ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ УСТАНОВКИ НА ГИБКОЙ БАЗОВОЙ СТРУКТУРЕ Российский патент 2018 года по МПК H01L41/08 

Изобретение относится к автомобильной отрасли промышленности, в частности к генерирующим электроэнергию устройствам, и может быть использовано в электрических транспортных средствах в качестве дополнительного источника бортовой электроэнергии. Также изобретение относится и к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезокерамических материалов.

Известен, например, пьезокерамический генератор постоянного тока, (патент РФ, 2113757 МПК H02N 2/18 (1995.01). Этот генератор имеет цилиндрический тонкостенный пьезоэлемент, два деформирующих ролика и два токосъемника. При деформации роликами поляризованного в радиальном направлении пьезоэлемента на электродах, которыми являются металлизированные поверхности, возникают вследствие прямого пьезоэффекта заряды, которые передаются в виде напряжения потребителю через токосъемные ролики.

Недостатками этого устройства являются: малая надежность вследствие того, что тонкослойное покрытие - электроды пьезоэлемента - подвержено быстрому выведению из строя катящимися нажимными и токосъемными роликами; сложность конструкции; малая эффективность преобразования вследствие того, что при деформации цилиндра в нем имеются зоны сжатия и расширения, в которых при односторонней радиальной поляризации будут возникать одновременно положительные и отрицательные заряды на одном электроде, что приведет к их частичному суммированию, при этом снижается эффективность преобразования.

Известен, например, пьезокерамический генератор постоянного тока, (патент Беларусь, заявка 950947, МПК H02N 2/18, H01L 41/113 (24.11.1995), содержащий соединенные параллельно между собой плоские высоковольтные пьезоэлементы, установленные на поверхности грунта в непосредственной близости от железнодорожного полотна, выпрямитель, блок преобразователя и коммутатор ограничитель. Принцип действия данного генератора заключается в следующем. При прохождении поезда, по железнодорожному полотну, являющегося источником колебаний, в пьезоэлементах возникает переменного напряжение, которое поступает через токоотводящую магистраль на выпрямитель 4. После выпрямления постоянное напряжение преобразуется блоком преобразователя 5 и через коммутатор-ограничитель 6, служащий для ограничения напряжения, подается потребителю.

Недостатком данного пьезокерамического генератора постоянного тока является необходимость надежной защиты (герметизации) каждого из многочисленных высоковольтных пьезоэлементов, соединенных с токопроводящей магистралью, от атмосферных осадков, влаги, тумана и пр. Токопроводящая магистраль должна содержать множество изолированных тонких проводников, число которых тем больше, чем больше пьезоэлементов, т.к. выводы каждого пьезоэлемента соединены с одним выпрямителем. Соответственно, сечение токопроводящей магистрали возрастает. Соответственно возрастает ее стоимость, и вероятно, необходимость ее антивандального исполнения.

Известен, например, пакетный пьезоэлемент и пьезоэлектрический привод с таким пакетным пьезоэлементом, установленный на некоторой базовой структуре, принятый за прототип (патент РФ, 2413336 МПК H01L 41/083 (2006/01), содержащий пьезоэлектрический элемент для установки на гибкой базовой структуре, включающий сам пьезоэлемент, выполненный в профилированном трехмерном пакетном виде, контур профилированной поверхности каждого из которых подогнан, путем механической обработки его боковой поверхности, к контуру данной гибкой базовой структуры, на которой установлен каждый пьезоэлемент; при этом каждый пьезоэлемент выполнен в виде пакета, состоящего из пластинчатых слоев из пьезоэлектрического материала, а пьезоэлементы, каждый из которых расположен в противоположных сторонах гибкой базовой структуры, подвергнуты изгибу, растяжению или соответственно сжатию. Причем сами пьезоэлементы электрически соединены друг с другом при наличии их общего вывода. По меньшей мере одна профилированная поверхность пакетного пьезоэлемента подогнана к контуру гибкой базовой структуры, на которой он установлен, а также имеет искривленную форму, и поэтому не параллельна к направлению набора пакета. Слои в пьезоэлементах имеют форму прямоугольных параллелепипедов и одинаковую форму сечения в направлении, перпендикулярном направлению набора пакета, при этом изменение длины пьезоэлектрического материала как в продольном, так и в поперечном направлении относительно набора пьезоэлемента, создает электрическое поле как в продольном, так и в поперечном направлении его вектора

Недостатком данного пакетного пьезоэлемента и пьезоэлектрического привода с таким пакетным пьезоэлементом является то, что он не предназначен для генерирования электроэнергии и способен деформировать деталь в очень малом процентном отношении. Незначительность в работе величин деформаций пьезоэлектриков данного прототипа объясняется их очень высокой жесткостью, обусловленной ее базовой структурой. Например известно, что пластина, изготовленная из одного из видов пьезоэлектрического материала толщиной 1 мм, под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 2,3×10^-7 мм.

