Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения электрической энергии во время движения железнодорожных объектов и автономный источник электропитания электрических приборов наземных объектов железнодорожного транспорта

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к средствам получения электрической энергии во время движения железнодорожных составов, используемой для обеспечения электропитанием электрических приборов наземных объектов железнодорожного транспорта, оборудования необслуживаемых железнодорожных переездов, элементов автоматики и других устройств аппаратуры автоматического дистанционного контроля за техническим состоянием элементов подвески объектов железнодорожного транспорта.

Известен способ получения разности электрических потенциалов при колебании рельсов во время движения железнодорожных составов (см. патент РФ №2095265, МПК B61L 1/04), заключающийся в том, что на путях между шпалами или между рельсами на опоре располагают пьезоэлектрический преобразователь механического давления в разность электрических потенциалов /ППМД РЭП/. При прохождении подвижных составов давление их колес передают через рельсы на ППМД РЭП, в результате чего и получают разность электрических потенциалов.

Устройство для передачи давления от рельсов на ППМД РЭП выполнено в виде пьезоэлектрического преобразователя механического давления в разность электрических потенциалов (ППМД РЭП), имеющего корпус, пьезоэлектрический элемент и электроды, закрепленного на опоре рычажно-консольной системы, имеющей консоль, рычаг левого рельса и рычаг правого рельса, соединенные шарниром, установленным на опоре. Давление на ППМД РЭП регулируется изменением упругости опоры и длиной плеча рычагов.

Это известное техническое решение позволяет преобразовывать в электрическую энергию изменение давления на рельсы при прохождении подвижного состава, и его основной недостаток заключается в том, что в качестве генератора разности электрических потенциалов используется пьезоэлектрический преобразователь механического давления, энергия которого незначительна, поэтому КПД преобразования чрезвычайно низок.

Известен также способ получения электрической энергии при колебании рельсов во время движения железнодорожных составов (см. патент РФ №2444458, МПК: В61L 1/04). В известном способе 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. При этом в качестве первого участка магнитной цепи используют нижнюю часть головки рельса, или верхнюю часть подошвы рельса.

Известное устройство для реализации способа содержит замкнутую магнитную цепь, состоящую из двух участков: первый участок является нижней частью головки рельса, второй участок магнитопровода выполнен из электротехнической стали и 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. Магнитопровод имеет вставку из постоянного магнита, содержит генерирующую электрическую обмотку и установлен на двух пластинах, жестко прикрепленных к стержню, вбитому в полотно железной дороги.

Эти известные способ и устройство обеспечивают прямое преобразование колебательного движения рельсов при движении железнодорожных составов в электрическую энергию. Устройство хотя и имеет относительно высокий КПД преобразования, но требует постоянного обслуживания, кроме того, оно имеет и ряд других недостатков, которые связаны с тем, что оно не надежно из-за конструктивных особенностей устройства, т.к. для обеспечения его работы необходимо соблюдать и поддерживать необходимую величину и параллельность воздушного зазора, что проблематично из-за колебания рельса и возможной его деформации, в виду прохождения по рельсу, различных по весу, железнодорожных объектов и т.д.

Известен способ получения электрической энергии во время движения железнодорожных объектов, при котором располагают на рельсе П-образный магнитопровод, снабженный вставкой из постоянного магнита и генерирующей электрической обмоткой, вставку из постоянного магнита размещают на перемычке П-образного магнитопровода, соединяющей две его противоположные ветви, под подошвой рельса, одну из двух противоположных ветвей П-образного магнитопровода жестко прикрепляют к шейке рельса, генерирующую электрическую обмотку размещают на другой из двух противоположных ветвей П-образного магнитопровода, а саму эту ветвь размещают с воздушным зазором относительно головки рельса с возможностью образования замкнутой магнитной цепи; при пересечении этого воздушного зазора ребордой колеса движущегося железнодорожного объекта происходит изменение его магнитной проницаемости, что приводит соответственно к изменению величины магнитного потока в замкнутой магнитной цепи, за счет чего в генерирующей электрической обмотке генерируется электрическое напряжение, которое аккумулируют с помощью накопителя электрической энергии (см. патент РФ №2575557, МПК: В61L 1/04).

