RU2575557C1

RU2575557C1 - Method of electric energy generation during motion of railway vehicles and independent source of power supply of automation equipment elements of railway transport

Info

Publication number: RU2575557C1
Application number: RU2014144648/11A
Authority: RU
Inventors: Сергей Валерьевич Зеленский; Валерий Александрович Зеленский; Станислав Валерьевич Шеповаленко
Original assignee: Сергей Валерьевич Зеленский; Валерий Александрович Зеленский; Станислав Валерьевич Шеповаленко
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-02-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: on the rail U-shaped magnetic conductor is placed which is fitted with the insert formed by permanent magnet and electric winding. The permanent magnet is placed on the magnetic conductor bridge connecting two of its opposite branches under the rail base. One of magnetic conductor branches is attached rigidly to the rail web. The electric winding is placed on another branch of the magnetic conductor which is arranged with the air gap with reference to the rail head. When the wheel flange crosses this air gap its magnetic permeability changes that leads to change of the value of magnetic flux in the closed magnetic circuit. At the expense of this in the electric winding the voltage is generated which is accumulated. The independent power supply consists of U-shaped magnetic conductor fitted with the insert formed by the permanent magnet and the electric winding.

EFFECT: improvement of reliability and efficiency of electric power generation during motion of railway transport.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретения относятся к области железнодорожного транспорта, а именно к средствам получения электрической энергии во время движения железнодорожных составов, используемой для обеспечения электропитанием элементов автоматики железнодорожного транспорта.The invention relates to the field of railway transport, and in particular to means for generating electrical energy during the movement of trains used to provide power to the automation elements of railway transport.

Современное движение рельсовых подвижных составов не может обходиться без управляющих устройств - элементов автоматики, для обеспечения работы которых требуется электрическая энергия.The modern movement of rail rolling stocks cannot do without control devices - automation elements that require electric energy to operate.

Подача электроэнергии к элементам автоматики от стационарных электростанций связана с необходимостью использования дополнительных проводов, кабелей, протяженность которых может в несколько раз превышать длину железных дорог, что приводит к значительным потерям электроэнергии и требует значительных дополнительных материальных затрат.The supply of electricity to the automation elements from stationary power plants is associated with the need to use additional wires, cables, the length of which can be several times the length of railways, which leads to significant losses of electricity and requires significant additional material costs.

Известны другие средства электропитания элементов автоматики, например, такие как сухие батареи, аккумуляторные батареи, солнечные батареи, недостатки которых связаны прежде всего с необходимостью их обслуживания как постоянного, так и периодического, что приводит к неудобствам при эксплуатации и также требует значительных дополнительных материальных затрат.Other means of power supply of automation elements are known, for example, such as dry batteries, rechargeable batteries, solar batteries, the disadvantages of which are associated primarily with the need for their maintenance, both constant and periodic, which leads to inconvenience in operation and also requires significant additional material costs.

Известны также средства получения электрической энергии при колебании рельсов во время движения по рельсам железнодорожных составов, например, из патента RU 2095265 C1. Для этого на путях между шпалами и между рельсами располагают пьезоэлектрический преобразователь механического давления в разность электрических потенциалов /ГШМД РЭП/. При прохождении подвижных составов давление их колес передают через рельсы на ППМД РЭП, в результате чего и получают разность электрических потенциалов. Для передачи давления от рельсов на ППМД РЭП используют рычажно-консольную систему. При этом плечо рычага используют в качестве опоры. Давление на ППМД РЭП регулируют изменением упругости опоры и длиной плеча рычагов. Направление давления на ППМД РЭП одного из рельсов меняют на обратное. Это известное средство позволяет преобразовывать в электрическую энергию изменение давления на рельсы при прохождении подвижных составов, а его основной недостаток заключается в том, что в качестве генератора разности электрических потенциалов используется пьезоэлектрический эффект, энергия, выделяемая которым, незначительна, поэтому КПД преобразования этого известного средства чрезвычайно низок.Means are also known for generating electric energy when the rails oscillate while traveling on rails of trains, for example, from patent RU 2095265 C1. To do this, on the paths between the sleepers and between the rails have a piezoelectric transducer of mechanical pressure in the difference of electric potentials / GSHMD REP /. When rolling stocks pass, the pressure of their wheels is transmitted through the rails to the RPMD REP, as a result of which the difference in electric potentials is obtained. To transfer pressure from the rails to the RPMD REP, a lever-console system is used. In this case, the lever arm is used as a support. The pressure on the RPMD REP is regulated by a change in the elasticity of the support and the length of the arm leverage. The direction of pressure on the RPMD REP of one of the rails is reversed. This well-known tool allows you to convert the pressure on the rails during the passage of rolling stocks into electrical energy, and its main disadvantage is that the piezoelectric effect is used as a generator of the electric potential difference, the energy released by which is insignificant, therefore, the conversion efficiency of this known means is extremely low.