Техническая задача заявляемого изобретения состоит в том, чтобы предложить такое устройство из пьезоэлементов, которое можно установить во внутреннюю полость гибкого базового элемента - в виде автомобильной шины и прикрепить к ней, а деформация последней при перемещении транспортного средства приводила бы к соответствующей деформации этого устройства с генерированием электроэнергии. Причем, эксплуатационные качества шины подлежат сохранению:

1. Деформация шины и, соответственно, установленных в ней пьезоэлементов, должна существенно генерировать максимально возможное количество электроэнергии;

2. Жесткость шины практически не должна увеличиться;

3. Вес шины не должен существенно возрасти;

4. Конструкция должна быть так расположена, чтобы не было смещения центра тяжести шины;

5. При проколе шины и соответственно заявляемого устройства не должна выходить из строя вся система;

6. При износе протектора шины должна быть предусмотрена возможность переустановки заявляемого устройства в новую шину;

7. Обеспечен надежный съем электроэнергии с каждой шины.

Поставленная задача достигается тем, что в известном пьезоэлектрическом элементе для установки на гибкой базовой структуре, включающем сам пьезоэлемент, выполненный в профилированном трехмерном пакетном виде, контур профилированной поверхности каждого из которых подогнан, путем механической обработки его боковой поверхности, к контуру данной гибкой базовой структуры, на которой установлен каждый пьезоэлемент; при этом каждый пьезоэлемент выполнен в виде пакета, состоящего из пластинчатых слоев из пьезоэлектрического материала, а пьезоэлементы, каждый из которых расположен в противоположных сторонах гибкой базовой структуры, подвергнуты изгибу, растяжению или соответственно сжатию; сами пьезоэлементы электрически соединены друг с другом при наличии их общего вывода; по меньшей мере одна профилированная поверхность пакетного пьезоэлементы подогнана к контуру гибкой базовой структуры, на которой он установлен, а также имеет искривленную форму и поэтому не параллельна к направлению набора пакета; слои в пьезоэлементах имеют форму прямоугольных параллелепипедов и одинаковую форму сечения в направлении, перпендикулярном направлению набора пакета, при этом изменение длины пьезоэлектрического материала как в продольном, так и в поперечном направлении относительно набора пьезоэлемента, создает электрическое поле как в продольном, так и в поперечном направлении его вектора, в отличие от него в заявляемом пьезоэлектрическом элементе, гибкой базовой структурой, в которую установлен каждый пьезоэлектрический элемент, является шина транспортного средства, установленная на ободе его колеса, а сам он дополнительно содержит статор с его обмоткой возбуждения; наружная поверхность обода содержит покрытие из резинового электропроводящего материала, при этом на каждую из посадочных полок обода нанесены слои электропроводящей резины, цилиндрический якорь, расположенный в статоре соосно с воздушным зазором, с его трехфазной обмоткой. Также содержит выпрямительные миниатюрные диоды на внутренней поверхности шины, трехфазный мостовой диодный выпрямитель и устройство согласования напряжения, установленные в кузове транспортного средства. При этом статор состоит из стальной станины, закрепленной на внутренней цилиндрической поверхности обода диска колеса, и множества магнитных полюсов, на которых размещена упомянутая обмотка возбуждения из медного материала, и которые закреплены на внутренней поверхности стальной станины. Причем данная медная обмотка возбуждения залита компаундом. По центру ширины обода колеса выполнены два сквозных, диаметрально противоположных, технологических отверстия со слоем электропроводящей резины в каждом, расположенные соосно по данному центру ширины обода колеса стальной станины таким образом, что они оба находятся на одной прямой диаметральной линии диска колеса. Причем сквозь эти диаметрально противоположные сквозные отверстия выполнено электрическое соединение слоев электропроводящей резины посадочных полок обода колеса, через полосы электропроводящей резины самого обода, нанесенные на него, со слоями электропроводящей резины данных технологических отверстий, электрически соединенными с обмоткой возбуждения полюсов станины. Якорь состоит из набора пластин зубчатого цилиндрического изолированного магнитопровода с внутренним отверстием, набранного из изолированных листов электротехнической стали. Причем в пазах между зубцами данного цилиндрического магнитопровода уложена трехфазная медная обмотка переменного тока, а выступающие с обоих торцов данного цилиндрического магнитопровода лобовые части этой трехфазной медной обмотки переменного тока, а также и изнутри сам магнитопровод, герметично закрыты прикрепленными защитными крышками. Якорь жестко закреплен вкруговую к кузову транспортного средства посредством "Г"-образной арки, которая скреплена с одной из защитных крышек, по поверхности которой проложены и закреплены к ней медные провода для передачи электроэнергии с трехфазной обмотки на кузов транспортного средства. Множество упомянутых пьезоэлементов установлено на внутренней поверхности шины наряду с выпрямительными миниатюрными диодами, причем каждый пьезоэлемент последовательно электрически, посредством полоски электропроводящей резины, соединен с данным выпрямительным миниатюрным диодом, образуя отдельные ветви, а между собой каждые ветви, образованные каждым пьезоэлементом и каждым данным выпрямительным миниатюрным диодом, соединены посредством аналогичных полосок параллельно. Трехфазная медная обмотка электрически посредством упомянутых медных проводов "Г"-образной арки соединена со входом трехфазного мостового диодного выпрямителя, выход которого соединен со входом согласующего устройства, а выход данного согласующего устройства соединен с аккумуляторной батареей транспортного средства. При этом на обод диска колеса нанесен слой неэлектропроводящего материала, поверх которого на посадочные полки обода и сам обод до его технологических отверстий нанесены соответственно слои и полосы электропроводящей резины обода, причем слои посадочных полок обода непосредственно контактируют со слоями электропроводящей резины, как общего вывода всех пьезоэлементов, нанесенными на каждый носок шины, сопряженный с посадочной полкой обода колеса.

