RU2540413C1

RU2540413C1 - Vibration-to-voltage converter

Info

Publication number: RU2540413C1
Application number: RU2013136275/07A
Authority: RU
Inventors: Леонид Алексеевич Потапов; Татьяна Владимировна Сморудова
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2015-02-10
Also published as: RU2013136275A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: vibration-to-voltage converter comprises a fixed magnetic core with excitation and generation windings, a movable magnetic core with a resilient element, a capacitor and diodes. The movable magnetic core is made of high-carbon steel and moved in direction of magnetic flow. The resilient element has rigidity that defines free-running frequency of the movable magnet core as approximately equal to free-running frequency of the vehicle. The capacitor has capacitive resistance approximately equal to inductive resistance of the generation winding.

EFFECT: increasing power.

1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электромагнитным генераторам, которые служат автономными источниками питания. Предлагаемый преобразователь вибраций в электрическое напряжение может быть использован для получения электрической энергии от любого вибрирующего тела, в том числе для электропитания устройств и подзарядки аккумуляторов во время движения транспортного средства (автомобиль, железнодорожный вагон и др.).The invention relates to electrical engineering, in particular to electromagnetic generators, which serve as autonomous power sources. The proposed converter of vibrations into electrical voltage can be used to obtain electrical energy from any vibrating body, including for powering devices and recharging batteries while the vehicle is moving (car, railway carriage, etc.).

Известны электрические генераторы возвратно-поступательного движения, содержащие магнитопроводы с обмоткой, закрепленные неподвижно, и постоянные магниты, приведенные в возвратно-поступательное движение посторонним источником энергии (Хитерер М.Я., Овчинников И.Е. Синхронные электрические машины возвратно-поступательного движения, СПб: Корона принт, 2004. - 368 с.). Основными недостатками рассмотренных конструкций являются сложность устройства и применение постоянных магнитов, а также невозможность использования генератора при малых перемещениях подвижного элемента (например, при вибрациях).Known are electric generators of reciprocating motion, containing magnetic circuits with a winding fixed fixed, and permanent magnets brought into reciprocating motion by an external energy source (Hiterer M.Ya., Ovchinnikov I.E. Synchronous electric machines of reciprocating motion, St. Petersburg : Crown print, 2004 .-- 368 p.). The main disadvantages of the considered designs are the complexity of the device and the use of permanent magnets, as well as the inability to use the generator for small movements of the movable element (for example, during vibrations).

Известен вибрационный генератор электрической энергии (патент РФ 2439771), содержащий постоянный магнит, магнитопровод, рабочую обмотку, подвижное средство изменения магнитного потока в магнитопроводе, отличающийся тем, что подвижное средство изменения магнитного потока в магнитопроводе выполнено в виде шунта, состоящего из чередующихся магнитопроводящих и магнитонепроводящих слоев, расположенных перпендикулярно направлению колебания шунта. Недостатки такого генератора заключаются в сложности конструкции и повышенной стоимости постоянных магнитов, а также малой мощности выходного сигнала, обусловленной малой массой подвижного средства и небольшим изменением магнитного потока (постоянный магнит и два рабочих зазора не позволяют получить индукцию в зазорах больше 0,1 Тл).Known vibrational generator of electrical energy (RF patent 2439771), containing a permanent magnet, magnetic circuit, working winding, a movable means of changing the magnetic flux in the magnetic circuit, characterized in that the movable means of changing the magnetic flux in the magnetic circuit is made in the form of a shunt, consisting of alternating magnetically conductive and magnetically non-conductive layers perpendicular to the direction of oscillation of the shunt. The disadvantages of this generator are the complexity of the design and the increased cost of permanent magnets, as well as the low power of the output signal due to the small mass of the moving medium and a small change in magnetic flux (a permanent magnet and two working gaps do not allow induction in gaps greater than 0.1 T).

