RU2586234C1

RU2586234C1 - Self-contained power supply source

Info

Publication number: RU2586234C1
Application number: RU2015118055/06A
Authority: RU
Inventors: Борис Яковлевич Мактас; Владимир Михайлович Власов; Игорь Валентинович Конин
Priority date: 2015-05-14
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2016-06-10

Abstract

FIELD: electronic equipment.

SUBSTANCE: self-contained power supply source comprises elastic transmitting element in form of tight tank (1), interconnected channel (2) with sealed cylinder (3). In cylinder there is piston (5), which by means of stem (16) is connected to power converter (4). Latter represents working element (8) placed in field of permanent magnet (9). Stem (16) is rigidly connected with one side (15) of working element (8), made in form of metal plate (10) of rectangular shape. Opposite side (13) of said plate is spring loaded by spring (14). Under action of external force Q on filled with air elastic vessel (1) force at sealed channel (2) and cylinder (3) is transmitted to piston (5), which exerts pressure on working element (8). Latter starts moving, crossing power lines of magnet (9), simultaneously acting on spring (14). During reciprocal movement of working element (8) between poles of magnets (9) on two opposite sides (11) and (12) of metal plate (10) electromotive force appears, which generates electric current supplied to accumulator (6) by current conductor (7).

EFFECT: proposed is self-contained power supply source.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к возобновляемым источникам электрической энергии, предназначенные для обеспечения снабжения энергией, например, светофорных объектов, с также иных энергопотребителей.The invention relates to the field of electrical engineering, namely, to renewable sources of electrical energy, designed to provide energy, for example, traffic lights, from other energy consumers.

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.).A known power source, which consists of 20 elastic elements, each of which consists of a spring-loaded movable coil and a stationary magnet coaxially located with it. Under the influence of the vehicle’s gravity, the moving coil moves relative to the magnet, which leads to the induction of the emf in coil turns. The current arising under the influence of this emf enters the drive. After the termination of the external force, the elastic element returns to its original state under the action of a spring. The operation of this system uses the principle of electromagnetic induction to produce electricity - by mutual movement of the coil relative to magnets (see US patent No. 7432607, Ml. F04B 35/00, publ. 2008).

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.The disadvantage of the system is the complexity of the design, as a result of which its relatively low reliability, the complexity of installation and adjustment of massive metal elements of the device, the availability of expensive generators for generating electricity, and a large amount of maintenance work are provided.

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.).Closest to the proposed invention by technical essence is a self-contained power supply adopted as a prototype, comprising an elastic transmission element, an electric load, a magnetohydrodynamic generator, made in the form of a sealed cylinder of non-conductive material, inside of which movable pistons are placed on both sides, one of which is spring loaded . The internal volume of the cylinder between the pistons is filled with an electrically conductive liquid, opposite electrodes connected to the energy storage device are placed along the internal surface of the cylinder, and a magnet is installed on the external surface of the cylinder, the lines of force of which are normal to the surface of the cylinder (see RF patent No. 2543983, Ml. V60K 25 / 10, publ. 2015).

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.The disadvantage of this device is the relative complexity and low manufacturability (the presence of a sealed container with liquid, the presence of pistons that hold the liquid, which also have high requirements for tightness) and relatively low energy efficiency.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение конструкции при одновременном повышении ее надежности и увеличение мощности устройства.The technical problem to which the invention is directed is to simplify the design while increasing its reliability and increasing the power of the device.

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.The solution of the technical problem is achieved by the fact that in an autonomous power source containing a hollow elastic transmission element in the form of a tank connected by a channel with a sealed cylinder and filled simultaneously with the last air with the possibility of interaction with the energy converter via a piston, an energy storage device connected to an electric load and with using current leads - to the energy converter, while the latter consists of a working element and its constant of the magnet, according to the invention, the working element is made in the form of a rectangular metal plate moving reciprocally along the longitudinal axis of the energy converter, the upper and lower planes of which are perpendicular to the lines of force of the permanent magnet, while the current leads are fixed on each of two opposite side sides of the metal plate, moving when moving parallel to the longitudinal axis of the energy Converter, and one of the other two opposite sides of the said n the plate is spring-loaded, and the other is rigidly connected by means of a rod to a piston placed inside an airtight cylinder with air.