Пьезоэлектрическим материалом, из которого выполнен пьезоэлемент, является пьезокварц, характеризующийся монокристаллической структурой, кристаллы которой не имеют симметрии.

В предложенном пьезоэлектрическом элементе для установки на гибкой базовой структуре, за счет выработки электроэнергии пьезоэлементами при деформации шин колес при движении транспортного средства, появляется дополнительный источник электроэнергии постоянного тока, благодаря чему возрастает пробег данных транспортных средств от одной зарядки.

За счет того, что части трехмерного пакетного (негабаритного) пьезоэлемента соединены полосками легкой недорогой электропроводной резины, обеспечивается надежный долговечный электрический эластичный их контакт, жесткость шины и ее вес практически не увеличиваются.

За счет того, что используется трехмерный пакетный пьезоэлемент, обеспечивается эффективная выработка электроэнергии при деформации шин, которая, как известно, носит достаточно сложный характер, т.к. здесь присутствуют растяжение, сжатие и изгиб, а также она зависит от многих факторов - состояния покрытия проезжей части дороги, давления в шинах, степени загрузки транспортного средства и его скорости.

В качестве пьезоэлектрического материала пьезоэлемента применен пьезокварц (природный или искусственно выращенный), имеющий монокристаллы. Как известно, эти вещества являются пьезоэлектриками, кристаллы которых не имеют центра симметрии, и поэтому они обладают высоким пьезоэлектрическим эффектом.

За счет того, что части трехмерного пакетного пьезоэлемента соединены полосками легкой недорогой электропроводной резины параллельно между собой: во-первых, уменьшается внутреннее сопротивление данного пьезоэлектрического элемента, следовательно, уменьшаются и тепловые (Джоулевы) потери, а во вторых, увеличивается надежность заявляемого устройства, т.к. при случайном проколе или порезе шины в процессе эксплуатации выйдет из строя только поврежденный участок трехмерного пакетного пьезоэлемента, остальные же сегменты продолжат нормально функционировать и вырабатывать максимально возможное количество электричества.

За счет того, что части трехмерного пакетного пьезоэлемента вместе с диодными выпрямителями и соединяющие их полоски электропроводящей резины приклеены к внутренней поверхности шины с помощью термоклея, при нагревании которого он становятся жидким, имеется простая возможность многократно переустанавливать данный пьезоэлектрический элемент с одной шины на другую в случае ее износа или заменять на другой.

За счет того, что передача электроэнергии с вращающихся вместе с колесом пьезоэлектрических элементов и, соответственно, с медной обмотки возбуждения на трехфазную медную обмотку переменного тока, расположенную на цилиндрическом якоре, жестко закрепленном к кузову транспортного средства, осуществляется электромагнитным (бесконтактным) путем, обеспечивается высокая надежность съема электроэнергии с данного пьезоэлектрического элемента.

За счет размещения цилиндрического якоря в защитном кожухе во внутреннем пространстве диска обеспечивается, во-первых, требуемая надежность и защита самого статора и лобовых частей его обмотки от брызг воды и камней, вылетающих из под колес, а во вторых, эффективное его охлаждение в работе потоком воздуха вращающегося колеса.

За счет равномерного распределения частей трехмерного пакетного пьезоэлемента и выпрямительных диодов по внутренней поверхности шины обеспечивается неизменность центра тяжести шины.

За счет того, что используются пьезоэлементы с возникновением пироэлектрического эффекта, КПД данного генератора повышается. Известно, что при движении транспортного средства шины нагреваются. Их нагрев будет приводить к соответствующему нагреву пьезоэлементов, находящихся на внутренней поверхности данных шин, и последние начнут дополнительно вырабатывать электричество на основе пироэлектрического эффекта.

