RU2024786C1 - Small-sized dynamic light - Google Patents

Abstract

FIELD: lighting engineering. SUBSTANCE: small-sized dynamic light has housing 1 where generator is located. Generator consists of rotor in form of permanent magnet 5 consisting of disk and stator with magnetic circuit embraced by winding whose projection on the plate perpendicular to axis of rotation of rotor has form of incomplete disk and movable device for transmitting external translational motion to the rotor through gear and overrunning clutch. Magnet 5 is shifted relative to magnetic circuit 9 along its axis of rotation. Magnet and magnetic circuit are made of end form at end clearance relative to each other. EFFECT: enhanced efficiency. 7 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к светотехнике, в частности к переносным световым устройствам со встроенным генератором. The invention relates to lighting engineering, in particular to portable lighting devices with a built-in generator.

Известны электродинамические фонари, в которых генератор, состоящий из ротора и статора, монтируется внутри корпуса и имеется устройство передачи внешнего механического движения ротору, состоящее из колес разного диаметра [1]. Known electrodynamic lights in which a generator consisting of a rotor and a stator is mounted inside the housing and there is a device for transmitting external mechanical motion to the rotor, consisting of wheels of different diameters [1].

Яркость свечения таких фонарей пропорциональна магнитному потоку, проходящему через воздушные зазоры между ротором и статором
Φ=B˙S,
где В - индукция в воздушном зазоре;
S - площадь зазора. Площадь воздушного зазора определяется габаритами фонаря, которые, например, для ручного фонаря должны быть соразмерны с площадью ладони и длиной пальцев.The brightness of such lamps is proportional to the magnetic flux passing through the air gaps between the rotor and stator
Φ = B˙S,
where is the induction in the air gap;
S is the area of the gap. The area of the air gap is determined by the dimensions of the lamp, which, for example, for a manual lamp should be commensurate with the area of the palm and the length of the fingers.

Для удобства работы с фонарем при его надежном удержании в руке фонарь лучше выполнять в форме, близкой к форме параллелепипеда, сторона которого, прилежащая к ладони, больше стороны, перпендикулярной ладони. For the convenience of working with the lamp, when it is held firmly in the hand, it is better to perform the lamp in a shape close to the shape of a parallelepiped, the side of which adjoining the palm is larger than the side perpendicular to the palm.

Для конструкции фонаря, где ротор охватывает статор [2], площадь S воздушного зазора
S = K₁ ˙ K₂ ˙ R_л ˙ Н_л, где R - радиус ладони;
Н_л - размер фонаря в направлении, перпендикулярном ладони;
К₁, К₂ - коэффициенты пропорциональности.For the design of the lamp where the rotor covers the stator [2], the air gap area S
S = K ₁ ˙ K ₂ ˙ R _l ˙ N _l , where R is the radius of the palm;
N _l - the size of the lamp in the direction perpendicular to the palm;
K ₁ , K ₂ - proportionality coefficients.

При передаче движения пальцев ротору через подвижное устройство и колесо должно располагаться параллельно ладони, что еще в большей степени (в К₃ раз) ограничивает размер Н_л и, следовательно, площадь S воздушного зазора, учитывая Н_л ˙ К₄ ˙ R_л:
S = K₁˙ K_2˙ K₃ ˙ K₄ ˙ R_л ², причем каждый из коэффициентов К₂, К₃ и К₄ меньше 1. Но поскольку для продолжительности свечения ручного фонаря на оси вращения ротора с целью увеличения момента инерции принято [3], [4] устанавливать инерционное тело, то это еще в большей степени ограничивает площадь S воздушного зазора:
S = K₁˙ K₂ ˙K₃˙ K₄ ˙ K₅ ˙R_л ², где К₅ - также меньше 1.When transmitting the movement of the fingers to the rotor through the mobile device and the wheel should be parallel to the palm of the hand, which even more (K ₃ times) limits the size of N _l and, therefore, the area S of the air gap, taking into account N _l ˙ K ₄ ˙ R _l :
S = K ₁ ˙ K _2˙ K ₃ ˙ K ₄ ˙ R _l ² , and each of the coefficients K ₂ , K ₃ and K _{4 is} less than 1. But since for the duration of the glow of the hand lamp on the axis of rotation of the rotor in order to increase the moment of inertia, it is accepted [3], [4] to establish an inertial body, then this further limits the area S of the air gap:
S = K ₁ ˙ K ₂ ˙ K ₃ ˙ K ₄ ˙ K ₅ ˙ R _l ² , where K ₅ is also less than 1.

