Колесо с трансформацией энергии механической деформации в электрическую

 

Использование: в электромобилях, метропоездах, другом колесном транспорте. Сущность изобретения: электрическое напряжение периодически снимается с многослойных цилиндрических секций из пьезоэлектрических материалов, расположенных вблизи обода, при качении колеса. Деформация секций создается давлением жидкости в полости их расположения. Давление жидкости создается за счет веса транспортного средства или центробежной силы грузов, расположенных на спицах колеса. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Аналогом заявляемого устройства является изобретение [1] согласно которому устройство, приводимое в действие весом тела (человека или животного, например, как указывается, лошади), к которым прикреплено это устройство (например, как указано, к ногам человека или рядом с копытом лошади), вырабатывает механическую энергию, которая затем переводится в электрическую, используемую для нужд этого человека или животного, например, в приборах, прикрепленных к одежде человека.

В отличие от этого изобретения применение заявляемого устройства предполагается в другой обрасти при конструировании колес транспортных средств различного назначения. При этом деформируются детали колеса, например, шины, а установленные в самом колесе пьезоэлектрические элементы (секции цилиндров) воспринимают эту деформацию, в результате чего с них снимается электрическая энергия, т. е. этапы получения механической энергии и преобразование ее в электрическую в заявляемом устройстве неразделимы.

Второе отличие заявляемого устройства заключается в его предназначении: обеспечить перевод в электрическую механической энергии деформации колеса, обусловленной не только весом транспортного средства, но неизбежно и энергии деформации, возникающей от преобразования кинетической энергии самого колеса, движущегося по неровной дороге (выбоены, ухабы) транспортного средства, а также аэродинамической силой, прижимающей к дороге транспортное средство.

Прототипом заявляемого колеса является устройство для подзарядки аккумуляторов транспортного средства [2] в котором предлагается размещение в полости между покрышкой и камерой на камере колеса пьезокерамических секций цилиндра, в которые упираются выступы покрышки. При качении колеса происходит периодическая деформация всех частей покрышки и камеры, благодаря чему выступы нажимные устройства периодически деформируют секции, с которых снимается электрическая энергия для подзарядки аккумулятора.

При этом за один оборот колеса происходит лишь один цикл (сжатие - восстановление) деформации каждой секции, что ограничивает количество снимаемой с нее электрической энергии.

Энергосъем лимитируется также из-за использования секций только одного цилиндра. Поэтому при одинаковом объеме включенного в колесо пьезоэлектрика, но распределенного в виде секций на нескольких коаксиальных полых цилиндрах, энергосъем за оборот колеса может возрастать.

Сущность изобретения.

Заявляемое устройство колеса ставит своей задачей увеличение энергосъема за один оборот колеса за счет увеличения как числа циклов деформации пьезоэлектрических секций, так и самого количества секций. При этом объем используемых в колесе пьезоэлектрических материалов может не меняться, а увеличение числа секций достигаться, например, за счет уменьшения их толщины. Наименьшая возможная толщина определяется условием отсутствия электрического пробоя пьезоэлектрического материала предельно деформированной секции.

Для решения этой задачи на колесе предусмотрены два (внешний и внутренний) концентрически расположенные цилиндрические ободы. Герметично соединенные, они образуют полость. Эта полость выполнена в виде ряда сообщающихся полостей ее частей, образованных коаксиально установленными в полости полыми цилиндрами. Полость заполнена выбранной жидкостью. На каждом из полых цилиндров на эластичной подложке размещены электрически изолированные секции цилиндров из пьезоэлектрических материалов с тангенциальной поляризацией, которые закреплены по своим крайним образующим на соответствующем полом цилиндре таким образом, чтобы с жидкостью контактировала выпуклая сторона каждой секции. Деформация секций осуществляется за счет изменения избыточного давления жидкости в сообщающихся полостях.

Для создания избыточного давления вдоль внешнего (внутреннего) обода колеса предусмотрены нажимные устройства, включающие в себя нажимные штоки с возможностью перемещения вдоль радиуса колеса без механического контакта с секциями, и подложками и полыми цилиндрами из полости и в полость без нарушения ее герметичности.

Нажимные штоки могут вдвигаться в полость колеса как с внешней, т.е. к оси колеса, так и с внутренней, т.е. от оси колеса сторон. В первом случае это происходит при "наезде" колеса на нажимное устройство, во втором при вдавливании штока в полость соединенным с ним грузом, перемещающимся по спице катящегося колеса под влиянием центробежной силы и/или веса груза. Выталкивание штока из полости осуществляется в первом случае при " съезде" колеса с нажимного устройства за счет восстановления формы эластичной подложки и секций, а во втором, кроме того, и за счет вытягивания штока с грузом по спице их весом. В результате такого расположения нажимных устройств каждая секция деформируется несколько раз за один оборот колеса.