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.The proposed device is much simpler because it contains fewer structural elements, it removed the requirements for the tightness of individual nodes, because it does not contain fluid materials, which eliminates the failure of the device due to loss of tightness and, therefore, leads to an increase in the reliability of the structure as a whole. At the same time, the power of such an electric power source is increased, since instead of a liquid medium, a metal plate is used instead of a liquid medium, the electric conductivity of which is much higher. The manufacturability and performance of the power source are also improved, since the device is a combination of structurally simple and technologically advanced elements in the manufacture of which allows to achieve significant ease of installation and configuration, as well as a minimum amount of maintenance work.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1, представлена схема источника автономного электропитания, где Q - внешняя сила.In FIG. 1, a diagram of an autonomous power supply source is shown, where Q is an external force.

На фиг. 2 представлен преобразователь энергии источника автономного электропитания в аксонометрической проекции.In FIG. 2 shows an energy converter of an autonomous power source in axonometric projection.

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.The autonomous power supply source contains a hollow transmission element in the form of a container 1, in communication with a sealed cylinder 3 and filled simultaneously with the last air with the possibility of interaction through an air medium with an energy converter 4, affecting its moving elements by means of a piston 5. A storage device 6 is provided in the device energy. The latter is connected to an electric load (not shown in the drawing), as well as to an energy converter 4 using current leads 7. As an electric load, for example, traffic lights and other roadside equipment can be. The energy converter 4 consists of a working element 8 and a permanent magnet 9 surrounding it from the outside, the lines of force of which are normal to the longitudinal axis of the working element 8. Moreover, the working element 8 is made in the form of a rectangular metal plate 10, the upper and lower planes of which are perpendicular to the power permanent magnet lines 9. Current leads 7 are fixed on each of two opposite lateral sides 11, 12 of the plate 10, moving when moving parallel to the longitudinal axis of the energy Converter 4. Moreover, one of the two other opposite lateral sides of the said plate 10, moving during the movement perpendicular to the longitudinal axis of the energy converter 4, namely, the side 13 is spring-loaded with the help of the spring 14, and the other side 15, is rigidly connected by the rod 16 to the piston 5. When this said piston 5 is placed inside the sealed cylinder 3 with air.

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.The operation of the device is based on the application of a method that is a kind of modification of the magnetohydrodynamic method of energy conversion. The modification consists in replacing the conductive liquid, as a working element of the device, with metal. And, therefore, the modified design is devoid of some of the disadvantages inherent in the prototype.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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.When an external force Q acts on a hollow elastic and, therefore, a deformable transmission element made in the form of a sealed container 1, air from it, passing through the channel 2 to the sealed cylinder 3, moves the piston 5. The movement of the piston 5 sets in motion by means of the rod 16 in the form of a metal rectangular plate 10, the working element 8 of the energy converter 4, which begins to move horizontally, crossing the magnetic field created by the permanent magnet 9. In this case, the electrically conductive working element 8 in the ide of the metal rectangular plate 10 moves, overcoming the spring force of the spring 14. During the movement of the electrically conductive working element 8, the plate 10, an electric current flows through the magnetic field, which flows through the current leads 7 attached to each of the sides 11 and 12 of the metal plate 10 to drive 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.When the external force Q disappears, the electrically conductive working element 8 in the form of a metal plate 10 under the action of the elastic force of the spring 14 acting from the side 13 of said plate 10 returns to its original state. In this case, the piston 5, connected by a rigid connection using the rod 16 with the side 15 of the aforementioned plate 10 is moved to its initial position. A properly designed mechanical system "spring - conductive element - piston" can be tuned to resonance, which will increase the energy efficiency of the device by increasing the amplitude of the oscillations of the system, and therefore, increasing the amplitude of the current pulse, as well as increasing the time of the oscillatory process with a single exposure to external strength.

