RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS OCHRONNY WZORU UŻYTKOWEGO (21) Numer zgłoszenia: 120198 (22) Data zgłoszenia: 14.07.2011 (19) PL (11) 66436 (13) Y1 (51) Int.Cl. H02K 7/18 (2006.01) H02K 21/24 (2006.01) B61D 43/00 (2006.01) (54) Zestaw prądnicowy do wytwarzania energii elektrycznej z ruchu obrotowego osi, zwłaszcza osi pojazdów szynowych (43) Zgłoszenie ogłoszono: 19.12.2011 BUP 26/11 (73) Uprawniony z prawa ochronnego: WASKO SPÓŁKA AKCYJNA, Gliwice, PL (45) O udzieleniu prawa ochronnego ogłoszono: 29.03.2013 WUP 03/13 (72) Twórca(y) wzoru użytkowego: WOJCIECH NIEMIEC, Gliwice, PL SEBASTIAN DUSIŃSKI, Zabrze, PL PL 66436 Y1
2 PL 66 436 Y1 Opis wzoru Przedmiotem wzoru użytkowego jest zestaw prądnicowy do wytwarzania energii elektrycznej z ruchu obrotowego osi, zwłaszcza osi pojazdów szynowych. Znana jest z opisu patentowego PL168799 B1 prądnica osiowa do wytwarzania energii elektrycznej z wirnikiem sprzęgniętym z osią pojazdu i zaopatrzonym w magnesy trwałe, umieszczone rozdzielnie na obwodzie i ze stojanem zaopatrzonym w cewki indukcyjne, utrzymywane w odstępie od wirnika przez szczelinę powietrzną oraz co najmniej jednym układem elektronicznym do kontroli działania prądnicy. W stanie zmontowanym stojan jest umieszczony współosiowo wokół obwodu zewnętrznego wirnika, który za pomocą kołnierza zaopatrzonego w uszczelnienie labiryntowe jest bezpośrednio przyłączony do strony czołowej osi, a wewnątrz magnetycznego korpusu przewodzącego pakietu wirnika są umocowane pierścieniem skurczowym magnesy trwałe. Stojan oraz zespół prostownikowy są natomiast umieszczone wewnątrz pokrywy osi, przy czym pokrywa jest połączona z odpowiednią obudową nośną ułożyskowania osi pojazdu, i w stanie zabudowy rozciąga się częściowo na obudowę nośną ułożyskowania osi. Wewnątrz obudowy jest umieszczony również prostownik do prostowania napięcia przemiennego. Wytwarzane napięcie prądnicy jest doprowadzane do zespołu elektroniki, który określa odpowiednie parametry i dostarcza stałe regulowane napięcie wyjściowe, a na innym oddzielnym wyjściu dostarcza cyfrowy sygnał długości impulsów, wykorzystywany np. do określenia prędkości odpowiedniej osi. Z opisu opatentowanego wynalazku EP0829410 B1 (pierwsz. ze zgłoszenia IT1996TO00752 19960913) znane jest rozwiązanie, w którym łożyska osi wagonu kolejowego wyposażone są w urządzenia uszczelniające zawierające sztywne nieobrotowe pierścieniowe tarcze lub wkładki, a z urządzeniem uszczelniającym zintegrowany jest generator prądu składający się z pierścienia generowania impulsu magnetycznego oraz cewki umiejscowionej w utworzonej przez tarczę zewnętrzną komorze. Wykorzystując energię kinetyczną osi łożyska impuls magnetyczny pierścienia generuje sinusoidalny prąd w cewce, a częstotliwość prądu jest proporcjonalna do prędkości obrotowej kół wagonu. Prąd indukowany w cewce dostarczany jest za pomocą kabla do zacisków cewki transformatora. Prąd sinusoidalny jest następnie prostowany i służy do zasilania elektrycznego urządzeń na pokładzie wagonu i / lub jeszcze innych zastosowań, na przykład do ładowania baterii, część prądu może być zużywana przez systemy bezpieczeństwa w celu zapobiegania blokowaniu kół wagonu podczas hamowania. W razie potrzeby generowane sygnały mogą być połączone równolegle w celu uzyskania wyższego natężenia prądu. W zestawie prądnicowym do wytwarzania energii elektrycznej z ruchu obrotowego osi, zwłaszcza osi pojazdów szynowych według wzoru użytkowego, zawierającym we wspólnej obudowie cewkę indukcyjną i płytkę drukowaną z elementami elektronicznymi, która to obudowa jest mocowana rozłącznie na nieruchomej pokrywie oraz mającym umieszczane na ruchomym zakończeniu osi magnesy trwałe, istotą jest to, że cewka indukcyjna ma kształtowy stalowy zewnętrzny rdzeń w postaci walca osiowo osadzonego na kołowej podstawie z obwodowym nieciągłym kołnierzem, natomiast magnesy trwałe są zgrupowane w co najmniej dwóch modułach, a każdy moduł posiada co najmniej dwa magnesy trwałe umieszczone w