Заявляемое изобретение иллюстрируется: фиг. 1 - Диск колеса в разрезе; фиг. 2 - Статор (индуктор); фиг. 3 - Ротор (якорь), присоединенный к кузову транспортного средства; фиг. 4 - Шина колеса с пьезоэлементами в разрезе, фиг. 5 - Трехмерный пакетный пьезоэлектрический элемент шины: а - с продольным направлением пьезоэлектрического эффекта, 6 - с поперечным направлением пьезоэлектрического эффекта, фиг. 6 - Поверхность шины с расположенными в ней пьезоэлементами, фиг. 7 - Электрическая принципиально-функциональная схема.

Заявляемый пьезоэлектрический элемент для установки на гибкой базовой структуре (фиг. 1, фиг. 2) содержит диск колеса ("литье") (1), обычный явнополюсный статор (индуктор), состоящий из стальной станины (2), закрепленной на внутренней цилиндрической поверхности (3) обода (4) этого диска колеса (1) при помощи стальных болтов (не показано), и множества магнитных полюсов (5) с размещенной на них традиционным способом медной обмоткой возбуждения (6), закрепленных на внутренней поверхности этой стальной станины (2) при помощи стальных болтов (не показано). Причем эта медная обмотка возбуждения (6) залита компаундом (не показано) на основе эпоксидной смолы. Также содержит покрытие из резинового электропроводящего материала - слои электропроводящей резины (7), нанесенные каждый на наружную поверхность обода в виде сплошных полос и поверхность каждой из посадочных полок обода - в виде слоев этой резины, расположенных между его закраиной (8) и кольцевым выступом "хампом" (9) обода (4) диска колеса (1), два сквозных диаметрально противоположных технологических отверстия (10) со слоем электропроводящей резины в каждом (не показано), расположенные соосно по центру ширины обода (4) диска колеса (1) и стальной станины (2) таким образом, что они оба находятся на одной прямой диаметральной геометрической линии диска колеса (1). Сквозь эти отверстия осуществляется непосредственное электрическое соединение покрытия из резинового электропроводящего материала слоев (7) полок обода (4) и его сплошных полос и медной обмотки возбуждения (6) магнитных полюсов (5) стальной станины (2). Каждый из выводов обмотки возбуждения выведен в отдельное технологическое отверстие (10) и электрически соединен со слоями находящейся в них электропроводящей резины, например механически вставлен в эти слои или приклеен к ним электропроводящим клеем. Также содержит расположенный в статоре (не показано) соосно полый цилиндрический ротор (якорь) (11) (фиг. 3), состоящий из шихтованного зубчатого изолированного цилиндрического магнитопровода (12) с внутренним отверстием диаметра D, набранного из изолированных штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. В пазах между зубцами (13) этого шихтованного цилиндрического магнитопровода (12) уложена трехфазная медная обмотка переменного тока (14), аналогичная обмотке статора обычного трехфазного асинхронного двигателя. Выступающие с обоих торцов этого цилиндрического шихтованного магнитопровода (12) лобовые части трехфазной медной обмотки (14) герметично закрыты кольцевыми защитными крышками (15). Эти крышки (15) защищают лобовые части трехфазной медной обмотки (14) от влаги, пыли и мелких камней, летящих из под колес при движении транспортного средства. Крышки (15) и образованный штампованными и при этом изолированными листами цилиндрический магнитопровод (12) стянуты посредством резьбовых соединений (не показано). С внутренней стороны (16) цилиндрический магнитопровод (12) также покрыт для защиты защитным кожухом (не показано). Статор (индуктор) и ротор (якорь) разделены воздушным зазором (не показано). Ротор (якорь) (11) жестко закреплен вкруговую к кузову транспортного средства при помощи Г-образной арки (17), которая скреплена с одной из крышек (15) посредством сварного или резьбового соединений (не показано), по поверхности которой проложены и закреплены к ней обычным образом медные провода (не показано) для передачи электроэнергии с трехфазной медной обмотки (14) на кузов транспортного средства для последующего использования. Также он содержит известный обычный трехмерный пакетный пьезоэлемент (18) (фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6 и фиг. 7), как например, по патенту РФ 2413336. Однако заявляемый выполнен в виде пьезокварца, и множество их установлено на внутренней поверхности (19) шины (20), закрепленной на ободе (4) диска колеса (1) (фиг. 1, 4, 6), и электрически соединены между собой в шине параллельно полосками (21) электропроводящей резины с использованием выпрямительных миниатюрных диодов (22), установленных также на внутренней поверхности (19) шины (20). Полоска (21) представляет собой тонкий слой электропроводящей резины и выполняет ту же функцию, что и токопроводящие дорожки на печатной плате. И визуально выглядит точно так же, при этом пьезоэлектрический материал, из которого выполнен, в частности, пьезоэлемент в виде пьезокварца, характеризуется монокристаллической структурой, кристаллы которой не имеют центра симметрии, и поэтому они обладают высоким пьезоэлектрическим эффектом. Причем пьезоэлементы (18), миниатюрные диоды (22) и полоски электропроводящей резины (21) приклеены к внутренней поверхности (19) шины (20) посредством термоклея.