Известный автономный источник электропитания элементов автоматики железнодорожного транспорта для реализации способа (см. патент РФ №2575557, МПК: В61L 1/04), включает П-образный магнитопровод, установленный на рельсе, имеющий вставку из постоянного магнита и содержащий генерирующую электрическую обмотку, причем две противоположные ветви П-образного магнитопровода направлены вверх к его головке, одна из двух противоположных ветвей П-образного магнитопровода жестко прикреплена к шейке рельса, другая из двух противоположных ветвей П-образного магнитопровода размещена с зазором относительно головки рельса, а на ней размещена генерирующая электрическая обмотка, вставка из постоянного магнита размещена на перемычке П-образного магнитопровода, Соединяющей две его противоположные ветви, под подошвой рельса параллельны друг другу и продольной оси поперечного сечения рельса, кроме того в качестве одной из ветвей П-образного магнитопровода используется сам рельс, а вторая ветвь жестко прикрепляется к подошве рельса.

Недостатком прототипа является относительно низкий КПД преобразователя, обусловленный необходимостью иметь ширину воздушного зазора значительно больше толщины реборды рельса. Это вызвано необходимостью обеспечения безопасности движения в месте установки источника питания, поскольку ширина воздушного зазора относительно стандартной, первоначально установленной, может уменьшаться за счет изменения ширины колесной пары, упругого изгиба ее оси, упругих изменений ширины колеи под подвижным составом, возможного запаса по толщине реборды колеса и ряда других факторов. В связи с этим величину воздушного зазора необходимо выбирать равной не менее 76 мм, при этом толщина реборды в месте перекрытия воздушного зазора составляет порядка 30 мм. При попадании реборды колеса в воздушный зазор цепи постоянного магнита часть воздушного зазора уменьшается на величину, равную толщине реборды, но остается остаток воздушного зазора, равный примерно 46 мм. Наличие остаточного воздушного зазора достаточно большого по величине приводит к сильному снижению интенсивности поля постоянного магнита, а следовательно, к снижению КПД преобразователя.

Изобретение направлено на повышение надежности и эффективности получения электроэнергии при движении по рельсам объектов железнодорожного транспорта.

Указанная задача достигается тем, что в способе получения электрической энергии во время движения железнодорожных объектов, при котором под рельсом располагают П-образный магнитопровод, снабженный вставкой из постоянного магнита и генерирующей электрической обмоткой, при этом вставку из постоянного магнита размещают на перемычке П-образного магнитопровода, соединяющей две его противоположные ветви с воздушным зазором, при пересечении которого происходит изменение его магнитной проницаемости, что приводит соответственно к изменению величины магнитного потока в замкнутой магнитной цепи, за счет чего в генерирующей электрической обмотке генерируется электрическое напряжение, которое аккумулируют с помощью накопителя электрической энергии, изменение величины магнитного потока осуществляется воздействием реборды колеса железнодорожного объекта на металлические стержни, которые размещают на подпружиненной металлической перекладине, при этом один из стержней размещают с возможностью взаимодействия с ребордой колеса, а другой - с возможностью пересечения воздушного зазора между ветвями магнитопровода в момент наезда колеса железнодорожного объекта.

Автономный источник электропитания электрических приборов наземных объектов железнодорожного транспорта для реализации способа, включающий установленный под рельсом П-образный магнитопровод, противоположные ветви которого направлены вверх и имеющий вставку из постоянного магнита, размещенную на перемычке магнитопровода, соединяющей две его противоположные ветви с зазором и содержащий генерирующую электрическую обмотку на одной из них, снабжен закрепленными на подпружиненной перекладине противоположно ориентированными металлическими стержнями, при этом верхний стержень смонтирован с возможностью взаимодействия с ребордой колеса железнодорожного объекта, а нижний - с возможностью перекрытия воздушного зазора между ветвями магнитопровода, причем нижний стержень выполнен из магнитомягкого материала.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлена схема источника электропитания, на фиг. 2 представлен автономный источник электропитания, на фиг. 3 вариант выполнения автономного источника электропитания с несколькими магнитопроводами.