kompaktowej osłonie, przy czym kompaktowe osłony są zamocowane obwodowo i w równych odległościach na podkładce z osiowym otworem odpowiadającym wymiarowi ruchomej osi. Każdy moduł posiada po trzy magnesy trwałe, a jako magnesy trwałe posiada magnesy neodymowe. Każda kompaktowa osłona ma wykonane po jednej stronie oddzielne gniazda dla każdego magnesu trwałego, które są rozmieszczone na linii łukowej odpowiadającej trajektorii ruchu obrotowego modułu. Podkładka ma nagwintowane wypusty, rozmieszczeniem odpowiadające otworom w kompaktowych osłonach, których koniec jest zabezpieczony nakrętką samozabezpieczającą. Na płytce drukowanej jest umieszczony superkondensator oraz mikrokontroler. W odmianie postaci wzoru kompaktowa osłona ma kształt zewnętrzny zbliżony do walca, a w innej postaci wzoru kompaktowa osłona ma kształt zewnętrzny zbliżony w przekroju poprzecznym do pięciokąta o zaokrąglonych narożach i łukowych krawędziach. Rozwiązanie według wzoru użytkowego, ze względu na zastosowane w nim elementy ma niewielkie gabaryty oraz zwartą łatwą w montażu budowę, może stanowić źródło energii elektrycznej będąc integralną częścią dowolnego urządzenia elektronicznego np. czujnika. Konstrukcja rdzenia cewki, zastosowane materiały oraz elementy elektroniczne, w tym superkondensatory jako magazyn
PL 66 436 Y1 3 energii, umożliwiają pracę zestawu przy niewielkich prędkościach obrotowych osi, a także wydłużają czas pracy w trakcie jej bezruchu. Zestaw charakteryzuje się długim okresem żywotności ze względu na brak zużywających się elementów mechanicznych przekazujących ruch obrotowy prądnicy oraz dużą odpornością na warunki zewnętrzne. Przedmiot wzoru użytkowego jest pokazany na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia perspektywiczny widok w rozłożeniu elementów konstrukcyjnych prądnicy znajdujących się w obudowie, fig. 2 przedstawia widok z boku płytki drukowanej, fig. 3 przedstawia perspektywiczny widok obudowy od strony cewki indukcyjnej, fig. 4 i 5 przedstawia widok rdzenia cewki indukcyjnej, fig. 6 perspektywiczny widok w rozłożeniu elementów konstrukcyjnych modułów magnesów i podkładkę, fig. 7 i 8 przedstawia kompaktową osłonę w jednej postaci wzoru, fig. 9 przedstawia przekrój wzdłużny kompaktowej osłony, fig. 10 i 11 przedstawia kompaktową osłonę w innej postaci wzoru. Zestaw prądnicowy według wzoru użytkowego, przeznaczony do wytwarzania energii elektrycznej z ruchu obrotowego osi pojazdów szynowych, posiada we wspólnej obudowie 1, mocowanej rozłącznie śrubami 1 na nieruchomej pokrywie maźnicy, cewkę indukcyjną 2 i płytką drukowaną 3 z zamocowanymi elementami elektronicznymi, w tym superkondensatorem 4 oraz mikrokontrolerem 5. Natomiast na końcu ruchomej osi, niepokazanej na rysunku, mocuje się kształtową podkładkę 6, której osiowy otwór 7 odpowiada wymiarowi osi, stanowiącą również element zabezpieczenia osi pojazdu szynowego, za pośrednictwem której magnesy trwałe 8 wykonują ruch obrotowy. Magnesy trwałe 8 - zgrupowane są w trzech modułach 9, z których każdy posiada trzy magnesy trwałe 8 umieszczone w kompaktowej osłonie 10 lub 10, i rozmieszczone naprzemiennie w stosunku do biegunów magnetycznych. Każda kompaktowa osłona 10 lub 10 ma wykonane po jednej stronie oddzielne gniazda 11 dla każdego magnesu trwałego 8, które są rozmieszczone na linii łukowej odpowiadającej trajektorii ruchu obrotowego modułu 9. W rozwiązaniu, jako magnesy trwałe 8 stosuje się magnesy neodymowe. W wykonaniu przedstawionym na fig. 7 i fig. 8, kompaktowa osłona 10 ma kształt zewnętrzny zbliżony do walca, natomiast w rozwiązaniu przedstawionym na fig. 10 i fig. 11, kompaktowa osłona 10 ma, w przekroju poprzecznym, kształt zewnętrzny zbliżony do pięciokąta o zaokrąglonych narożach i łukowych krawędziach. Kompaktowe osłony 10 lub 10 zamocowane są obwodowo i w równych odległościach na podkładce 6. W tym celu podkładka 6 ma nagwintowane wypusty 12, rozmieszczeniem odpowiadające otworom 13 w kompaktowych osłonach 10 lub 10 oraz pozycji prądnicy na pokrywie