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.The use in the power source as a working element of a metal solid instead of an electrically conductive liquid, as in the prototype, can significantly simplify the design, as well as significantly increase its electrical power.

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.The proposed power supply is structurally simplified and at the same time has greater reliability. At the same time, the design allows to increase the power of the device. All of the above is achieved through the use of an electrically conductive metal body as a working element of an energy converter, namely, a metal plate instead of an electrically conductive fluid moving with two pistons, as in the prototype. Due to the latter factor, strict requirements for the tightness of the energy converter are eliminated. The power of the device is increased due to the much greater electrical conductivity of the metal plate in comparison with the liquid. In general, the proposed power supply is simple to manufacture and use, and also has a relatively low cost and increased service life.

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.Thus, if we take into account that during the passage of one car the deformation of the elastic capacity occurs at least twice, and taking into account the reverse (under the action of the spring) fluid movement, four times, then we can talk about the proposed device as a fairly effective source of power for road objects - energy consumers, such as, in particular, traffic lights. The presence of an oscillatory process, which with proper design analysis can acquire a resonant character, further increases the energy efficiency of the proposed device.

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):An increase in the power of the power source is achieved by using instead of a conductive liquid a metal plate whose conductivity is several orders of magnitude higher than any of the conductive liquids. This decision is dictated by the fact that the power of this source is determined by the ratio (see T. Cowling, Magnetic Hydrodynamics. M .: MIR Publishing House, 1984):

Р=σ*u²*В²,P = σ * u ² * B ² ,

где: σ - проводимость среды [Ом^-1*м^-1];where: σ is the conductivity of the medium [Ohm ^{-1 *} m ^-1 ];

u - скорость потока проводящей среды [м/с];u is the flow velocity of the conductive medium [m / s];

В - индукция внешнего магнитного поля [Тл].B - induction of an external magnetic field [T].

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.It follows from the formula that, ceteris paribus (invariance of the velocity of the medium u and the induction of the external magnetic field B), the power of the source grows in proportion to the conductivity of the moving medium. Therefore, replacing the liquid with a metal, we get a significant increase in the power of the device. We confirm the above example: the conductivity of the XADO G12 antifreeze is 5.08 · 10 ^-6 Ohm ^{-1 *} m ^-1 (see Assessment of the electrical conductivity of coolants in automobile operation. Http://dspace.khadi.kharkov.ua/dspace/ bitstream / 123456789/772/1 / 04.pdf). At the same time, the conductivity of aluminum and copper are respectively 3.7 * 10 ⁷ Ohm ^-1 * m ^-1 and 5.8 * 10 ⁷ Ohm ^{-1 *} m ^-1 .

Таким образом, изобретение позволяет упростить конструкцию, повысить ее надежность и увеличить мощность устройства при тех же, что и у прототипа, габаритах конструкции.Thus, the invention allows to simplify the design, increase its reliability and increase the power of the device with the same as that of the prototype, the dimensions of the structure.

Claims

An autonomous power supply source containing a hollow elastic transmission element in the form of a container communicated by a channel with a sealed cylinder and filled simultaneously with the last air with the possibility of interaction with the energy converter via a piston, an energy storage device connected to an electric load and using current leads to an energy converter, when this last consists of a working element and its covering on the outside of the permanent magnet, characterized in that the working element is made in a rectangular metal plate moving reciprocating along the longitudinal axis of the energy converter, the upper and lower planes of which are perpendicular to the lines of force of the permanent magnet, while the current conductors are fixed on each of the two opposite sides of the metal plate moving when moving parallel to the longitudinal axis of the energy converter, moreover, one of the other two opposite sides of the said plate is spring-loaded, and the other is rigidly connected by means of with a piston located inside a sealed cylinder with air.