На фиг. 5а и 5б схематически показан трехмерный пакетный пьезоэлектрический элемент (пьезоэлемент) 18, именуемый также пьезопакетом. Пьезоэлемент состоит из перемежающихся слоев толщиной d электропроводящего и пьезоэлектрического материала (пьезокварца). Слои в пакетах на фиг. 5а и 5б имеют форму прямоугольных параллелепипедов и одинаковую форму сечения в направлении, перпендикулярном направлению набора пакета. Слои электропроводящего материала представляют собой электроды 18а. В случае пьезоэлемента, показанного на фиг. 5а, под действием внешнего механического усилия пьезоэлектрический материал растягивается или сжимается в направлении набора пакета или в продольном направлении пьезоэлектрического элемента 18, его длина при этом увеличивается на Δl; пьезоэлектрическим материалом (пьезокварцом) каждого слоя пьезоэлемента (электродами 18а) в направлении растяжения или сжатия Δl при этом создается электрическое поле Е. Пакет обычно имеет следующие размеры: длина а боковой стороны поверхностей элементов пакета, перпендикулярная направлению набора пакета, составляет около 5-60 мм, как и высота b, измеряемая в направлении набора пакета.

Пьезоэлемент 18 (фиг. 5а) представляет собой так называемый известный в отрасли пьезоэлемент d33, характеризующийся большим изменением длины Δl при выработке электрического поля Е, чем изменение длины Δl известного пьезоэлемента d31 в другом случае, представленном на фиг. 5б при выработке такого же электрического поля Е, у которого изменение длины Δl происходит поперек вектора электрического поля Е. Оба эти случая применимы при осуществлении заявляемого изобретения.

В заявляемом пакетном пьезоэлементе по меньшей мере одна профилированная перпендикулярно набору плоскостей слоев пакета поверхность (23) (фиг. 4) трехмерного пакетного пьезоэлемента (18) подогнана к контуру внутренней поверхности (19) шины (20) (фиг. 6).

Под профилированной, путем механической обработки, его боковой поверхностью шириной "a" при этом понимают то, что она отличается от другой плоскости, т.е. что одна из боковых поверхностей параллелепипеда исходного пакетного пьезоэлемента заменена искривленной, волнистой поверхностью или поверхностью иной необходимой формы (не показано). В альтернативном варианте (не показано) профилированную поверхность может образовывать также плоская поверхность, которая, однако, находится под углом (отличающимся от 0°) к направлению набора пакета, поэтому в целом создается, например, призматичноподобный пьезоэлемент (не показано). В этом случае вместо двух противоположных друг другу параллельных поверхностей пьезопакета образуются две противоположных друг другу поверхности, расположенные по отношению друг к другу под углом, не равным 0° и не равным 90°. В каждом случае не все образующие пакетный пьезоэлемент слои из электропроводящего материала имеют одинаковую форму. Иными словами, формирование поверхности означает, что при виртуальном разложении пакетного пьезоэлемента на отдельные проводящие слои отдельные пластинки пакета имеют различные варианты и формы исполнения. Для формообразования не существует особых ограничений, более того форму можно выбирать по потребности в зависимости от конкретного случая применения пьезоэлемента.

Каждый трехмерный пакетный пьезоэлемент (18) последовательно электрически, посредством полоски электропроводящей резины (21), соединен с миниатюрным выпрямительным диодом (22) (фиг. 6), образуя отдельные ветви. А между собой каждые такие ветви, образованные трехмерным пакетным пьезоэлементом (18) и миниатюрным выпрямительным диодом (22), соединены посредством полосок электропроводящей резины (21) параллельно. Таким образом, вся внутренняя поверхность (19) шины (20) покрыта сетью, образованной электрически параллельно соединенными ветвями, каждая из которых, в свою очередь, образована трехмерным пакетным пьезоэлементом (18) и последовательно электрически, посредством полоски электропроводящей резины (21), соединенного с ним миниатюрным выпрямительным диодом (22).

Также он содержит обычный трехфазный мостовой диодный выпрямитель (фиг. 7) (24) и устройство согласования напряжения (25) заявляемого пьезоэлектрического элемента (генератора), расположенные в кузове данного транспортного средства (не показано).

Как описано и видно (фиг. 6), данная схема, состоящая из множества параллельных ветвей, каждая из которых образована трехмерным пакетным пьезоэлементом (18) и последовательно электрически, посредством полоски электропроводящей резины (21), соединенного с ним миниатюрным выпрямительным диодом (22), аналогична известной схеме многофазного выпрямителя с нулевым выводом.

