Устройство генерирования энергии и способ генерирования энергии

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение эффективности работы. Устройство генерирования энергии содержит по меньшей мере два генерирующих механизма, каждый из которых выполнен с возможностью генерирования выходного напряжения посредством относительного движения двух разноименно заряженных генерирующих элементов. Генерирующие элементы имеют некоторое пространственное разнесение (которое может быть нулевым или ненулевым). Механизмы совместно выполнены таким образом, что пространственные разнесения между их соответствующими элементами имеют обратную взаимосвязь: увеличение одного приводит к соответствующему уменьшению другого. Благодаря объединению указанных двух выходных сигналов устройством может выдаваться саморегулируемый единый выходной сигнал напряжения, тока или мощности, амплитуда которого практически независима от любых изменений или колебаний пространственного разнесения между элементами любого из двух механизмов. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится к устройству и способу генерирования энергии; в частности, к устройству и способу, применяемым для преобразования механической энергии в электрическую энергию.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Аккумулирование или преобразование небольших источников механической энергии в удобные для использования формы электрической энергии является сферой, которая в последнее время привлекает значительное внимание, а как область технологии совершает быстрое и существенное развитие.

В частности, одна из областей, которая является предметом особого внимания - трибоэлектрическое генерирование энергии. Трибоэлектрический эффект (иначе называемый трибоэлектризацией) представляет собой вызываемую контактом электризацию, при которой материал становится электрически заряженным после контактирования его с другим материалом посредством трения. Трибоэлектрическое генерирование основано на преобразовании механической энергии в электрическую энергию посредством способов, которые объединяют трибоэлектрический эффект с электростатической индукцией. Предложено применять трибоэлектрическое генерирование для питания носимых устройств, таких как датчики и смартфоны, путем улавливания потерянной в противном случае энергии от таких источников, как ходьба, случайные движения тела, порыв ветра, вибрация или океанические волны (см., например: Wang, Sihong, Long Lin и Zhong Lin Wang. «Triboelectric nanogenerators as self-powered active sensors». Nano Energy 11 (2015): 436-462).

В своей простейшей форме трибоэлектрический генератор использует два листа различных материалов: один - донор электронов, а другой - акцептор электронов. Один или более из материалов может являться изолятором. Другие возможные материалы могут включать в себя полупроводниковые материалы, например, кремний, содержащий слой собственного оксида. При приведении материалов в контакт электроны переходят из одного материала в другой, создавая противоположный заряд на двух материалах. Это представляет собой трибоэлектрический эффект.

Если листы после этого разделяются, каждый лист хранит электрический заряд (своей полярности), разделенный зазорами между ними, при этом электрический потенциал возрастает. Если на поверхности двух материалов разместить электроды, а между ними подключить электрическую нагрузку, любое последующее перемещение листов либо в сторону, либо перпендикулярно вызовет в ответ протекание тока между двумя электродами. Это всего лишь пример электростатической индукции. По мере того, как увеличивается расстояние между соответствующим центрами зарядов двух пластин, ослабляется электромагнитное поле сил притяжения на зазоре между ними, приводя к увеличению разности потенциалов между двумя внешними электродами, поскольку электрическое притяжение заряда через нагрузку начинает превосходить электростатическую силу притяжения на зазоре.

Таким образом, трибоэлектрические генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую энергию посредством связи между двумя основными физическими механизмами: контактной электризацией (трибоэлектризацией) и электростатической индукцией.

Путем циклического увеличения и уменьшения взаимного отдаления между центрами зарядов пластин в ответ может индуцироваться ток, протекающий вперед и назад между пластинами, тем самым генерируя переменный ток на нагрузке.

Недавно разработана новая технология материалов для генерирования энергии (аккумулирования энергии) и преобразования энергии, которая использует данный эффект, как описано в работе Wang, Z. L. «Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors», ACS nano 7.11 (2013): 9533-9557. На основе этого эффекта разработаны несколько конфигураций устройств так называемых трибоэлектрических генераторов («ТЭГов») или так называемых трибоэлектрических наногенераторов («ТЭНГов»). Трибоэлектрические наногенераторы составляют одну подгруппу трибоэлектрических генераторов и характеризуются некоторыми конкретными поверхностными свойствами пластин генераторов.

С момента первого сообщения о них в 2012 г. плотность выходной мощности ТЭГов значительно улучшилась. Плотность мощности на единицу объема может достигать более 400 киловатт на кубический метр, при этом продемонстрирована эффективность величиной ~60% (в том же источнике). Помимо высокой энергетической характеристики технология ТЭГов обладает множеством других достоинств, таких как низкая стоимость изготовления, высокая надежность и прочность, а также слабое воздействие на окружающую среду.