Из патента RU 2444458 C1 также известно средство получения электрической энергии при колебании рельсов во время движения железнодорожных составов. В этом известном средстве для получения электрической энергии формируют замкнутую магнитную цепь, состоящую из двух участков, первым из которых является часть рельса, совершающего вертикальные колебания при прохождении колес подвижного состава, вторую часть располагают неподвижно. Между первой и второй частями магнитной цепи выполняют зазоры, изменяющиеся при давлении на рельс. Изменение магнитного поля в указанной замкнутой магнитной цепи используют для генерирования электромагнитной индукции. В качестве первого участка магнитной цепи используют нижнюю часть головки рельса, а в качестве второго участка - П-образный магнитопровод. Первый и второй участки магнитной цепи разделены двумя зазорами, расположенными между поверхностью головки рельса и ветвями П-образного магнитопровода. Магнитопровод имеет вставку из постоянного магнита и содержит электрическую обмотку. Ветви П-образного магнитопровода изогнуты в сторону рельса под некоторым углом так, чтобы поверхности зазоров, образованных между ветвями и поверхностью головки рельса, были параллельны друг другу. Это известное средство обеспечивает прямое преобразование колебательного движения рельсов при движении железнодорожных составов в электрическую энергию, имеет высокий КПД преобразования, не требует постоянного обслуживания, однако имеет и недостатки, которые связаны с тем, что оно не надежно из-за конструктивных особенностей устройства, реализующего способ получения электроэнергии, описанный в патенте RU 2444458 C1, т.к. для обеспечения его работы необходимо соблюдать и поддерживать необходимую величину и параллельность воздушного зазора, что проблематично вследствие не всегда и трудно контролируемой величины колебания рельса, и из-за возможной его деформации в ту, или иную сторону, и из-за прохождения по рельсу различных по весу железнодорожных объектов, и т.д.From patent RU 2444458 C1 is also known a means of generating electrical energy when the rails oscillate during the movement of trains. In this known means for generating electrical energy, a closed magnetic circuit is formed, consisting of two sections, the first of which is a part of a rail that performs vertical vibrations when passing wheels of a rolling stock, the second part is stationary. Between the first and second parts of the magnetic circuit, gaps are made that vary with rail pressure. A change in the magnetic field in said closed magnetic circuit is used to generate electromagnetic induction. The lower part of the rail head is used as the first section of the magnetic circuit, and the U-shaped magnetic circuit is used as the second section. The first and second sections of the magnetic circuit are separated by two gaps located between the surface of the rail head and the branches of the U-shaped magnetic circuit. The magnetic circuit has an insert of a permanent magnet and contains an electric winding. The branches of the U-shaped magnetic circuit are bent towards the rail at a certain angle so that the surfaces of the gaps formed between the branches and the surface of the rail head are parallel to each other. This well-known tool provides direct conversion of the oscillatory movement of the rails during the movement of trains into electrical energy, has a high conversion efficiency, does not require constant maintenance, however, it also has drawbacks that are not reliable due to the design features of the device that implements the method power generation described in patent RU 2444458 C1, because to ensure its operation, it is necessary to observe and maintain the necessary size and parallelism of the air gap, which is problematic due to the not always and difficult to control value of the rail oscillations, and because of its possible deformation in one direction or another, and because of the passage of different weight of railway facilities, etc.