Техническим результатом, который обеспечивается изобретением, является повышение яркости и длительности свечения фонаря. The technical result that is provided by the invention is to increase the brightness and duration of the glow of the lamp.

Технический результат обеспечивается тем, что в малогабаритном динамическом фонаре, содержащем корпус, размеры которого соответствуют площади ладони и длине пальцев для размещения в руке, генератор, монтируемый внутри корпуса и состоящий из ротора и статора, устройство для передачи внешнего механического движения ротору, содержащее по крайней мере одно колесо, ротор выполнен в виде постоянного магнита в форме диска, а статор представляет собой по крайней мере, один магнитопровод, охватываемый обмоткой и при этом магнит и магнитопровод выполнены торцевыми и размещены с торцевым зазором друг относительно друга. The technical result is ensured by the fact that in a small-sized dynamic lamp containing a housing, the dimensions of which correspond to the area of the palm and the length of the fingers for placement in the hand, a generator mounted inside the housing and consisting of a rotor and a stator, a device for transmitting external mechanical movement to the rotor, containing at least at least one wheel, the rotor is made in the form of a permanent magnet in the form of a disk, and the stator is at least one magnetic circuit, covered by a winding and the magnet and magnetic circuit Execute end and has a tip clearance with respect to each other.

На фиг.1 и 2 представлен малогабаритный динамически фонарь в собранном виде в двух проекциях; на фиг.3 - 8 - варианты выполнения фонаря. Figures 1 and 2 show a compact dynamically assembled flashlight in two projections; figure 3 - 8 - embodiments of the flashlight.

В корпусе 1 с одной стороны находится лампочка 2 с рефлектором 3 и прозрачная крышка 4. Лампочка получает энергию от электрического генератора, состоящего из ротора и статора. Ротор выполнен в виде постоянного магнита 5 в форме диска, закрепленного на оси 6. Ось 6 установлена на опорах 7 и 8, размещенных на внутренней поверхности корпуса 1. Статор выполнен в виде магнитопровода 9, охватываемого обмоткой 10. Магнитопровод имеет такую форму, что его проекция на плоскость, перпендикулярную оси вращения ротора, как это изображено на фиг.3, имеет вид неполного сектора с центром на оси вращения ротора. При этом магнит 5 смещен относительно магнитопровода 9 вдоль оси вращения 6, а радиус его выбран соразмерным с радиусом неполного сектора, ограничивающим внешние, т.е. наиболее удаленные от оси вращения контуры магнитопровода. При этом поверхность магнита А, обращенная в сторону, противоположную направлению смещения, и поверхность магнитопровода В, обращенная в направлении смещения магнита, образуют торцевой воздушный зазор δ для обеспечения потокосцепления ротора с обмоткой статора. Подвижное устройство для передачи внешнего поступательного движения ротору содержит несколько элементов. Рычаг 11 закреплен одним концом в корпусе. На другом конце рычаг имеет ручку 12, выступающую из корпуса. Ручка 12 имеет своим продолжением зубчатую рейку 13, которая входит в корпус и зацеплена с колесом 14, имеющим два зубчатых зацепления разных диаметров. On one side of the housing 1 is a bulb 2 with a reflector 3 and a transparent cover 4. The bulb receives energy from an electric generator consisting of a rotor and a stator. The rotor is made in the form of a permanent magnet 5 in the form of a disk mounted on the axis 6. The axis 6 is mounted on the supports 7 and 8 located on the inner surface of the housing 1. The stator is made in the form of a magnetic circuit 9, covered by a winding 10. The magnetic circuit has such a shape that it the projection onto a plane perpendicular to the axis of rotation of the rotor, as shown in figure 3, has the form of an incomplete sector centered on the axis of rotation of the rotor. In this case, the magnet 5 is shifted relative to the magnetic circuit 9 along the axis of rotation 6, and its radius is selected commensurate with the radius of the incomplete sector, restricting the external ones, i.e. the most remote from the axis of rotation of the contours of the magnetic circuit. In this case, the surface of the magnet A, facing in the opposite direction to the bias direction, and the surface of the magnetic circuit B, facing in the direction of bias of the magnet, form an end air gap δ to ensure flux linkage of the rotor with the stator winding. A movable device for transmitting external translational motion to the rotor contains several elements. The lever 11 is fixed at one end in the housing. At the other end, the lever has a handle 12 protruding from the housing. The handle 12 has a continuation of the gear rack 13, which enters the housing and is engaged with a wheel 14 having two gears of different diameters.