ТЭГ может использоваться в качестве генератора электрической энергии, т.е., для аккумулирования энергии, например, от вибрации, ветра, воды, случайных движений тела или даже доступной в механическом виде энергии в электричество. Генерируемое напряжение представляет собой сигнал мощности.

ТЭГи можно упрощенно разделить на четыре основных класса работы.

Первый режим работы представляет собой режим вертикального контактирования-разнесения, в котором две или более из пластин циклически приводятся в контакт или выводятся из контакта с помощью приложенной силы. Это может использоваться, например, в обуви, в которой давление, оказываемое пользователем при выполнении им шагов используется для приведения пластин в контакт. Один пример такого устройства описан в статье «Integrated Multilayered Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Biomechanical Energy from Human Motions» Peng Bai с соавт. в ACS Nano 2013 7(4), с. 3713-3719. В данном случае устройство содержит многослойную структуру, образованную на подложке зигзагообразной формы. Устройство работает на основе передачи поверхностного заряда благодаря контактной электризации. При приложении к структуре давления зигзагообразная форма сжимается для создания контакта между различными слоями, а при сбросе давления контакт размыкается. Аккумулированная энергия может, например, использоваться для зарядки мобильных переносных устройств.

Второй режим работы представляет собой режим линейного скольжения, в котором вызывается движение пластин в боковом направлении относительно друг друга с целью изменения зоны перекрытия между ними. На пластинах создается разность потенциалов, которая имеет мгновенное значение, пропорциональное скорости изменения общей зоны перекрытия. Путем многократного приведения пластин во взаимное перекрытие друг с другом и выведения из него на нагрузке, подключенной между пластинами, может быть установлен переменный ток.

Одна конкретная подгруппа ТЭГов в режиме линейного скольжения, которые были разработаны, представляет собой ТЭГи с вращающимся диском, которые могут приводиться в действие как в контактном режиме (т.е., постоянная трибоэлектризация и электростатическая индукция), так и в бесконтактном (т.е., только электростатическая индукция после начальной контактной электризации). ТЭГи с вращающимся диском, как правило, состоят, по меньшей мере, из одного ротора и одного статора, каждый из которых выполнен в виде группы разнесенных круговых секторов (сегментов). Сектора перекрываются, а затем разделяются по мере вращения двух дисков относительно друг друга. Как описано выше, между двумя скользящими в боковом направлении - противоположно заряженными - слоями может создаваться ток, величина которого пропорциональна скорости изменения зоны перекрытия. По мере того, как каждый последовательно отделяемый сектор ротора приходит в перекрытие с заданным сектором статора и выходит из него, между пластинами двух секторов создается ток - сначала в первом направлении по мере того, как пластины увеличивают перекрытие, а затем в противоположном направлении по мере того, как пластины уменьшают перекрытие.

Конструкция, позволяющая аккумулировать энергию от скользящих движений, описывается в статье «Freestanding Triboelectric-Layer-Based Nanogenerators for Harvesting Energy from a Moving Object of Human Motion in Contact and Non-Contact Modes» в Adv. Mater. 2014, 26, 2818-2824. Свободно располагающийся подвижный слой скользит между двумя электродами. Подвижный слой может быть размещен таким образом, чтобы не устанавливать контакт со статическими электродами (т.е., при незначительном расстоянии над статическими электродами), либо он может устанавливать скользящий контакт.

Третий режим работы представляет собой режим одиночного электрода, в котором одна поверхность, например, заземлена - например, дорога на грунте - а между этой первой поверхностью и заземлением подключена нагрузка (см., например, работу Yang, Ya с соавт. «Single-electrode-based sliding triboelectric nanogenerator for self-powered displacement vector sensor system», ACS nano 7.8 (2013): 7342-7351). Вторая поверхность - не соединенная электрически с первой - приводится в контакт с первой поверхностью и трибоэлектризует ее. Поскольку вторая поверхность после этого удаляется от первой, избыточный заряд на первой поверхности доводится до заземления, обеспечивая ток в нагрузке. Таким образом, в данном режиме для создания выходного тока используется лишь одиночный электрод (на одиночном слое).

Четвертый режим работы представляет собой режим свободно располагающегося трибоэлектрического слоя, который предназначен для аккумулирования энергии от произвольно движущегося объекта, электрические соединения с которым отсутствуют. Данный объект может представлять собой, например, проезжающий автомобиль, проезжающий поезд или ботинок. (В этом случае также см. «Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors», ACS nano 7.11 (2013): 9533-9557).

Существуют также и другие конструкции трибоэлектрического генератора, такие как конфигурация в форме двойной дуги, основанная на контактной электризации. Давление заставляет дуги замыкаться с образованием контакта между слоями дуг, а при сбросе давления дуги возвращаются к форме разомкнутой дуги. Предложен также трибоэлектрический генератор, который выполнен в виде гармонического резонатора для улавливания энергии от колебаний окружающей среды.