maźnicy, których koniec jest zabezpieczony nakrętką 14 samozabezpieczającą. W obudowie 1, mocowanej na nieruchomej pokrywie, między płytką drukowaną 3 a kopułą 15 obudowy 1 znajduje się uszczelka 16 z gumy mikroporowatej, natomiast po stronie przeciwnej w obszarze pola magnetycznego magnesów trwałych 8, znajduje się cewka indukcyjna 2, która ma ponadto kształtowy stalowy zewnętrzny rdzeń 17 w postaci walca osiowo osadzonego na kołowej podstawie z obwodowym nieciągłym kołnierzem. W rozwiązaniu elementem generującym zasilanie elektryczne jest cewka indukcyjna 2 stanowiąca integralny, zespolony z płytką drukowaną 3 element. Poruszające się magnesy trwałe 8 rozmieszczone są w taki sposób, aby podczas ruchu przemieszczały się w osi nieruchomego urządzenia elektronicznego i wytwarzały zmienny strumień indukcji magnetycznej Φ w cewce 2. Pojawienie się napięcia elektrycznego uruchamia, znajdujący się na płytce drukowanej 3 procesorowy układ elektroniczny, który kontroluje napięcie na cewce zasilającej, może również realizować dowolne funkcje zintegrowanego z prądnicą urządzenia elektronicznego, między innymi mierzyć rozmaite wielkości fizyczne, sterować lub brać udział w teletransmisji. W chwili osiągnięcia krytycznie niskiej prędkości obrotowej, poniżej której energia jest niewystarczająca do zasilania, układ elektroniczny zapisuje dane do pamięci nieulotnej mikrokontrolera 5. Nadmiar energii elektrycznej indukowanej w cewce 2 magazynowany jest w superkondensatorze 4, co umożliwia pracę urządzenia przez pewien okres po zaprzestaniu ruchu obrotowego, lub też magazynowanie energii do czasu uruchomienia dodatkowej funkcji urządzenia wymagającej impulsu energii.
4 PL 66 436 Y1 Zastrzeżenia ochronne 1. Zestaw prądnicowy do wytwarzania energii elektrycznej z ruchu obrotowego osi, zwłaszcza osi pojazdów szynowych zawierający we wspólnej obudowie cewkę indukcyjną i płytkę drukowaną z elementami elektronicznymi, która to obudowa jest mocowana rozłącznie na nieruchomej pokrywie oraz ma magnesy trwałe umieszczane na ruchomej osi, znamienny tym, że cewka indukcyjna /2/ ma kształtowy stalowy zewnętrzny rdzeń /17/ w postaci walca osiowo osadzonego na kołowej podstawie z obwodowym nieciągłym kołnierzem, natomiast magnesy trwałe /8/ są zgrupowane w co najmniej dwóch modułach /9/, a każdy moduł /9/ posiada co najmniej dwa magnesy trwałe /8/ umieszczone w kompaktowej osłonie /10, 10 /, przy czym kompaktowe osłony /10, 10 / są zamocowane obwodowo i w równych odległościach na podkładce /6/ z osiowym otworem /7/ odpowiadającym wymiarowi ruchomej osi. 2. Zestaw prądnicowy według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy moduł /9/ posiada po trzy magnesy trwałe /8/. 3. Zestaw prądnicowy według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jako magnesy trwałe /8/ posiada magnesy neodymowe. 4. Zestaw prądnicowy według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że każda kompaktowa osłona /10, 10 / ma wykonane, po jednej stronie, oddzielne gniazda /11/ dla każdego magnesu trwałego /8/, które są rozmieszczone na linii łukowej odpowiadającej trajektorii ruchu obrotowego modułu /9/. 5. Zestaw prądnicowy według zastrz. 1, znamienny tym, że podkładka /6/ ma nagwintowane wypusty /12/, rozmieszczeniem odpowiadające otworom /13/ w kompaktowych osłonach /10, 10 /, których koniec jest zabezpieczony nakrętką /14/ samozabezpieczającą. 6. Zestaw prądnicowy według zastrz. 1, znamienny tym, że na płytce drukowanej /3/ jest umieszczony superkondensator /4/ oraz mikrokontroler /5/. 7. Zestaw prądnicowy według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienny tym, że kompaktowa osłona /10/ ma kształt zewnętrzny zbliżony do walca. 8. Zestaw prądnicowy według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienny tym, że kompaktowa osłona /10 / ma kształt zewnętrzny zbliżony w przekroju poprzecznym do pięciokąta o zaokrąglonych narożach i łukowych krawędziach.
PL 66 436 Y1 5 Rysunki
6 PL 66 436 Y1
PL 66 436 Y1 7
8 PL 66 436 Y1 Departament Wydawnictw UP RP