Пружина 15, также закрепленная в корпусе, сжата при положении рычага, изображенном на фиг.1 сплошной линией, и ее действие направлено на перемещение рычага в положение, изображенное пунктиром. The spring 15, also fixed in the housing, is compressed at the lever position shown in Fig. 1 by a solid line, and its action is aimed at moving the lever to the position indicated by the dotted line.

Зубчатое зацепление меньшего диаметра D₁ взаимосвязано с зубчатой рейкой 13, а зубчатое зацепление большего диаметра D₂ взаимосвязано с зубчатым колесом 16, охватывающим ось 6. На колесе 16 имеются два кулачка 17 с двумя защелками 18. Защелки 18 имеют возможность вращаться относительно центров 0₁ и 0₂ для взаимодействия с пилообразным зубчатым внутренним зацеплением 19, выполненным в виде углубления на одной стороне магнита.A gearing of a smaller diameter D _{1 is} interconnected with a gear rack 13, and a gearing of a larger diameter D _{2 is} interconnected with a gear 16 covering the axis 6. On the wheel 16 there are two cams 17 with two latches 18. The latches 18 can rotate relative to the centers 0 ₁ and 0 ₂ for interacting with a sawtooth gear internal gear 19 made in the form of a recess on one side of the magnet.

Фонарь работает следующим образом. The lantern works as follows.

В исходном положении рычаг 11 под действием пружины 15 занимает положение, изображенное на фиг.1 пунктиром. При нажатии на рычаг пальцем руки он перемещается внутрь корпуса и зубчатая рейка 13 приводит во вращение по часовой стрелке (см. фиг.1 ) через зацепление малого диаметра D₁ колесо 14. Перемещение колеса 14 через зацепление D₂ приводит во вращение против часовой стрелки колесо 16, охватывающее со скользящей посадкой ось 6. При этом благодаря центробежному ускорению защелки 18 входят во взаимодействие с зубчатым внутренним зацеплением 19 и приводят ротор во вращательное движение против часовой стрелки. При повороте магнита изменяется его потокосцепление с обмоткой статора и возникает ЭДС, пропорциональная индукции, площади воздушного зазора и частоте оборотов ротора. Благодаря инерции ротора его вращение продолжается и после остановки перемещения рычага и колес.In the initial position, the lever 11 under the action of the spring 15 occupies the position shown in dotted line in figure 1. When you press the lever with your finger, it moves inside the housing and the gear rack 13 rotates clockwise (see figure 1) through the engagement of a small diameter D ₁ wheel 14. Moving the wheel 14 through the gear D ₂ rotates the wheel counterclockwise 16, covering axis 6 with a sliding fit. In this case, due to centrifugal acceleration, the latches 18 interact with internal gearing 19 and rotate the rotor counterclockwise. When the magnet is rotated, its flux linkage with the stator winding changes and an emf appears, proportional to the induction, the area of the air gap and the rotational speed of the rotor. Due to the inertia of the rotor, its rotation continues even after stopping the movement of the lever and wheels.