Как отмечалось, ТЭГи с вращающимся диском и, безусловно, в большинстве случаев ТЭГи в скользящем режиме могут приводиться в действие как в контактном режиме, так и в бесконтактном режиме. Несмотря на то, что контакт желателен для трибоэлектризации пластин (и изначально, и также в последующем для нейтрализации утечки), сам процесс электростатической индукции (с помощью которого генерируется электрическая энергия) не требует контакта между пластинами, но хорошо работает при небольшом разнесении между пластинами (величиной, например, приблизительно 0,5 мм - см., например, Long Lin с соавт. « Segmentally Structured Disk Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Rotational Mechanical Energy », Nano Letters, 2013, 13 (6), 2916-2923).

Работа в контактном режиме - в котором пластины поддерживаются в непрерывном фрикционном контакте - приводит к более высокой выходной мощности, поскольку пластины непрерывно заряжаются и, следовательно, непрерывно поддерживаются на некоторой теоретической максимальной плотности поверхностного заряда благодаря непрерывному замещению заряда, теряемого посредством утечки, и т.д. Однако работа в контактном режиме приносит с собой различные трудности, включая создание избыточного шума и ухудшение материалов устройства (и, следовательно, срока службы устройства) из-за абразивного износа поверхности. В большинстве случаев вследствие этого предпочтительно создавать контакт между пластинами лишь периодически для трибоэлектризации в тех случаях, когда это необходимо, а затем работать в бесконтактном режиме с целью преодоления описанных трудностей, связанных с шумом, трением и сроком службы устройства.

Однако такая двухрежимная работа приносит с собой новые трудности, возникающие из-за того, что пространственное разнесение между пластинами генератора во время электростатической индукции оказывает весьма значительное влияние на амплитуду напряжения и мощности генерируемого электрического выходного сигнала. В результате этого прерывистая зарядка пластин, которая требует частой перестановки между расположением контакта и разнесенным расположением, приводит к неравномерной выходной мощности и напряжению в течение работы генератора. Инициирование каждой фазы трибоэлектризации приводит к временному или непериодическому увеличению выходной мощности с приближением пластин друг к другу, а каждый возврат к бесконтактному режиму приводит к эквивалентному снижению выходной мощности. При использовании генератора для возбуждения электрического компонента такая неравномерность выходного сигнала, очевидно, не является идеальной.

Для иллюстрации на изображенном на фиг. 1 графике представлено измеренное соотношение между разнесением пластин в мм (ось 10 х) и пиковой выходной мощностью в мВт (ось 12 y) для примера ТЭГа с вращающейся пластиной, содержащего ротор из политетрафторэтилена (ПТФЭ). Как указано выше, выходная мощность является наибольшей, когда пластины соприкасаются (т.е., при нулевом разнесении пластин), достигая пикового выходного значения для примера ротора, измеряемого для фиг. 1 и составляющего приблизительно 0,5 мВт. С увеличением разнесения пластин пиковая выходная мощность резко спадает, при этом разнесение всего лишь на 0,5 мм влечет за собой снижение выходной величины почти на 80%, а пиковая мощность падает всего лишь до 0,1 мВт. Для конкретного типа ТЭГа с вращающимся диском при разнесении 2 мм выходная мощность упала почти до нуля.

Аналогичным образом, фиг. 2 иллюстрирует соотношение - для того же примера ТЭГа - между разнесением пластин в мм (ось 16 х) и размахом амплитуды выходного напряжения в В (ось 18 y). Как и в предыдущем случае, наблюдается резкий спад в ответ на увеличенное разнесение пластин, при этом зазор величиной 1 мм влечет за собой снижение размаха напряжения приблизительно на 75% (с ~140 В до ~35 В).

Это строгое соотношение между пространственным разнесением пластин и пиковой выходной мощностью справедливо не только для примеров трибоэлектрических генераторов, представленных графиками на фиг. 1 и 2, но для всех разновидностей электрического генератора, которые генерируют энергию в соответствии с аналогичными принципами электростатической индукции. Небольшие колебания пространственного разнесения между пластинами, которые могут быть обусловлены не только преднамеренно вызванными изменениями - например, при зарядке пластин ТЭГа - но и внешними влияниями окружающей среды или разрегулированием из-за ошибок сборки устройства или нарушений размерных допусков при изготовлении (например, плоскостности, шероховатости), приводят к флуктуациям генерируемой выходной мощности.

Таким образом, существует потребность в создании устройства генерирования энергии (или преобразования энергии), работающего в соответствии с указанными принципами, но при этом устройство выполняется таким образом, чтобы генерируемая выходная мощность менее критически зависела от пространственного разнесения между движущимися пластинчатыми элементами.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение определяется формулой изобретения.