Изобретения направлены на повышение надежности и эффективности получения электроэнергии при движении по рельсам объектов железнодорожного транспорта.The invention is aimed at improving the reliability and efficiency of generating electricity when moving on rails of railway facilities.

Изобретения поясняются с помощью графических материалов, где на фиг. 1 показаны П-образный магнитопровод 1, установленный на рельсе 2, вставка 3 из постоянного магнита, генерирующая электрическая обмотка 4. На фиг. 1 показан предпочтительный случай выполнения П-образного магнитопровода, когда две его противоположные ветви 5 и 6 параллельны друг другу и продольной оси поперечного сечения рельса 2, однако они могут быть и изогнутыми, но в любом случае они направлены вверх к его головке 7. Одна из двух параллельных ветвей П-образного магнитопровода 5 жестко прикреплена к шейке 8 рельса 2, другая 6 из двух параллельных ветвей П-образного магнитопровода размещена с зазором 9 относительно головки 7 рельса 2 и на ней размещена генерирующая электрическая обмотка 4, выполненная по типу обмотки трансформатора. Вставка 3, выполненная из постоянного магнита, размещена на перемычке 10 П-образного магнитопровода, которая соединяет две его параллельные ветви 5 и 6, под подошвой 11 рельса 2.The invention is illustrated with the help of graphic materials, where in FIG. 1 shows a U-shaped magnetic circuit 1 mounted on a rail 2, a permanent magnet insert 3, generating an electric winding 4. In FIG. 1 shows the preferred case of the U-shaped magnetic circuit, when its two opposite branches 5 and 6 are parallel to each other and the longitudinal axis of the cross section of the rail 2, however, they can be curved, but in any case they are directed upward to its head 7. One of two parallel branches of the U-shaped magnetic circuit 5 is rigidly attached to the neck 8 of the rail 2, the other 6 of the two parallel branches of the U-shaped magnetic circuit is placed with a gap 9 relative to the head 7 of the rail 2 and the generating electric winding 4 is placed on it made by type of transformer winding. The insert 3, made of a permanent magnet, is placed on the jumper 10 of the U-shaped magnetic circuit, which connects its two parallel branches 5 and 6, under the sole 11 of the rail 2.

Предлагаемый способ получения электрической энергии основан на использовании магнитной проницаемости движущихся колес объектов железнодорожного транспорта и магнитного поля постоянного магнита. Т.е. используется изменение напряженности магнитного поля при пересечении колесом объекта железнодорожного транспорта воздушного промежутка 9, в котором имеется магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 3.The proposed method for producing electric energy is based on the use of magnetic permeability of moving wheels of railway objects and the magnetic field of a permanent magnet. Those. the change in the magnetic field intensity is used when the wheel crosses the object of railway transport of the air gap 9, in which there is a magnetic field created by the permanent magnet 3.

Для этого создается цепь для магнитопровода (для магнитных силовых линий) с помощью элементов П-образного магнитопровода: противоположных ветвей 5 и 6, перемычки 10, постоянного магнита 3 и рельса 2. В этой цепи имеется воздушный зазор 9, имеющий слабую магнитную проницаемость.For this, a circuit is created for the magnetic circuit (for magnetic lines of force) using the elements of a U-shaped magnetic circuit: opposite branches 5 and 6, a jumper 10, a permanent magnet 3 and a rail 2. This circuit has an air gap 9 having a low magnetic permeability.