Автономный источник электропитания содержит П-образный магнитопровод 1, расположенный под рельсом 2, противоположные ветви 3 и 4, которого направлены вверх к головке рельса, размещены с зазором 5 и параллельно друг другу, вставку 6 из постоянного магнита, генерирующую электрическую обмотку 7, упругую пластину 8, смонтированную на П-образной перекладине 9, закрепленные на упругой пластине взаимно противоположно металлические стержни 10, 11. Противоположные ветви 12, 13 перекладины шарнирно закреплены в стаканах 14, 15 металлического корпуса 16 и снабжены возвратными пружинами 17. Стержень 10 ориентирован с возможностью взаимодействия с ребордой колеса проходящего подвижного. состава, а стержень 11 - с возможностью пересечения воздушного зазора 5 магнитопровода 1. Стержень 11 выполнен из магнитомягкого материала. Шарниры и зазор вокруг пластины 8 прикрываются гибкими крышками для исключения попадания в них пыли, грязи и посторонних предметов. Стержень 10 размещают на некотором расстоянии от рельса 2 и его сечение выбирают не менее 46 мм, чем обеспечивается постоянная связь его с ребордами колес проходящего железнодорожного объекта и периодическое перекрытие воздушного зазора 5 металлическим стержнем 11. Источник электропитания работает следующим образом.

При нажатии ребордой колеса на стержень 10, последний воздействует на перекладину 9 и вызывает ее перемещение, при этом стержень 11 перекрывает воздушный зазор 5, между ветвями 3, 4 магнитопровода 1. В результате возникает изменяющийся по величине (по интенсивности) пульсирующий магнитный поток через систему элементов П-образного магнитопровода, т.е. ветвей 3, 4, и вставки 6. При этом в генерирующей электрической обмотке 7 будет наводиться электрическое напряжение, причем изменение магнитного потока в магнитопроводе 1 происходит скачкообразно (в виде импульса), что в сумме обеспечивает существенно большее изменение магнитного потока, проходящего через электрическую обмотку 7 а, следовательно, и значительно большую величину снимаемой электрической энергии. Электрическое напряжение, которое будет наводиться в генерирующей электрической обмотке 7, можно аккумулировать с помощью электрических конденсаторов большой емкости (на черт, не показаны), и в дальнейшем использовать накопленную электроэнергию для питания различных электрических устройств. После съезда колеса с устройства возвратные пружины 17 обеспечивают возврат в первоначальное положение упругой пластины 8.

Для увеличения числа перемещений стержня 11 от воздействия реборды одного колеса, на пластину 8 можно установить несколько стержней 10. При наезде реборды на каждый из отдельных элементов 10, последний передает нажатие на пластину 8 и далее перемещение передается на стержень 11. Учитывая, что возникающие электрические сигналы, имеют различную полярность: одна получается при наезде колеса и противоположная - при съезде колеса, возникающие электрические сигналы детектируются при помощи двухполупериодного выпрямителя (на черт, не показан) и полученная энергия поступает в накопитель энергии (на черт, не показан).

Повышенная эффективность предлагаемого способа получения электроэнергии объясняется тем, что величина остаточного воздушного зазора в предлагаемом способе между ветвями магнитопровода, имеет значение менее 1 мм, что в десятки раз меньше, чем величина остаточного воздушного зазора в прототипе, и кроме того металлический стержень из магнитомягкого материала имеет значительно большую магнитную проницаемость, чем материал реборды колеса, что способствует практически скачкообразному изменению магнитного потока, при этом происходит существенно большее изменение интенсивности магнитного потока, и соответственно, значительно большая величина снимаемой электрической энергии.

Конструкция источника электропитания наземных объектов железнодорожного транспорта проста и надежна, может работать в любых условиях окружающей среды, и не требует постоянного обслуживания.

Для увеличения мощности вдоль железнодорожного пути можно устанавливать несколько автономных источников электропитания, выходы которых запараллеливать, а получаемую с них электроэнергию направлять в общий накопитель энергии. Описанная в заявке конструкция автономного источника электроэнергии позволяет устанавливать такие источники как на один рельс, так и на оба рельса.

Проведенные натурные испытания подтвердили надежную и эффективную работу заявляемого устройства.