Как показано на фиг.1 и 2 для удобства пользования фонарем сторона его, прилежащая к ладони, значительно больше сторон, перпендикулярных ладони. Если конструировать фонарь по известным принципам, т.е. использовать для образования воздушного зазора цилиндрические поверхности статора и ротора, одна из которых охватывает другую, то площадь зазора, принимая также во внимание, что высота такого цилиндра сокращается реальными размерами колес, передающих вращение, составит всего 20-25% от площади торцевого зазора, образованного поверхностями А и В. С целью увеличения площади торцевого зазора рекомендовано выполнять в виде неполного диска. Для технологичности изготовления статора диск имеет паз, ширина которого соответствует размерам обмотки. Размеры магнита рекомендовано выбирать таким образом, чтобы радиус диска магнита был равен радиусу неполного сектора магнитопровода и наибольшему радиусу колеса с двойным зацеплением (см. фиг.3 и 4). При этом можно достичь достаточной величины момента инерции ротора без применения дополнительных инерционных тел и при сохранении габаритов фонаря использовать отсутствие инерционных тел для большего увеличения размеров магнита и, таким образом, еще больше увеличить магнитную индукцию в воздушном зазоре, а следовательно, увеличить потокосцепление, увеличить ЭДС и яркость свечения фонаря. As shown in figures 1 and 2 for the convenience of using the lantern, its side adjacent to the palm is much larger than the sides perpendicular to the palm. If you design a flashlight according to well-known principles, i.e. use the cylindrical surfaces of the stator and rotor, one of which covers the other, to form an air gap, then the gap area, taking into account that the height of such a cylinder is reduced by the actual dimensions of the wheels transmitting rotation, will be only 20-25% of the area of the end gap formed surfaces A and B. In order to increase the area of the end gap, it is recommended to perform in the form of an incomplete disk. For manufacturability of the stator, the disk has a groove whose width corresponds to the size of the winding. It is recommended to choose the dimensions of the magnet so that the radius of the magnet's disk is equal to the radius of the incomplete sector of the magnetic circuit and the largest radius of the wheel with double engagement (see Figs. 3 and 4). In this case, it is possible to achieve a sufficient value of the moment of inertia of the rotor without the use of additional inertial bodies and, while maintaining the dimensions of the lamp, use the absence of inertial bodies to increase the size of the magnet and, thus, further increase magnetic induction in the air gap, and therefore, increase flux linkage, increase EMF and the brightness of the lantern.

На фиг.5 и 6 изображен еще один усовершенствованный вариант конструкции малогабаритного фонаря. В нем с целью повышения яркости свечения статор содержит несколько обмоток, смещенных относительно магнита в одном направлении. Каждая из обмоток намотана на отдельном магнитопроводе. Обмотки соединены так, что их ЭДС суммируются. Такой вариант дает возможность в зазоре определенной величины разместить больше витков, чем сможет содержать одна обмотка, и таким образом увеличить генерируемое напряжение, а следовательно, яркость свечения фонаря. Этому способствует также то, что увеличена при этом суммарная площадь воздушного зазора, а следовательно, и потокосцепление. Figures 5 and 6 show another improved design of a small-sized flashlight. In order to increase the brightness of the glow, the stator contains several windings displaced relative to the magnet in one direction. Each of the windings is wound on a separate magnetic circuit. The windings are connected so that their EMF are summed. This option makes it possible to place more turns in a gap of a certain size than one winding can contain, and thus increase the generated voltage, and therefore the brightness of the luminaire. This is also facilitated by the fact that the total area of the air gap, and hence the flux linkage, is increased.

Еще один усовершенствованный вариант конструкции показан также на фиг.5 и 6. Усовершенствование заключается в том, что магнитопроводы размещены в одной плоскости и зазоры между ними меньше зазора между каждым магнитопроводом и магнитом. Характерной особенностью конструкции, изображенной на фиг.3 и 4, или, например, в известной конструкции [3] является то, что магнит может занять такое положение, когда его поток имеет наибольшее значение. Магнит при отсутствии внешних сил стремится занять это положение и сохраняет его, пока внешнее усилие не достигает определенного значения. При инерционном вращении ротора это взаимодействие магнита с магнитопроводом показывает тормозящее действие и сокращает длительность свечения фонаря после каждого перемещения рычага от упора до упора. Конструкция, показанная на фиг. 5 и 6, свободна от этого недостатка, так как магнит не имеет уже преимущественного положения, поскольку изменение проводимости определяется только зазором между соседними магнитопроводами. Если магнитная проводимость конструкции по фиг.1 в положении, когда магнитный поток сцеплен с обмоткой, равна
G=