При проезде объекта железнодорожного транспорта через предлагаемое устройство его колеса своими ребордами попадают частично в указанный воздушный зазор 9, как схематично показано на фиг. 2, и улучшают тем самым его магнитную проницаемость. В результате получается изменяющийся по величине (по интенсивности) пульсирующий магнитный поток через систему элементов П-образного магнитопровода, т.е. ветвей 5 и 6, и перемычки 10. При этом в генерирующей электрической обмотке 4 будет наводиться электрическое напряжение, которое можно аккумулировать с помощью электрических конденсаторов большой емкости (не показаны), и в дальнейшем использовать накопленную электроэнергию для питания различных электрических устройств соответствующей мощности, в том числе для питания элементов автоматики железнодорожного транспорта. При этом следует заметить, что, поскольку при движении объектов железнодорожного транспорта связь его колес с рельсами 2 сохраняется постоянно, то и периодическое перекрывание упомянутого воздушного зазора 9 ребордами колес также обеспечивается постоянно, и при возможном отклонении реборды колеса влево или вправо напряжение все равно будет наводиться, обеспечивая надежную и эффективную работу по получению электроэнергии.When a railway object passes through the proposed device, its wheels with their flanges partially fall into the indicated air gap 9, as schematically shown in FIG. 2, and thereby improve its magnetic permeability. As a result, a pulsating magnetic flux varying in magnitude (in intensity) through a system of U-shaped magnetic core elements, i.e. branches 5 and 6, and jumpers 10. In this case, an electric voltage will be induced in the generating electric winding 4, which can be accumulated using high-capacity electric capacitors (not shown), and in the future use the accumulated electricity to power various electrical devices of the corresponding power, including for powering railway automation components. It should be noted that, since the movement of the objects of railway transport, the connection of its wheels with rails 2 is constant, then the periodic overlap of the aforementioned air gap with 9 wheel flanges is also provided constantly, and if the wheel flanges deviate left or right, the voltage will still be induced , providing reliable and efficient work on generating electricity.

Конструкция источника электропитания элементов автоматики железнодорожного транспорта, которая описана в заявке, проста и надежна, не требует постоянного обслуживания.The design of the power source of the automation elements of the railway transport, which is described in the application, is simple and reliable, does not require constant maintenance.

Для увеличения мощности вдоль железнодорожного пути целесообразно устанавливать несколько автономных источников электропитания, выходы которых запараллеливать, а получаемую с них электроэнергию направлять в общий накопитель энергии. Описанная в заявке конструкция автономных источников электропитания позволяет устанавливать их как на один рельс, так и на оба рельса.To increase power along the railway, it is advisable to install several autonomous power sources, the outputs of which are parallelized, and the electricity received from them is sent to a common energy store. The design of autonomous power sources described in the application allows them to be installed both on one rail and on both rails.

Проведенные натурные испытания подтвердили надежную и эффективную работу предлагаемых способа и устройства.Field tests confirmed the reliable and efficient operation of the proposed method and device.

Claims

1. A method of generating electrical energy during the movement of railway objects, wherein a U-shaped magnetic circuit is provided on the rail, equipped with an insert of a permanent magnet and a generating electric winding, characterized in that the insert of a permanent magnet is placed on a jumper of a U-shaped magnetic circuit connecting two its opposite branches, under the sole of the rail, one of the two opposite branches of the U-shaped magnetic circuit is rigidly attached to the neck of the rail, I place the electric winding t on the other of the two opposite branches of the U-shaped magnetic circuit, and this branch itself is placed with an air gap relative to the rail head with the possibility of forming a closed magnetic circuit; when this air gap is crossed by the flange of the wheel of a moving railway object, its magnetic permeability changes, which leads to a change in the magnitude of the magnetic flux in a closed magnetic circuit, due to which an electric voltage is generated in the generating electrical winding, which is accumulated using an electric energy storage device.

2. An autonomous power source of automation elements of railway transport, including a U-shaped magnetic circuit mounted on a rail, having an insert of a permanent magnet and containing a generating electric winding, the two opposite branches of the U-shaped magnetic circuit pointing up to its head, characterized in that one of the two opposite branches of the U-shaped magnetic circuit is rigidly attached to the neck of the rail, the other of the two opposite branches of the U-shaped magnetic circuit is placed with a gap of in relative rail head, and placed it generates an electrical winding, insertion of a permanent magnet is placed on the bridge of the U-shaped magnetic circuit, connecting its two opposite branches, under the rail foot.

3. An autonomous power supply of railway automation components according to claim 2, characterized in that the two opposite branches of the U-shaped magnetic circuit are parallel to each other and to the longitudinal axis of the rail cross section.

4. The autonomous power supply of automation elements of railway transport according to claim 2, characterized in that the rail itself is used as one of the branches of the U-shaped magnetic circuit, and the second branch is rigidly attached to the bottom of the rail.