Генератор постоянного тока Советский патент 1979 года по МПК H02N2/18 H01L41/113 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в цепях электропривода в качестве вторичного источника питания, а так же, как источник питания электронны приборов. Известны генераторы постоянного тока, содержащие магнитную систему/ в поле которой вращается якорь, снабженный обмоткой 1. Выход обмо ки подключен к коллектору или выпря мителю. Выпрямление переменного сигнала в известных генераторах сопряжено с искрением на контактах и потерями в сглаживающих фильтрах, включаемых на выходе генераторов. Известен генератор постоянного тока, содержащий основание, пьезоэлемент, механизм нагружения пьезоэлемента и нагрузку 2 . Целью изобретения является умень шение пульсаций тока, повышение удельной мощности и КПД, а также уп щение конструкции. Достигается это тем, что пьезоэлемант выполнен в виде биморфного пьезокерамического кольца с электро дами на главных поверхностях, закрепленного с возможностью вращения, а механизм нагружения содержит хотя бы пару деформирующих роликов и пару контактных роликов, закрепленных перпендикулярно к ним, причем ролики упруго закреплены на основании и прижаты к электроду, сопротивление которого между деформирующей и контактной парой роликов по крайней мере в 10 раз больше сопротивления нагрузки, деформирующие ролики подключены к одному выводу нагрузки, контактирующие - к другому. На фиг. 1 показан общий вид генератора постоянного тока, частичный разрез; на фиг. 2 дана эквивалентная электрическая схема генератора постоянного тока с подключенной к нему нагрузкой. Источник постоянного тока состоит из биморфного пьезокерамического кольца 1, которое закреплено в тонком эластичном стакане 2, заклиненном на валу двигателя 3. К внутреннему электроду 4 кольца 1 прижата с постоянным усилием пружинами 5 пара деформирующих роликов 6, а пружинами 7 пара контактных роликов 8. Пары роликов 6 и 8 электрически подсоединены к соответствующим выводам нагрузки 9 и 10. Ролики 6 и 8 посредством пружин 5 и 7 установлены на общем основании 11 вместе с двигателем 3. На эквивалентной схеме генератора постоянного тока эффективная емкость 12 участка пьезоэлемента, находящегося под деформирующими роликами б, и динамическая емкость 13 соединены последовательно относительно электри ческого генератора 14. Генератор 14 эквивалентен ЭДС возбуждаемой пьезоэлементом на деформируемом участке. Эффективная емкость 15 и динамическая емкость 16 участка, находящегося под контактными роликами 8, подключены через сопротивление 17 к деформированному участку пьезоэлемента Сопротивление 17 эквивалентно сопротивлению электрода 4 между роликами 6 и 8 . К парам роликов б и 8 подключены выводы нагрузки 9 и 10.Внешнее сопро тивление 17 пьезоэлемента выполнено низкоомным. Генератор постоянного тока работает следующим образом. Дви гатель (например, электрический или внутреннего сгорания) приводит посредством стакана 2 во вращение пьезокерамическое кольцо относительн роликов 6 и 8, так что ролики б поочередно деформируют, участки кольца которые затем поступают под контактн ролики 8. Деформированный участок пьезоэлектрически генерирует знакопостоянное напряжение (генератор 14) которое через динамическую емкость 13заряжает эффективную емкость 12 и одновременно питает нагрузку через следующую цепь: вывод 9, ролик б, емкость 13, сопротивление 17, емкость 16, ролик 8, вывод 10. По мере заряда динамической емкости 13 участок уходит из-под деформирующих роЛиков 6 и его место под роликс1ми 6 занимает очередной участок со свобод ной от заряда динамической емкостью описываемый той же эквивалентной схе мой для деформированного участка с емкостями 12 и 13 и генератором 14. В то же время на освободившемся уча стке напряжение бывшего генератора 14становится равным нулю и большая динамическая емкость 13 перезаряжает бывшую эффективную емкость 12 своим остаточным зарядом на обратный знак На ранее деформированном участкё возникает распределение зарядов, соответствующее недеформированному участку кольца под контактными роли ками 8, которое описывает эквивален ная схема с емкостями,15 и 16. Контактные ролики 8 подключают емкости 15и 16 в цепь питания нагрузки так чтобы их остаточный заряд разряжался через нагрузку в направлении, определяемом генератором 14 деформи рованного участка..Таким образом, в то время, как емкость 13 заряжается емкости 15 и 16 разряжаются, тем амым уравновешивая ее действия, в епи нагрузки течет постоянный ток. ля успешной работы генератора посоянного тока необходимо, чтобы соротивление 17 между Е1оликами по лектроду 4 было, по крайней мере, в 10 раз выше сопротивления нагрузки. В противном случае паразитные токи, протекающие через параллельное нагрузке сопротивление 17, значительно снизят КПД генератора постоян- ного тока. Электрод 4 выполняют, например, из пленки кремния (удельное сопротивление 100 Ом.м) толщиной 0,1 мм на пьезокерамическом кольце диаметром 40 мм и шириной 15 мм. В этом случае сопротивление 17 равно 250 кОм, а переходное сопротивление от ролийа к керамике не больше 10 Ом. Эффективная емкость 12 пьезокерамического кольца, выполненная из ЦТС-19 (е 1700), равна 200 пф. Кольцо необходимо вращать с резонансной скоростью, т.