, где μ_o - магнитная проницаемость воздуха;
S - площадь воздушного зазора;
δ - длина зазора и при повороте на 90^о магнитная проводимость потокосцепления магнита с магнитопроводом падает в несколько раз, то изменение проводимости примерно равно наибольшему значению проводимости.Another improved design option is also shown in FIGS. 5 and 6. The improvement lies in the fact that the magnetic cores are placed in the same plane and the gaps between them are less than the gap between each magnetic circuit and the magnet. A characteristic feature of the structure depicted in FIGS. 3 and 4, or, for example, in the known structure [3] is that the magnet can occupy a position where its flux is of the greatest importance. In the absence of external forces, a magnet tends to occupy this position and retains it until the external force reaches a certain value. During inertial rotation of the rotor, this interaction of the magnet with the magnetic circuit shows a braking effect and reduces the duration of the luminaire after each movement of the lever from lock to lock. The construction shown in FIG. 5 and 6, it is free from this drawback, since the magnet no longer has an advantageous position, since the change in conductivity is determined only by the gap between adjacent magnetic circuits. If the magnetic conductivity of the structure of figure 1 in the position when the magnetic flux is adhered to the winding is equal to
G =

where μ _o is the magnetic permeability of air;
S is the area of the air gap;
δ is the gap length and when turning 90 °, ^the magnetic conductivity of the flux linkage of the magnet with the magnetic core decreases several times, then the change in conductivity is approximately equal to the highest conductivity value.

В конструкции (см. фиг.5 и 6) наибольшее значение проводимости
G_м= μ_o

и поскольку согласно условию δ> δ_м, то изменение проводимости невелико и тормозящий момент незначителен, что увеличивает длительность свечения после однократного перемещения рычага.In the design (see FIGS. 5 and 6), the highest conductivity value
G _m = μ _o

and since, according to the condition, δ> δ _m , the change in conductivity is small and the braking moment is insignificant, which increases the duration of the glow after a single movement of the lever.

Еще один усовершенствованный вариант конструкции показан также на фиг.5 и 6. Усовершенствование заключается в том, что, с целью увеличения длительности свечения фонаря, он снабжен дополнительным кольцеобразным магнитопроводом 20, диаметр которого примерно равен диаметру магнита, причем дополнительный магнитопровод установлен параллельно диску магнита на расстоянии, равном зазоре между магнитом и магнитопроводом 9, но с другой стороны магнита. Конструкция, изображенная на фиг. 1, имеет тот недостаток, что магнит имеет тенденцию притягиваться к магнитопроводу, чем создает давление на опору со стороны магнитопровода 9. Это увеличивает трение в опоре и не позволяет добиться длительного свечения фонаря при одном движении рычага от упора до упора. Для устранения этого недостатка в конструкции (см. фиг.5 и 6) установлен дополнительный диск из ферромагнитного материала, диаметр которого примерно равен диаметру магнита, причем установлен дополнительный магнитопровод на расстоянии, равном зазору между магнитом и основным магнитопроводом, но с другой стороны магнита. Крепление дополнительного магнитопровода к корпусу осуществляется, например, через дополнительную плату 21. Another improved design option is also shown in FIGS. 5 and 6. The improvement consists in the fact that, in order to increase the luminescence duration of the lantern, it is equipped with an additional annular magnetic circuit 20, the diameter of which is approximately equal to the diameter of the magnet, with the additional magnetic circuit mounted parallel to the magnet disk on a distance equal to the gap between the magnet and the magnetic circuit 9, but on the other side of the magnet. The construction shown in FIG. 1 has the drawback that the magnet tends to be attracted to the magnetic circuit, which creates pressure on the support from the side of the magnetic circuit 9. This increases friction in the support and does not allow a long glow of the lamp with one movement of the lever from lock to lock. To eliminate this drawback in the design (see Figs. 5 and 6), an additional disk of ferromagnetic material is installed, the diameter of which is approximately equal to the diameter of the magnet, and an additional magnetic circuit is installed at a distance equal to the gap between the magnet and the main magnetic circuit, but on the other side of the magnet. The additional magnetic circuit is fixed to the housing, for example, via an additional board 21.

Аксиальные силы взаимодействия между магнитом и магнитопроводом, расположенным на расстоянии, равном зазору между магнитом и основным магнитопроводом, уравновешивают силу притяжения магнита к основному магнитопроводу, ослабляют силу трения в опоре и тем самым продлевают длительность инерционного вращения и длительность свечения фонаря. Axial forces of interaction between the magnet and the magnetic circuit, located at a distance equal to the gap between the magnet and the main magnetic circuit, balance the force of attraction of the magnet to the main magnetic circuit, weaken the frictional force in the support, and thereby extend the duration of the inertial rotation and the duration of the glow of the lamp.