При этом трехфазная медная обмотка (14) (фиг. 7) электрически (посредством медных проводов Г-образной арки (17)) соединена со входом трехфазного мостового диодного выпрямителя (24), выход которого соединен с устройством согласования напряжения (25), выход которого соединен с аккумуляторной батареей (не показана) транспортного средства.

Причем обод (4) диска колеса (1) покрыт неэлектропроводным материалом (не показано), на поверхность которого нанесены от соответствующей посадочной полки (кольцевого выступа "хампа") до соответствующего отверстия (10) упомянутые полосы электропроводящей резины (7).

Заявляемый элемент для установки на гибкой базовой структуре (в шине транспортного средства) используют следующим образом. При движении транспортного средства шина вращающегося колеса (1), взаимодействуя с поверхностью дорожного покрытия, а также при изменении скорости его движения будет деформироваться. Соответственно это приведет к тому, что находящийся на внутренней ее поверхности весь комплекс трехмерных пакетных пьезоэлементов, разделенный соответствующим образом на множество частей, начнет также деформироваться и поляризовываться, т.е. вырабатывать, в соответствии с прямым пьезоэлектрическим эффектом, электрическое напряжение, пропорциональное усилию сжатия, растяжения или изгиба.

Т.к. наибольшей деформации подвергается в каждый момент времени при движении транспортного средства только та часть шины, которая непосредственно механически контактирует с поверхностью дорожного покрытия, причем "набегающая" на него часть шины сжимается, а выходящая из под дорожного покрытия, соответственно, разжимается, то выработка электроэнергии пьезоэлементами происходит с разной интенсивностью, не одновременно во времени, и напряжение каждого из пьезоэлементов, один из которых сжимается, а другой разжимается, будет разнополярным. Поэтому каждый отдельный трехмерный пакетный пьезоэлемент (18) последовательно электрически, посредством полоски электропроводящей резины (21), соединен с миниатюрным выпрямительным диодом (22).

Выработанное трехмерными пакетными пьезоэлементами (18) в шине (20) электрическое напряжение выпрямляется ее многочисленными миниатюрными выпрямительными диодами (22), и это выпрямленное напряжение U₁ (фиг. 6, 7) передается посредством указанных полосок (21) электропроводящей резины и в итоге качестве их общего вывода, по слоям электропроводящей резины (7) сквозь технологические отверстия (10) в обмотку возбуждения (6), размещенную на множестве магнитных полюсов (5), закрепленных на внутренней поверхности стальной станины (2) обода (4) диска колеса ("литья") (1).

При этом для надежной передачи электроэнергии с шины (20) на диск колеса ("литья") (1) каждый носок (26) и (27) шины (фиг. 4), непосредственно электрически контактирующий со слоем электропроводящей резины (7) полок обода (4), также покрыт электропроводящим слоем резины (не показано). При этом один вывод трехмерного пакетного пьезоэлемента (фиг. 6), например плюс (+), электрически соединен с одним носком (26) шины, а второй - минус (-) - аналогично со вторым (27).

Выработанная трехмерными пакетными пьезоэлементами (18), расположенными на внутренней поверхности (19) шины (20), электроэнергия через выпрямительные диоды (22) передается по полоскам (21) электропроводящей резины в слои электропроводящей резины на оба противоположные носка шины. Далее электроэнергия через непосредственно электрически контактирующие с ними слои электропроводящей резины (7) полок обода передается по полосам (7) электропроводящей резины, расположенным на ободе (4), с диска колеса (1), сквозь сквозные с токопроводящей резиной (не показана) внутри технологические отверстия (10), в обмотку возбуждения (6) магнитных полюсов (5) стальной станины (2) обода (4) диска колеса ("литья") (1).

Обмотка возбуждения (6), размещенная на множестве магнитных полюсов (5), закрепленных на внутренней поверхности стальной станины (2) обода (4) диска колеса ("литья") (1), вращается вместе с ним. Причем эта обмотка уложена на магнитных полюсах (5) таким образом, что при подаче в нее постоянного тока она образует электромагнитное поле с чередованием магнитных полюсов при перемещении по внутренней окружности диска колеса. Вращающаяся вместе с диском колеса данная обмотка возбуждения образует вращающееся электромагнитное поле. Магнитный поток этого поля, проходя через воздушный зазор (не показано), пересекает трехфазную медную обмотку (14) якоря (11) (фиг. 3а, фиг. 7). В этой обмотке в соответствии с законом электромагнитной индукции при этом индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), и, соответственно переменное электрическое напряжение U2. Данная обмотка (14) электрически, при помощи упомянутых медных проводов (не показаны), проложенных и закрепленных на Г-образной арке (17), подсоединена ко входу трехфазного мостового диодного выпрямителя (24), установленного в кузове транспортного средства. Этим выпрямителем (24) подаваемое переменное напряжение обмотки (14) U₂ выпрямляется в постоянное напряжение U₃ и затем подается в устройство согласования напряжения (25). Это устройство необходимо для согласования выпрямленного напряжения выпрямителя (24) и напряжения бортовой сети U₄ транспортного средства, т.к. выработанное пьезоэлементами электрические напряжение достигает сотен вольт. Выходные зажимы устройства согласования напряжения (25) электрически соединены с учетом полярности с зажимами бортовой аккумуляторной батареи (не показана). Данная аккумуляторная батарея заряжается от пьезоэлектрического генератора при движении транспортного средства.

