые на теле.

Предложенный линейный электрогенератор удобно монтируется на разнообразных механических устройствах, в частности на колесных транспортных средствах. Например, электрогенератор можно установить на раме или передней вилке велосипеда, расположив ось катушки параллельно оси колеса. При этом на колесных спицах крепятся по окружности один или несколько приводных магнитов, обращенных к генерирующему одноименными полюсами, чтобы при вращении колеса приводной магнит периодически располагался напротив генерирующего, толкая его в дальний конец катушечного канала. Здесь необходимо предусмотреть магнит или пружинный элемент для возврата генерирующего магнита к колесу. Таким образом, при вращении колеса генерирующий магнит будет совершать челночное движение, вырабатывая ток. Опытный образец подобного устройства, изготовленный в соответствии с изобретением, показал, что уже при движении велосипеда со скоростью пешехода электрогенератор вырабатывает ток с параметрами, достаточными для питания велосипедного фонаря, для слушания портативного радиоприемника и т.п.

Аналогичный велосипедному электрогенератор хорошо вписывается и в компоновку 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 линейный электрогенератор может успешно применяться для выработки электрической энергии при движении разного рода транспортировочных устройств. Например, снаружи лифтовой кабины могут монтироваться ряд генерирующих блоков, а на стенках лифтовой шахты - соответствующий ряд приводных магнитов. Вырабатываемый ток может использоваться в целях освещения кабины.

Вышеизложенное подтверждает ожидаемый от изобретения технический результат, состоящий в комплексном усовершенствовании линейного электрогенератора, а именно в повышении его энергетической эффективности как источника тока, наряду с уменьшением габаритов и массы, что обеспечивает возможность широкого применения линейного электрогенератора.

1. 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, отличающийся тем, что 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.

2. Линейный электрический генератор по п.1, отличающийся тем, что катушка выполнена из медной проволоки диаметром от 0,15 мм до 0,5 мм, намотанной в количестве от 2000 до 5000 витков.

3. Линейный электрический генератор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что ограничительный элемент выполнен в виде упругого неметаллического диска.

4. Линейный электрический генератор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что ограничительный элемент выполнен в виде упругой диафрагмы.

5. Линейный электрический генератор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что ограничительный элемент выполнен в виде пружины.

6. Линейный электрический генератор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что ограничительный элемент выполнен в виде магнита, обращенного к генерирующему одноименным полюсом.

7. Линейный электрический генератор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что ограничительным элементом является непосредственно торцевая поверхность канала.

8. Линейный электрический генератор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что ограничительным элементом является корпусная часть.

9. Линейный электрический генератор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью размещения на транспортном средстве, например на велосипеде.

10. Линейный электрический генератор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью размещения на транспортировочном устройстве, например на лифте.

11. Линейный электрический генератор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью размещения на ветроэлектроагрегате.