Наиболее близким по конструкции и принципу действия является линейный генератор возвратно-поступательного движения Потапова Л.А. и Сморудовой Т.В. (заявка №2012108778/07 от 7.03.2012), в котором подвижный магнитопровод выполнен из углеродистой стали, сохраняющей остаточную индукцию (вместо дорогих постоянных магнитов), и организована система самовозбуждения. Недостатками этого генератора являются сложность конструкции и необходимость движения подвижного магнитопровода перпендикулярно магнитным потокам, что не позволяет его использовать при малых перемещениях магнитопровода (например, при вибрациях).The closest in design and principle of operation is a linear oscillator of reciprocating motion Potapova L.A. and Smorudova T.V. (application No. 2012108778/07 dated March 7, 2012), in which the movable magnetic circuit is made of carbon steel that retains residual induction (instead of expensive permanent magnets), and a self-excitation system is organized. The disadvantages of this generator are the design complexity and the need to move the movable magnetic circuit perpendicular to the magnetic flux, which does not allow it to be used for small movements of the magnetic circuit (for example, during vibrations).

Задача изобретения - упрощение конструкции и получение максимальной мощности устройства.The objective of the invention is to simplify the design and obtain maximum power of the device.

Предлагается преобразователь вибраций в электрическое напряжение, содержащий неподвижный магнитопровод с обмотками возбуждения и генераторной, подвижный магнитопровод с упругим элементом, конденсатор и диоды, отличающийся тем, что с целью упрощения конструкции и получения максимальной мощности устройства подвижный магнитопровод выполнен из высокоуглеродистой стали и перемещается в направлении магнитного потока, упругий элемент имеет жесткость, определяющую частоту собственных колебаний подвижного магнитопровода преобразователя примерно равной частоте собственных колебаний транспортного средства, а конденсатор имеет емкостное сопротивление, примерно равное максимальному индуктивному сопротивлению генераторной обмотки.A vibration to electric voltage converter is proposed, comprising a fixed magnetic circuit with field windings and a generator, a mobile magnetic circuit with an elastic element, a capacitor and diodes, characterized in that in order to simplify the design and obtain maximum power of the device, the mobile magnetic circuit is made of high carbon steel and moves in the magnetic direction flow, the elastic element has a stiffness that determines the frequency of the natural oscillations of the moving magnetic circuit approximately equal to the natural frequency of the vehicle, and the capacitor has a capacitance approximately equal to the maximum resistance of the induction generator winding.

В предлагаемой конструкции преобразователя перемещение подвижного магнитопровода происходит в направлении магнитных потоков, при этом изменяется рабочий зазор между подвижным и неподвижным магнитопроводами, изменяется магнитная индукция и поток в магнитной цепи и наводится ЭДС в генераторной обмотке. Подвижный магнитопровод закреплен на упругих элементах и вместе с ними образует колебательную систему. Жесткость упругого элемента и масса подвижного магнитопровода определяют частоту собственных колебаний этой колебательной системы. Для повышения эффективности преобразователя частоту его собственных колебаний приближают к частоте собственных колебаний вибрирующего тела (например, транспортного средства), т.к. вблизи резонанса амплитуда колебаний будет наибольшей. Выходную мощность преобразователя определяет масса подвижного элемента (а ее можно выполнить достаточно большой) и диапазон изменения магнитной индукции в рабочем зазоре (при изменении рабочего зазора от 0,1 мм до 0,6 мм магнитная индукция может изменяться от 1 до 0,2 Тл).In the proposed design of the transducer, the movement of the movable magnetic circuit occurs in the direction of magnetic fluxes, while the working gap between the movable and fixed magnetic circuits changes, the magnetic induction and flux in the magnetic circuit are changed, and the EMF in the generator winding is induced. The movable magnetic circuit is fixed on the elastic elements and together with them forms an oscillatory system. The stiffness of the elastic element and the mass of the moving magnetic circuit determine the frequency of natural vibrations of this oscillatory system. To increase the efficiency of the converter, the frequency of its own vibrations is brought closer to the frequency of natural vibrations of a vibrating body (for example, a vehicle), because near the resonance, the amplitude of the oscillations will be the largest. The output power of the converter is determined by the mass of the moving element (and it can be quite large) and the range of variation of the magnetic induction in the working gap (when the working gap is changed from 0.1 mm to 0.6 mm, the magnetic induction can vary from 1 to 0.2 T) .

