УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВРАЩЕНИЯ КОЛЕСА ПРИ ДВИЖЕНИИ КОЛЁСНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2019 года по МПК F16H33/00 

Изобретение относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения резонансных свойств пьезоэлектрических материалов, и может быть использовано в транспортных средствах в качестве отдельного устройства закрепляемого к ступице колеса.

Изобретение может быть использовано в качестве источника переменного или постоянного тока на транспорте.

В настоящее время в мире существует множество предложений, патентов и действующих моделей устройств, преобразующих энергию разнообразных механических деформаций, сопутствующих природным явлениям, работе машин или движений человека в электрическую посредством пьезоэлементов (например, Mitcheson, P., «Energy Harvesting from Human and Machine Motion for Wireless Electronic Devices», Proceedings of IEEE, vol. 96, p. 1457, 2008; патенты US 6767161 B1, US 4739179A, RU 2470452). Исследования в области создания подобных устройств ведутся рядом университетов и компаний. В англоязычной литературе появился специальный термин, обозначающий сущность таких преобразователей: Energy Harvesting. Все системы подобного типа являются открытыми, поскольку источники механических деформаций являются внешними по отношению к пьезоэлементам и связанным с ними электротехническими схемами. Поэтому в таких устройствах возможна генерация полезной электроэнергии, превышающей затраты энергии, необходимой для обеспечения работы самого устройства. В результате проведенного предварительного патентного поиска, устройств с преобразованием энергии земного притяжения при движении колесных транспортных средства в электрическую не найдено.

Техническим результатом предлагаемого решения является пьезоэлектрический генератор, устанавливаемый на колесном, например водяном транспортном средстве, выходная энергия которого используется для разложения воды на кислород и водород, а также может использоваться для эллипсоидных излучателей.

На фиг 1, 2, 3, 4 изображены автомобильное колесо2 и соосно ему установленное предлагаемое устройство имеющее форму колеса содержащего обод 6 с волнообразной гибкой оболочкой 3, диаметр которой превышает диаметр автомобильного колеса 2. В каждом объеме волновой части гибкой оболочки вдоль радиальной оси дополнительно расположены толкатель 11, упор 10, шток 8, взаимодействующий через зазор с группой пьезоэлементов 7 расположенных между корпусом обода и пластиной 12 со штоком 8 подпружиненных упорной пружиной 14 повышенной жесткости. Между упором 10 и корпусом обода 6 расположена вторая ходовая пружина 13 или сильфон 22 с вставленным в нее ходовым штоком 9. Объем гибкой оболочки 3 связан через прямой клапан 5 и обратный клапан 4, установленные в толщине обода 6 с атмосферой. Передача энергии от пьезоэлементов при вращении устройства может происходить с помощью коллектора, содержащего два контактных кольца 17, подпружиненных щеток 16, закрепленных на неподвижном корпусе коллектора 15. Другой вариант передачи электроэнергии заключается в том, что выходные провода от каждой группы пьезоэлементов 7 соединены с первичными катушками 20, расположенными на частях магнитопровода 18, которые взаимодействуют с другой частью неподвижного магнитопровода 19, содержащего вторичную катушку 21 при условиях вращения первичных катушек 20 и деформации ходовой пружины 13 или сильфона 22.

Работа устройства заключается в том, что при движении колесного транспортного средства происходит периодическое возникновение от веса транспортного средства сил, которые деформируют гибкую оболочку. При этом радиус устройства в точке касания с грунтом уменьшается до величины радиуса колеса транспортного средства. В результате сжатия гибкой оболочки ходовой шток, действуя на группу пьезоэлементов, вызывает выходное напряжение этой группы, которое подается на контактные кольца и с помощью подпружиненных щеток подается на вход электронной схемы для дальнейшего получения необходимой выходной временной характеристики. При использовании опорной пружины повышенной жесткости предотвращается перегрузка пьезоэлементов. Для бесконтактной передачи электроэнергии используем разъемный трансформатор, одни части которого через первичные катушки электрически связаны с группами пьезоэлементов. При вращении устройства, в момент приложения, действующий на группу пьезоэлементов силы, происходит совмещение электрически связанной с этой группой подвижной и неподвижной частей трансформатора и как следствие передачи напряжения на вторичную катушку трансформатора. Для увеличения КПД трансформатора части магнитопроводов могут иметь полюсные наконечники. При сжатии гибкой оболочки волнообразной формы в ней происходит увеличение давления, что приводит к некоторому уменьшению действующей на группу пьезоэлементов силы. Для исключения этого используем прямой клапан 5 и обратный клапан 4, что способствует уравновешиванию давления и охлаждению пьезоэлементов.

Изобретение может быть использовано в транспортных средствах в качестве отдельного устройства, закрепляемого к ступице колеса. Форма колеса содержит обод с волнообразной гибкой оболочкой, диаметр которой превышает диаметр автомобильного колеса. В каждом объеме волновой части гибкой оболочки вдоль радиальной оси дополнительно расположены толкатель, упор, ходовой шток, взаимодействующий через зазор с группой пьезоэлементов, расположенных между корпусом обода и пластиной со штоком, подпружиненных упорной пружиной повышенной жесткости. Между упором и корпусом обода расположена вторая ходовая пружина или сильфон с вставленным в нее ходовым штоком. Объем гибкой оболочки связан через прямой и обратный клапаны, установленные в толщине обода с атмосферой, а выходные провода от каждой группы пьезоэлементов соединены с первичными катушками, расположенными на частях магнитопровода, которые взаимодействуют с другой частью неподвижного магнитопровода, содержащего вторичную катушку при условиях вращении первичных катушек и деформации ходовой пружины или сильфона. Технический результат – расширение арсенала технических средств. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство преобразования энергии вращения колеса при движении колесного транспортного средства, имеющее форму колеса, содержащего обод с волнообразной гибкой оболочкой, диаметр которой превышает диаметр автомобильного колеса, причем в каждом объеме волновой части гибкой оболочки вдоль радиальной оси дополнительно расположены толкатель, упор, шток, взаимодействующий через зазор с группой пьезоэлементов, расположенных между корпусом обода и пластиной со штоком, подпружиненных упорной пружиной повышенной жесткости, причем между упором и корпусом обода расположена вторая ходовая пружина или сильфон с вставленным в нее ходовым штоком.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что объем гибкой оболочки связан через прямой и обратный клапаны, установленные в толщине обода с атмосферой.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выходные провода от каждой группы пьезоэлементов соединены с первичными катушками, расположенными на частях магнитопровода, которые при вращении периодически взаимодействуют с другой частью неподвижного магнитопровода, содержащего вторичную катушку, на которую периодически передается энергия от каждой группы пьезоэлементов при условиях совпадения подвижной части магнитопровода, первичная катушка которого связана с данной группой пьезоэлементов, с неподвижной частью магнитопровода и деформации этой группы, ее ходовой пружины или сильфона.