Возможна также и прямая передача напряжения U₁ и тока с вращающегося трехмерного пакетного пьезоэлемента на кузов посредством колец и щеток (не показано). Но тогда устройство согласования напряжений расположено в диске колеса. Тогда минус "-" соединен с диском, а плюс "+" передается на кузов с помощью кольца и щетки, т.е. узла, конструктивно подобному и установленному в большинстве синхронных генераторах, в которых ток в обмотку возбуждения поступает через контактные кольца и щетки. Очевидно, что число таких узлов равно числу колес. Щетки с течением времени стираются. Конструкция требует надежной изоляции. Поэтому надежность такого осуществления заявляемого изобретения гораздо ниже описанного.

При движении транспортного средства шина, взаимодействуя с дорожным покрытием, нагревается. Находящийся на внутренней поверхности данной шины трехмерный пакетный пьезоэлемент также будет нагреваться, вырабатывая при этом электричество на основе пироэлектрического эффекта. Это приводит к повышению эффективности заявляемого пьезоэлектрического элемента при использовании для колесных электрических транспортных средств.

Предложенный пьезоэлектрический элемент при использовании для колесных электрических транспортных средств используется как дополнительный источник электроэнергии, позволяя данному транспортному средству проехать большее расстояние от одной зарядки аккумуляторной батареи. Надежный долговечный электрический эластичный контакт частей трехмерного пакетного пьезоэлемента обеспечивается полосками недорогой электропроводной резины; эффективная выработка электроэнергии при деформации шин обеспечивается трехмерным пакетным пьезоэлементом, который позволяет преобразовывать практически любую деформацию - растяжение, сжатие и изгиб в электрический ток. Параллельное соединение частей трехмерного пакетного пьезоэлемента полосками недорогой электропроводной резины приводит к уменьшению внутреннего сопротивления данного пьезоэлектрического элемента, при этом уменьшаются и тепловые (Джоулевы) потери, а также увеличивается его надежность, т.к. при случайном проколе или порезе шины в процессе эксплуатации выйдет из строя только поврежденный участок трехмерного пакетного пьезоэлемента, остальные же его части продолжат нормально функционировать, вырабатывая максимально возможное количество электричества. Применение термоклея для фиксации частей трехмерного пакетного пьезоэлемента и соединяющих их полосок электропроводной резины вместе с диодными выпрямителями на внутренней поверхности шины, позволяет многократно переустанавливать данный пьезоэлемент с одной шины на другую в случае ее износа или заменять на другой, что повышает практичность заявляемого пьезоэлектрического элемента. Передача электроэнергии с вращающихся вместе с колесом пьезогенераторов и, соответственно, медной обмотки возбуждения на трехфазную медную обмотку, расположенную на цилиндрическом статоре, жестко закрепленном к кузову транспортного средства, электромагнитным (бесконтактным) путем обеспечивает большую надежность данного заявляемого пьезоэлектрического элемента. Размещение цилиндрического статора в защитном кожухе во внутреннем пространстве диска обеспечивает требуемую защиту самого статора и лобовых частей его обмотки от брызг воды и камней, вылетающих из под колес, а также эффективное его охлаждение потоком воздуха вращающегося колеса. Использование пьезоэлементов с пироэлектрическим эффектом обеспечивает высокую эффективность (КПД) данного пьезоэлектрического элемента.

Так используют заявляемое изобретение.