Подвижный магнитопровод имеет простую форму (без выступов) и выполнен из более дешевого материала - высокоуглеродистой стали (вместо постоянных магнитов). Для обеспечения самовозбуждения и повышения зарядного тока емкостное сопротивление конденсатора приближено к индуктивному сопротивлению генераторной обмотки, т.к. вблизи резонанса напряжений ток в цепи приближается к максимально возможному.The mobile magnetic circuit has a simple shape (without protrusions) and is made of a cheaper material - high-carbon steel (instead of permanent magnets). To ensure self-excitation and increase the charging current, the capacitance of the capacitor is close to the inductive resistance of the generator winding, because near the voltage resonance, the current in the circuit approaches the maximum possible.

На чертеже представлена конструкция преобразователя вибраций.The drawing shows the design of the vibration transducer.

Преобразователь вибраций содержит корпус 1 с закрепленным к нему неподвижным П-образным магнитопроводом 2, на котором имеются обмотки возбуждения 3 и генераторные обмотки 4.The vibration transducer comprises a housing 1 with a fixed U-shaped magnetic circuit 2 fixed to it, on which there are field windings 3 and generator windings 4.

Подвижный магнитопровод 5 закреплен на упругих элементах 6. На подвижном магнитопроводе закреплены два уголка 7 с амортизирующими прокладками 8, исключающих прилипание подвижного магнитопровода к неподвижному и уменьшающих шум при вибрациях. Концы уголков 7 входят в пазы ограничителей хода 9, закрепленных на корпусе 1. С помощью ограничителей хода регулируются минимальный и максимальный зазоры в магнитной цепи. Выводы генераторной обмотки подключены через диодный мост 10 к конденсатору 11. Выводы обмотки возбуждения тоже подключены к конденсатору через диод 12. Конденсатор подключен к клеммам 13 или разъему 14, расположенным снаружи корпуса 1, при этом корпус 1 может быть выполнен герметичным.The movable magnetic circuit 5 is fixed on the elastic elements 6. Two corners 7 with shock absorbing spacers 8 are fixed to the movable magnetic circuit, eliminating the adhesion of the movable magnetic circuit to the stationary one and reducing noise during vibrations. The ends of the corners 7 are included in the grooves of the travel stops 9, mounted on the housing 1. With the help of travel stops, the minimum and maximum gaps in the magnetic circuit are regulated. The terminals of the generator winding are connected through the diode bridge 10 to the capacitor 11. The terminals of the field winding are also connected to the capacitor through the diode 12. The capacitor is connected to the terminals 13 or connector 14 located outside the housing 1, while the housing 1 can be sealed.

Работает преобразователь вибраций следующим образом. При подсоединении преобразователя вибраций к вибрирующему телу подвижный магнитопровод в преобразователе вибраций тоже будет совершать колебания с собственной частотой, определяемой жесткостью упругого элемента и массой подвижного магнитопровода. Если собственная частота колебаний подвижного магнитопровода будет близка к частоте вибрирующего тела (приближаясь к резонансу), то амплитуда колебаний подвижного магнитопровода будет стремиться к наибольшему значению. При колебаниях подвижного магнитопровода относительно неподвижного будет изменяться зазор между ними, что приведет к изменению напряженности магнитного поля и магнитной индукции в магнитной цепи и создаст ЭДС в генераторной обмотке, пропорциональную скорости изменения потокосцепления $E = w - \frac{d Ф}{d t}$

, где w - число витков генераторной обмотки, Ф=BS, Ф и В - поток и магнитная индукция в неподвижном магнитопроводе, S - сечение полюса этого магнитопровода. В генераторной обмотке 4 формируется знакопеременная ЭДС, которая диодным мостом 10 выпрямляется и конденсатором 11 сглаживается. С конденсатора 11 снимается выходное напряжение U_вых на внешний разъем 14 или клеммы 13 (для подключения внешних устройств), а также напряжение для питания обмотки возбуждения 3. При этом последовательно с обмоткой возбуждения в прямом направлении включен диод D, отсекающий ту переменную составляющую тока, наведенного в этой обмотке изменяющимся магнитным потоком, которая направлена встречно основному току возбуждения. Для увеличения тока, отдаваемого генераторной обмоткой, емкостное сопротивление конденсатора выполняют примерно равным индуктивному сопротивлению генераторной обмотки, т.к. вблизи резонанса напряжений ток будет стремиться к наибольшему значению. При этом преобразователь вибраций будет работать в режиме самовозбуждения.The vibration converter operates as follows. When connecting the vibration transducer to the vibrating body, the moving magnetic circuit in the vibration transducer will also oscillate with its natural frequency, determined by the stiffness of the elastic element and the mass of the moving magnetic circuit. If the natural frequency of the oscillations of the moving magnetic circuit is close to the frequency of the vibrating body (approaching the resonance), then the amplitude of the oscillations of the moving magnetic circuit will tend to the highest value. With oscillations of the moving magnetic circuit relative to the stationary one, the gap between them will change, which will lead to a change in the magnetic field and magnetic induction in the magnetic circuit and will create an EMF in the generator winding proportional to the rate of change of flux linkage