Еще один вариант усовершенствованной конструкции (см. фиг.7 и 8) предусматривает наличие обмоток на дополнительных магнитопроводах, расположенных по другую сторону вдоль оси вращения магнита на расстоянии, равном расстоянию от основного магнитопровода до магнита. Такой вариант конструкции позволяет более полно использовать магнитную энергию магнита и при согласованном включении дополнительных обмоток с основными увеличивает ЭДС генератора и, следовательно, яркость свечения фонаря. Another variant of the improved design (see Figs. 7 and 8) provides for the presence of windings on additional magnetic cores located on the other side along the axis of rotation of the magnet at a distance equal to the distance from the main magnetic circuit to the magnet. This design option allows you to more fully use the magnetic energy of the magnet and with the coordinated inclusion of additional windings with the main increases the EMF of the generator and, consequently, the brightness of the lantern.

Claims (7)

1. МАЛОГАБАРИТНЫЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ ФОНАРЬ, содержащий корпус, генератор, состоящий из ротора и статора, и устройство передачи внешнего механического движения ротору, содержащее по крайней мере одно колесо, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде постоянного магнита в форме диска, а статор представляет собой по крайней мере один магнитопровод, охватываемый обмоткой, и при этом магнит и магнитопровод выполнены торцевыми и размещены с торцевым зазором друг относительно друга. 1. SMALL DYNAMIC LAMP, comprising a housing, a generator consisting of a rotor and a stator, and a device for transmitting external mechanical motion to the rotor, containing at least one wheel, characterized in that the rotor is made in the form of a permanent magnet in the form of a disk, and the stator is at least one magnetic circuit, covered by the winding, and the magnet and the magnetic circuit are made end and placed with an end gap relative to each other. 2. Фонарь по п.1, отличающийся тем, что статор выполнен в виде неполного диска с пазом с глубиной, превышающей радиус указанного диска. 2. The lantern according to claim 1, characterized in that the stator is made in the form of an incomplete disk with a groove with a depth exceeding the radius of the specified disk. 3. Фонарь по пп.1 и 2, отличающийся тем, что радиус постоянного магнита и радиус статора, выполненного в форме неполного диска, примерно равны радиусу наибольшего по габаритам колеса устройства передачи. 3. A lantern according to claims 1 and 2, characterized in that the radius of the permanent magnet and the radius of the stator, made in the form of an incomplete disk, are approximately equal to the radius of the largest transmission device wheel. 4. Фонарь по п.1, отличающийся тем, что статор состоит из отдельных магнитопроводов, каждый из которых содержит обмотку, причем обмотки соединены последовательно таким образом, что генерируемая ЭДС суммируется. 4. The lantern according to claim 1, characterized in that the stator consists of individual magnetic cores, each of which contains a winding, the windings being connected in series so that the generated EMF is added up. 5. Фонарь по п.4, отличающийся тем, что магнитопроводы размещены в одной плоскости и зазоры между ними меньше торцевого зазора между каждым магнитопроводом и магнитом. 5. The lantern according to claim 4, characterized in that the magnetic cores are placed in one plane and the gaps between them are less than the end gap between each magnetic circuit and the magnet. 6. Фонарь по пп.1 - 5, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным дисковым магнитопроводом, диаметр которого соответствует диаметру магнита, причем дополнительный дисковый магнитопровод установлен с другой стороны параллельно диску магнита на расстоянии, примерно равном торцевому зазору между магнитом и магнитопроводом. 6. The lantern according to claims 1 to 5, characterized in that it is equipped with an additional disk magnetic circuit, the diameter of which corresponds to the diameter of the magnet, and the additional disk magnetic circuit is mounted on the other hand parallel to the magnet disk at a distance approximately equal to the end gap between the magnet and the magnetic circuit. 7. Фонарь по п.5, отличающийся тем, что дополнительный дисковый магнитопровод составлен из отдельных магнитопроводов с обмотками. 7. The lantern according to claim 5, characterized in that the additional disk magnetic circuit is composed of individual magnetic circuits with windings.

Images