Использование: для генерирования дополнительной электроэнергии при использовании на борту транспортного средства. Сущность изобретения заключается в том, что множество установленных на гибкой базовой структуре пьезоэлементов, выполненных в профилированном трехмерном пакетном виде, состоящих из пластинчатых слоев из пьезоэлектрического материала, соединены друг с другом при наличии их общего вывода. При этом гибкой базовой структурой является шина транспортного средства, дополнительно имеется статор с его обмоткой возбуждения, слои электропроводящей резины, нанесенные каждый на поверхность каждой из посадочных полок обода колеса, цилиндрический якорь, расположенный в статоре соосно с воздушным зазором, с его обмоткой возбуждения, выпрямительные миниатюрные диоды на внутренней поверхности шины, трехфазный мостовой диодный выпрямитель и устройство согласования напряжения, установленные в кузове транспортного средства. Технический результат: обеспечение возможности получения дополнительного источника электроэнергии на борту транспортного средства. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Пьезоэлектрический элемент для установки на гибкой базовой структуре, включающий сам пьезоэлемент, выполненный в профилированном трехмерном пакетном виде, контур профилированной поверхности каждого из которых подогнан, путем механической обработки его боковой поверхности, к контуру данной гибкой базовой структуры, на которой установлен каждый пьезоэлемент; при этом каждый пьезоэлемент выполнен в виде пакета, состоящего из пластинчатых слоев из пьезоэлектрического материала, а пьезоэлементы, каждый из которых расположен в противоположных сторонах гибкой базовой структуры, подвергнуты изгибу, растяжению или соответственно сжатию; сами пьезоэлементы электрически соединены друг с другом при наличии их общего вывода; по меньшей мере одна профилированная поверхность пакетного пьезоэлемента подогнана к контуру гибкой базовой структуры, на которой он установлен, а также имеет искривленную форму и поэтому не параллельна направлению набора пакета; слои в пьезоэлементах имеют форму прямоугольных параллелепипедов и одинаковую форму сечения в направлении, перпендикулярном направлению набора пакета, при этом изменение длины пьезоэлектрического материала как в продольном, так и в поперечном направлении относительно набора пьезоэлемента создает электрическое поле как в продольном, так и в поперечном направлении его вектора; отличающийся тем, что гибкой базовой структурой, в которую установлен каждый пьезоэлектрический элемент, является шина транспортного средства, установленная на ободе его колеса; и сам он дополнительно содержит статор с его обмоткой возбуждения; наружная поверхность обода содержит покрытие из резинового электропроводящего материала, при этом на каждую из посадочных полок обода нанесены слои электропроводящей резины, цилиндрический якорь, расположенный в статоре соосно с воздушным зазором, с его трехфазной обмоткой; выпрямительные миниатюрные диоды на внутренней поверхности шины; трехфазный мостовой диодный выпрямитель и устройство согласования напряжения, установленные в кузове транспортного средства; при этом статор состоит из стальной станины, закрепленной на внутренней цилиндрической поверхности обода диска колеса, и множества магнитных полюсов, на которых размещена упомянутая обмотка возбуждения из медного материала и которые закреплены на внутренней поверхности стальной станины, причем данная медная обмотка возбуждения залита компаундом; по центру ширины обода колеса выполнены два сквозных диаметрально противоположных технологических отверстия со слоем электропроводящей резины в каждом, расположенные соосно по данному центру ширины обода колеса стальной станины таким образом, что они оба находятся на одной прямой диаметральной линии диска колеса, причем сквозь эти диаметрально противоположные сквозные отверстия выполнено электрическое соединение слоев электропроводящей резины посадочных полок обода колеса через полосы электропроводящей резины самого обода, нанесенные на него, со слоями электропроводящей резины данных технологических отверстий, электрически соединенными с обмоткой возбуждения полюсов станины; якорь состоит из набора пластин зубчатого цилиндрического изолированного магнитопровода с внутренним отверстием, набранного из изолированных листов электротехнической стали, причем в пазах между зубцами данного цилиндрического магнитопровода уложена трехфазная медная обмотка переменного тока, а выступающие с обоих торцов данного цилиндрического магнитопровода лобовые части этой трехфазной медной обмотки переменного тока, а также и изнутри сам магнитопровод герметично закрыты прикрепленными защитными крышками; якорь жестко закреплен вкруговую к кузову транспортного средства посредством Г-образной арки, которая скреплена с одной из защитных крышек, по поверхности которой проложены и закреплены к ней медные провода для передачи электроэнергии с трехфазной обмотки на кузов транспортного средства; множество упомянутых пьезоэлементов установлено на внутренней поверхности шины наряду с выпрямительными миниатюрными диодами, причем каждый пьезоэлемент последовательно электрически, посредством полоски электропроводящей резины, соединен с данным выпрямительным миниатюрным диодом, образуя отдельные ветви, а между собой каждые ветви, образованные каждым пьезоэлементом и каждым данным выпрямительным миниатюрным диодом, соединены посредством аналогичных полосок параллельно; трехфазная медная обмотка электрически посредством упомянутых медных проводов Г-образной арки соединена со входом трехфазного мостового диодного выпрямителя, выход которого соединен со входом согласующего устройства, а выход данного согласующего устройства соединен с аккумуляторной батареей транспортного средства; при этом на обод диска колеса нанесен слой неэлектропроводящего материала, поверх которого на посадочные полки обода и сам обод до его технологических отверстий нанесены соответственно слои и полосы электропроводящей резины обода, причем слои посадочных полок обода непосредственно контактируют со слоями электропроводящей резины как общего вывода всех пьезоэлементов, нанесенными на каждый носок шины, сопряженный с посадочной полкой обода колеса.

2. Пьезоэлектрический элемент по п. 1, отличающийся тем, что пьезоэлектрическим материалом, из которого выполнен пьезоэлемент, является пьезокварц, характеризующийся монокристаллической структурой, кристаллы которой не имеют симметрии.