E = w - \frac{d F}{d t}

where w is the number of turns of the generator winding, Ф = BS, Ф and В is the flux and magnetic induction in a fixed magnetic circuit, S is the pole section of this magnetic circuit. An alternating emf is formed in the generator winding 4, which is rectified by the diode bridge 10 and smoothed by the capacitor 11. From the capacitor 11, the output voltage _Uout is removed to the external connector 14 or terminal 13 (for connecting external devices), as well as the voltage for supplying the field coil 3. In this case, a diode D is connected in series with the field coil, cutting off that alternating current component, induced in this winding by a varying magnetic flux, which is directed counter to the main excitation current. To increase the current given by the generator winding, the capacitance of the capacitor is approximately equal to the inductive resistance of the generator winding, because near voltage resonance, the current will tend to the highest value. In this case, the vibration converter will operate in self-excitation mode.

Самовозбуждение преобразователя вибраций осуществляется следующим образом. В нерабочем состоянии подвижный магнитопровод 5, выполненный из углеродистой стали, сохраняет остаточную намагниченность. При этом в магнитной цепи сохраняется некоторый остаточный магнитный поток. При возникновении вибраций перемещение подвижного магнитопровода 5 от первоначального (устойчивого) положения приведет к изменению магнитного потока, возникновению в генераторной обмотке 4 ЭДС, увеличению напряжения на конденсаторе 11, появлению тока в обмотке возбуждения 3. При этом магнитный поток в магнитопроводе 2 увеличится и при дальнейших возвратно-поступательных движениях подвижного магнитопровода 5 ЭДС в генераторной обмотке 4 будет постепенно возрастать, напряжение на конденсаторе 11 и ток в обмотке возбуждения 3 тоже будут возрастать. Все это приведет к постепенному увеличению магнитного потока в магнитопроводе 2 до тех пор, пока отдельные участки магнитопровода 2 не войдут в режим насыщения. При насыщении магнитопровода 2 максимальное значение магнитного потока будет оставаться неизменным и при сохранении частоты возвратно-поступательных движений напряжение на выходе генератора будет оставаться неизменным.The self-excitation of the vibration transducer is as follows. In the idle state, the movable magnetic circuit 5, made of carbon steel, retains residual magnetization. In this case, a certain residual magnetic flux is retained in the magnetic circuit. When vibrations occur, moving the movable magnetic circuit 5 from its initial (stable) position will lead to a change in magnetic flux, the appearance of an EMF in the generator winding 4, an increase in voltage across the capacitor 11, and the appearance of current in the field winding 3. In this case, the magnetic flux in the magnetic circuit 2 will increase with further the reciprocating movements of the EMF mobile magnetic circuit 5 in the generator winding 4 will gradually increase, the voltage across the capacitor 11 and the current in the excitation winding 3 will also increase to groan. All this will lead to a gradual increase in magnetic flux in the magnetic circuit 2 until then, until individual sections of the magnetic circuit 2 enter saturation mode. When the magnetic circuit 2 is saturated, the maximum value of the magnetic flux will remain unchanged and while maintaining the frequency of the reciprocating movements, the voltage at the generator output will remain unchanged.

Claims

A vibration to electric voltage converter comprising a fixed magnetic circuit with field windings and a generator, a mobile magnetic circuit with an elastic element, a capacitor and diodes, characterized in that the mobile magnetic circuit is made of high carbon steel and moves in the direction of magnetic flux, the elastic element has a stiffness that determines the frequency of natural oscillations of the moving magnetic circuit of the Converter is approximately equal to the frequency of the natural oscillations of the vehicle, and the capacitor It has a capacitance approximately equal to the maximum inductance of the generator winding.