Для увеличения времени нахождения каждой секции в деформированном состоянии, что улучшаем условия съема с нее пьезоэлектрической энергии в полости могут быть предусмотрены радиальные перегородки, разбивающие ее на герметичные отсеки, каждый из которых снабжен хотя бы одним нажимным устройством.

Для увеличения энергосъема секции цилиндров изготовлены из тангенциально поляризованного материала: при одних и тех же размерах и внешнем давлении тонкостенный цилиндр с тангенциальной поляризацией позволяет снять приблизительно в 6 раз больше энергии по сравнению со случаями радиальной или продольной поляризаций. Съем энергии осуществляется в период наибольшей деформации секции.

Изобретение появляется чертежами, где на фиг. 1 схематически показано сечение герметичного отсека с нажимными штоками, на фиг. 2 схематично изображено устройство колеса с единым (без радиальных перегородок) герметичным отсеком и нажимными устройствами на внешнем ободе; на фиг. 3 устройство колеса с единым герметичным отсеком и нажимными устройствами на внешнем и внутреннем ободе; на фиг. 4 устройство колеса с несколькими герметичными отсеками и нажимными устройствами на внешнем ободе колеса; на фиг. 5 - устройство колеса с несколькими герметичными отсеками и нажимными устройствами на внешнем и внутреннем ободе колеса.

Герметичный отсек, сечение которого показано на фиг. 1, согласно заявке содержит: внешний обод 1, который наряду с внутренним ободом 2 образует заполненную жидкостью 3 герметичную полость, которая полыми коаксиально установленными цилиндрами 4 разделена на сообщающуюся систему полостей с нажимными штоками 5 на внутреннем и 6 на внешнем ободах. На полях цилиндра 4, включая ободы, закреплены по своим крайним образующим на эластичной подложке 7 секции 8, выполненные из пьезоэлектрического материала с тангенциальной поляризацией. (Условно на фиг. 1 показаны только два цилиндра 4). Каждая секция 8 через шины 9 соединена с устройством 10 съема электрического напряжения с секций.

Отсек работает циклически следующим образом. Когда под влиянием внешней силы F нажимной шток 5 (и/или 6) вдвигается в отсек, то в жидкости 3 начинает повышаться избыточное давление, что приводит к распрямлению и сжатию секций 8 и смятию подложек 7. При сжатии секции 8 на ней возникает разность электрических потенциалов, которая через шины 9 используется устройством 10 съема электрического напряжения с секций. После исчезновения силы (или изменения ее знака) нажимной шток 5 (6) выдвигается из полости, под влиянием давления в жидкости 3, создаваемом при возвращении подложек 7 и секций 8 в близкое к исходному положению. При этом на секциях 8 снова образуется разность электрических потенциалов (обратного знака), которая снова используется устройством 10. По окончании съема этого электрического напряжения устройство 10 заземляет секции 8, в результате чего они принимают свою первоначальную геометрическую форму и готовы к следующему циклу работы.

Выполненная согласно заявке схема устройства колеса (фиг. 2) содержит единый герметический отсек 11 с нажимными устройствами 12 на внешнем ободе колеса и устройство 10, снабженное шинами 9 управления и коммутации секций 8. При необходимости колесо может быть одето покрышкой 13.

Устройство работает следующим образом.

При качении колеса нажимной шток 6 нажимного устройства 12, оказавшегося в районе соприкосновения колеса с дорогой 14, под влиянием давления на него транспортного средства утапливается в отсек 11, создавая в жидкости 3 импульс давления, который двумя противоположно движущимися от 6 волнами по кольцевым каналам между полыми цилиндрами 4 и между полыми цилиндрами и ободами распространяется вдоль отсека 11. Наибольший съем энергии будет происходить, когда за время от утопления одного штока 6 до утопления соседнего импульс давления будет совершать приблизительно один оборот, вызывая явление квазирезонанса.

При этом устройство 10 посредством шин 9 производит съем напряжений одного и другого знака с каждой секции 8 и ее последующее заземление также, как это было отмечено при описании работы герметичного отсека на фиг. 1.

Выполненная согласно заявке схема устройства колеса (фиг. 3) содержит устройство 10 с шинами 9, единый герметичный отсек 11 с нажимными устройствами 12, расположенными на внешнем и внутреннем ободе колеса, снабженного спицами 5 с грузами 16, обладающими возможностью перемещения вдоль спиц 15 и соединенными с нажимными штоками 5.

Устройство работает следующим образом.

При качении колеса грузы 16 под влиянием равнодействующей силы их веса, центробежной силы и силы избыточного давления из отсека 11 перемещаются по спицам 15. Если проекция этой равнодействующей на ось спицы 15 направлена от оси колеса, нажимной шток 5 утапливается в полость 11, если к оси - извлекается из нее. При этом в полости 11 протекают те же процессы, которые возникают в полости 11 устройства на фиг. 2, а устройства 10 и 12 на внешнем ободе работают также, как и на фиг. 2.