е. с такой, при которой деформирующие ролики движутся по поверхности кольца со скоростью распространения в нем изгибных волн. Резонансную скорость п вращения вала двигателя 3 определяют по формуп 2 -С/Узя.В где t - толщина пьезокерамического кольца; С - скорость звука в пьезокерамике (для ЦТС-19 ) ; R - радиус пьезокерс1мического кольца. Например, при ,5ммиО 40 мм резонансная скорость вращения вала равна 350 об/с. На скорости вся мсадность двигателя 3 превращается в электрическую энергию. Максимально возможную мощность Р генера- тора постоянного тока рассчитывают по формуле„ , ., Р« п:2-К П D-tb-e-yBEj , i - квадрат коэффигде К циента электромеханическойсвязи пьезокерамики ЦТС в режиме изгиб-ных деформацир} b 1,5 см - ширина кольца 1; EHJ 0, Па - модуль Юнга пьезокерамики; о 25МПа - динамическая прочность пьезокерамики ЦТС Динсиличвская прочность пьезокерамики ЦТС 25МПа подробно описана и книге Мазон У. Физическая акустика (часть 1а,М., мир, 1966, с.306) . Генератор упомянутых размеров развивает мощность 2Вт. Генератор постоянного тока можно использовать и на частотах вращения ниже резонансной. Тогда следует учитывать появление реактивной составляющей емкостного характера в цепи нагрузки, что снижает мощность генератора. В приведенном примере характеристическое сопротивление кольца равно 3 кОМ и при снижении частоты вращения до п, 50 об/с последнее внесет расстрой ку реактивного характера 2,4 кОм, ч позволяет в режиме максимальной мощ ности, когда реактивная нагрузка ра на активной, получить мощность Т, n,.P/Y2Ki Q,26m. В генераторах постоянного тока, рассчитанных на мсшдности в десятки ватт, полезно увеличить количество пар деформирующих и контактных роли ков с углом закрепления между ними, равным отношению длины полуволны изгибных колебаний к радиусу кольц Увеличение количества роликов повышает частоту изгибных колебаний пьезоэлектрического кольца и, следовательно, снижаемую мощность. Кро ме того, скорость вращения ротора уменьшается пропорционально увеличе нию количества роликов, а это умень шает инерционные силы во вращающейс части генератора постоянного тока. Пьезокерамическое биморфное коль выполняют или из двух керамических колец, вложенных в друга, или керамического кольца и металлического (напримег, стального, толщина которого может в 2-3 раза превышать толщину керамического). В последнем случае деформирующие ролики прижимают пьезоэлектрический слой к стал ной опоре - кольцу, в результате чего пьезослой генерирует заряд. Пьезокерамическое кольцо изготов ляют, например, из шликера ЦТС лить под давлением с последующим обжигом Электрод 4 наносят методом осаьждани из газовой фазы в вакууме, а сопротивление 17 - вжиганием метгшлиэиру лщей пасты. Затем керамику поляризуют в поле 340 кВ/см при температуре 130°С. В генераторе постоянного тока более мощного исполнения электрод 4 выполняют из силиконовой резины с металлическим наполнителем, подобранным в таком количестве, чтобы под прижимающим действием роликов сопротивление падало до нуля, а при уходе - восстанавливалось изолирующее состояние. Пружины 5 и 7 рассчитывают таким образом, чтобы прижатие деформирующи роликов было в Нс1шем случае силой ЗН (0,ЗН), а контактных 0,5Н. Под действием результирующего деформирующего усилия (2,5Н) радиус кольца в месте прижатия деформирующих роликов б увеличивается на 2 мм. Генератор постоянного тока может быть также выполнен с неподвижным ,пьезокерамическим кольцом и вращаюрдей системой деформирующих и контактных роликов, подсоединенных в этом случае к валу двигателя. В качестве двигателя может быть использован как электродвигатель, так и двигатель внутреннего сгорания турбины различного типа и др. Как показывают опыты, настоящий генератор постоянного тока облгидает повышенной, не менее чем в 10 раз, удельной мощностью, благодаря устра нению систем переключения (электрической и механической). Отсутствие сглаживеиощих фильтров повыиает КПД устройства до 80%, а устранение электрических и механических коммутаторов соответствующих токов и скоростей движений также упрощает их конструкцию. Приведенный в качестве примера генератор постоянного тока не дает пульсаций тока и развивает удельную мощность 60 ВТ/КГ в режиме непрерывной работы, что, по крайней мере, в 4 раза выше, чем у известных генераторов. Формула изобретения Генератор постоянного тока, со/ зржащий. основание пьезоэлемент, механизм пьезоэлемента и нагрузку, отличающийся тем, что, с целью уменьшения пульсгщий тока, повышения удельной мощности и КПД, а также упрощения конструкции, пьезоэлемент выполнен в виде биморфного пьезокерамического кольца с электродами на главных поверхностях, закрепленного с возможностью вращения, а механизм нагружения содержит, по крайней мере, пару деформирующих роликов и пару контактных роликов, закрепленных перпендикулярно к ним, причем, ролики упруго закреплены на основании и прижаты к электроду, сопротивление которого между деформирующей и контактной роликов, по крайней мере, в 10 раз больше сопротивления нагрузки, деформирующие ролики подключены к одному выводу нагрузки, контактирующие - к другому. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Генераторы постоянного тока типа КГ-56, М., МЭП СССР, 1955, 2.Авторское свидетельство СССР 424266, Н 01 К 7/00, 22.09Л972.

lOO

fU

С1