АВТОНОМНОЕ ПИТАНИЯ СЛАБОТОЧНЫХ УСТРОЙСТВ

AUTONOMOUS POWER SUPPLY OF LOW-CURRENT DEVICES

Nikolai Pavlov

student, Department of Instrumentation and Biomedical Engineering, Don State Technical University,

Russia, Rostov-on-Don

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается индукционный генератор на постоянных магнитах для автономного питания слаботочных устройств. Рассматриваются технические нюансы данного способа и особенности исполнения.

ABSTRACT

This article discusses an induction generator with permanent magnets for autonomous power supply of low-current devices. The technical nuances of this method and the features of execution are considered.

Ключевые слова: линейный генератор, зарядный ток, литий-ионный аккумулятор.

Keywords: linear generator, charging current, lithium-ion battery.

Исследование целесообразности и эффективности использования пьезоэлектрического эффекта в качестве источника энергии для питания маломощных устройств выявило, что пьезоэлемент вырабатывает недостаточное количество тока при малых амплитуде и частоте деформации. Применение распространенных недорогих пьезоизлучателей, как генератор тока, накладывает ограничения в виде их высокой частоты резонанса (3 кГц), недостижимой при их использовании для преобразователей механической энергии движения человека в электрическую, а также невысокой износоустойчивости при цикличных нагрузках.

Для достижения требуемых параметров тока, напряжения, эргономичности и отказоустойчивости устройства, способного обеспечивать заряд аккумулятора в условиях недоступности централизованного электроснабжения или в случае чрезвычайной ситуации, было предложено использовать пьезопластины с более толстым слоем кварцевого пьезоэлектрика, которые имеют низкую резонансную частоту, где коэффициент преобразования деформации кристаллической решетки в электричество максимален. Вторым способом был выбран линейный генератор с использованием постоянных магнитов из материала N52, который будет рассмотрен в данной статье.

Во время ходьбы или бега, туловище и конечности человека движутся практически прямолинейно. Создаваемые векторные усилия при этом можно использовать для приведения в движение сердечника линейного генератора, который в свою очередь будет наводить ЭДС в обмотке статора постоянным магнитным полем. Получаемый ток можно использовать для подзарядки резервного малогабаритного аккумулятора. Например, для накопления заряда литий-ионным аккумулятором напряжением 3.7 вольт и емкостью 2500 мА/ч потребуется примерно 4 часа при зарядном токе 600 мА и напряжении 4 В. Для получения приближенных к реальности результатов, выберем в качестве накопителя энергии литий-ионный аккумулятор емкость 1000 мА/ч, вместо 2500 мА/ч. Такой емкости будет достаточно для экстренного звонка или продления работы GPS маячка, либо радиостанции. Зарядный ток при этом можно снизить до 200 мА/ч, увеличив время накопления заряда до 5 часов и оптимизировав массогабаритные характеристики генератора.

Предполагается размещение генератора в местах наибольшей амплитуды векторных сил движений человека. Для преобразования было выбрано усилие, возникающее в подошве обуви при ходьбе, и предложено техническое исполнение генератора для монтажа в каблук. Устройство является простым линейным генератором и включает корпус, установленную в нем электромагнитную систему с одной или несколькими, расположенными в ряд, кольцевыми индуктивными катушками, с цилиндрическим генерирующим магнитами, установленными с возможностью челночного перемещения внутри соосного катушке канала между ограничительными элементами на его концах, выходящих за пределы катушки, поршня, соединенного с верхней подвижной пластиной. Корпус линейного генератора изготовлен из немагнитного материала, постоянные магниты склеены ориентированно одноименными полюсами через стальной диск и закреплены на пружине соединенной с основанием корпуса. Количество обособленных генераторов, расположенных на основании корпуса варьируется от четырех, до восьми. Увеличение числа отдельных генераторов требуется для повышения суммарной мощности выходного тока. Соединение магнитов через стальную пластину одноименными полюсами друг к другу обусловлено целью получить наибольшие возмущения градиента магнитного поля, наводящего ЭДС на витки катушек при поступательном движении.

Рисунок 1. Вариант расположения катушек в каблуке обуви.

При ходьбе или беге, верхняя пластина с поршнями толкает магниты в корпус. Проходя по каналу внутри катушек магниты сдавливают возвратную пружину. При исчезновении давления, пружины выталкивают магниты вверх по каналу за пределы катушек.

Рисунок 2. Вид опытного генератора

В опытной конструкции четыре катушки, длиной 2/3 длины одиночного магнита, намотаны противофазно друг другу лакопроводом сечением 0.4 мм.кв. по 150 витков в 5 слоев.

Полученное с катушек переменное напряжение выпрямляется полупериодным мостом на диодах с малым падением напряжения, затем стабилизируется по граничному рабочему напряжению электролитического конденсатора или ионистора, выступающего в роли опорного накопителя заряда.

Однако этот тип генератора не является долговечным из-за свойств неодимовых магнитов терять магнитные свойства при нагреве свыше 100 градусов Цельсия, долгой работе во внешнем противодействующем магнитном поле, воздействии вибраций и соударений. Но использование данного источника тока как резервного вполне эффективно и оправдано.

Список литературы:

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Генератор_переменного_тока (дата обращения: 20.10.22)
2. http://www.dissercat.com/content/issledovanie-chastichnogo-razmagnichivaniya-vysokoenergeticheskikh-postoyannykh-magnitov-v-i (дата обращения: 20.10.22)