На фиг. 4 показана выполненная согласно заявке схема устройства колеса с несколькими герметичными отсеками 17, образованными радиальными перегородками 18, каждый из которых снабжен нажимным устройством 12, расположенным на внешнем ободе колеса. Устройство 10 с шинами 9 соединено со секциями 8 каждого отсека 17.

Устройство работает следующим образом.

При "наезде" колеса на нажимное устройство 12 нажимной шток 6 утапливается в отсек 17, создавая в нем постоянное избыточное давление жидкости 3 до тех пор, пока колесо не "съедет" с этого нажимного устройства и нажимной шток не выдвинется из отсека 17, в котором исчезнет избыточное давление и произойдет релаксация подложек 7 и секций 8. При этом устройство 10 работает так же как и в предыдущих устройствах, но количество снимаемой электрической энергии за один оборот колеса не зависит от скорости транспортного средства.

На фиг. 5 показана выполненная согласно заявке схема устройства колеса с несколькими герметичными отсеками 17 при расположении нажимных устройств 12 на внешнем и внутреннем ободе колеса и соединении нажимных штоков 5 с расположенными на спицах 15 грузами 16, которые имеют возможность перемещения по спицам 15. Устройство 10 с шинами 9 соединено с секциями 8 каждого отсека 17.

Работа этого устройства принципиально не отличается от работы устройства, приведенного на фиг. 4, за исключением того, что утапливание и вытягивание нажимных штоков из отсеков 17 происходит под влиянием равнодействующей силы также, как это происходит при работе устройства на фиг. 3. Другим отличием его от работы устройства на фиг. 4 является тот факт, что в каждый момент избыточное давление может создаваться и более чем в одном отсеке 17, т. е. за один оборот колеса каждый отсек может проработать и более одного раза.

Благодаря заявленным отличительным признакам достигается технический результат: увеличение по сравнению с прототипом энергосъема с колеса за счет: а) увеличения числа циклов деформации каждой пьезоэлектрической секции за один оборот колеса (фиг. 2,3,5), поскольку количество снимаемой энергии пропорционально числу таких циклов, а наибольший съем энергии достигается при квазирезонансе; б) лучшего использования размещенного в колесе пьезоэлектрического материала, расположенного не на одном, как в прототипе, а на нескольких коаксиальных цилиндрах в виде секций малой толщины с учетом того, что величина снимаемой энергии с секций обратно пропорциональна ее толщине; в) применения тангенциально поляризованных цилиндрических секций из пьезоэлектрического материала; г) увеличения интервала времени сохранения механически деформированного состояния секций (фиг. 4), что облегчает выбор оптимального (с наименьшими потерями) момента съема энергии; д) использование жидкости в полости расположения секций для обеспечения равномерной деформации по всей дуге и длине закрепленных по своим крайним образующим секций.

Оценочные расчеты показывают, что с колеса (фиг. 4), катящегося со скоростью 110 км/ч под нагрузкой на его ось порядка 200 кг, оборудованного пьезокерамическими секциями из ЦТНСВ-1 толщиной 5 мм, при ширине колеса 20 см, можно снять электрическую мощность до 1 кВт, что для четырех колес может составить прибавку мощности двигателя транспортного средства до 10%

Формула изобретения

1. Колесо с трансформацией энергии механической деформации в электрическую, содержащее электрически изолированные секции цилиндра, выполненные из пьезоэлектрического материала и закрепленные на цилиндрической подложке на стенке полости, расположенной вдоль обода колеса, жесткие нажимные устройства, а также устройство съема электрического напряжения с секций, отличающееся тем, что полость образована концентрически расположенными и герметично соединенными цилиндрическими внешним и внутренним ободами колеса и содержит ряд сообщающихся полостей, образованных коаксиально установленными полыми цилиндрами, и заполнена жидкостью, каждая секция выполнена с тангенциальной поляризацией, снабжена эластичной подложкой и закреплена по своим крайним образующим на соответствующем полом цилиндре, включая ободы, так, чтобы с жидкостью контактировала выпуклая сторона секции, на внешнем ободе колеса вне полости расположены нажимные устройства, каждое из которых снабжено нажимным штоком с возможностью радиального перемещения его в полость и из полости без нарушения герметичности и без механического контакта с секциями, подложками и коаксиальными полыми цилиндрами внутри полости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено спицами, на каждой из которых расположен груз, установленный с возможностью перемещения по спице, и дополнительными нажимными устройствами, расположенными на внутреннем ободе вне полости, причем нажимной шток каждого из них соединен с грузом на соответствующей спице.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что полость радиальными перегородками разбита на герметичные отсеки, каждый из которых снабжен нажимным устройством.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5