В соответствии с одним из аспектов изобретения, предлагается устройство генерирования энергии, содержащее:

генератор электрической энергии, причем, генератор содержит первый и второй генерирующие механизмы, каждый механизм выполнен с возможностью генерирования выходного напряжения и/или тока, при этом каждый механизм использует, по меньшей мере, первый генерирующий элемент и второй генерирующий элемент, по меньшей мере, один из которых выполнен с возможностью наличия состояния зарядки, и которые выполнены с возможностью подвижности по отношению друг к другу с целью генерирования результирующего выходного напряжения и/или тока, причем, выходное напряжение и/или ток зависят от пространственного разнесения между первым и вторым генерирующими элементами,

причем генерирующие механизмы совместно выполнены таким образом, что увеличение пространственного разнесения между генерирующими элементами первого механизма приводит к соответствующему уменьшению пространственного разнесения между генерирующими элементами второго механизма, и наоборот, и

причем генератор электрической энергии дополнительно содержит блок объединителя, выполненный с возможностью объединения выходных напряжений и/или токов первого и второго генерирующих механизмов с целью генерирования объединенного электрического выходного сигнала от генератора электрической энергии.

Таким образом, в вариантах осуществления данного изобретения предлагается генератор энергии, содержащий, по меньшей мере, два различных генерирующих механизма, каждый из которых выполнен с возможностью генерирования отдельного выходного тока и/или выходного напряжения посредством относительного движения двух заряженных генерирующих элементов, причем, генерирующие элементы имеют некоторое пространственное разнесение (которое может быть нулевым или ненулевым). Механизмы совместно выполнены таким образом, что пространственные разнесения между их соответствующими элементами имеют обратную взаимосвязь: увеличение одного приводит к соответствующему уменьшению другого.

Благодаря объединению указанных двух выходных сигналов может выдаваться единый выходной ток или напряжение, амплитуда которого практически независима от любых изменений или колебаний пространственного разнесения между элементами любого из двух механизмов. Таким образом, взаимосвязанные вклады двух независимых напряжений компенсируют колебания напряжения и дают в результате относительно постоянный выходной сигнал независимо от пространственного разнесения пластин и положения выполненных указанным образом элементов относительно друг друга.

Необходимо отметить, что применительно к настоящему изобретению под генерирующим элементом следует понимать элемент, компонент или составную часть устройства для использования при генерировании энергии. Генерирующий элемент может в примерах содержать одиночную отдельную часть, такую как одиночный электрод или участок поверхности, либо может в других примерах содержать набор, механизм или комплект деталей, например, структуру или группировку электродов, либо части поверхности, которые образуют общий блок для использования при генерировании энергии внутри устройства.

Кроме того, в примерах каждый из первого и второго генерирующих механизмов может содержать отдельную пару первого и второго генерирующих элементов для специального применения ими, либо может в качестве альтернативы совместно использовать один или оба из общей пары первого и второго генерирующих элементов.

В примерах может предусматриваться более двух генерирующих механизмов.

В соответствии с одним множеством примеров вариантов осуществления, генератор электрической энергии содержит первую, вторую и третью генерирующие детали, причем, по меньшей мере, третья из них выполнена с возможностью подвижности по отношению к первой и второй, и при этом

первая генерирующая деталь содержит первый генерирующий элемент первого генерирующего механизма, вторая генерирующая деталь содержит первый генерирующий элемент второго генерирующего механизма, а третья генерирующая деталь содержит вторые генерирующие элементы и первого генерирующего механизма, и второго генерирующего механизма.

В указанных вариантах осуществления предусмотрены три генерирующих детали, при этом первая и третья электростатически связаны для обеспечения первого генерирующего механизма, а вторая и третья электростатически связаны для обеспечения второго генерирующего механизма.

В примерах генерирующие детали могут содержать пластины генератора, причем, пластины генератора имеют генерирующие элементы, расположенные на одной или более из поверхностей.

Третья генерирующая деталь может быть расположена между первой и второй и выполнена с возможностью перемещения вдоль оси, проходящей между ними.

В этом случае первый или второй генерирующий элемент первого механизма может быть расположен на одной стороне третьей детали, а первый или второй генерирующий элемент второго механизма может быть расположен на другой стороне третьей детали. Движение третьей детали вследствие этого вызывает относительное движение между соответствующими парами генерирующих элементов и первого, и второго генерирующих механизмов.

Кроме того, в соответствии с данной конструкцией, перемещение третьей детали относительно первой и второй является по существу взаимно-обратным между ними: приближение к одной из них удаляет ее от другой.

В примерах положение третьей генерирующей детали вдоль упомянутой оси может контролироваться в зависимости от приложения внешней силы (например, использования зазора подшипника на фиг. 5/6).

Третья генерирующая деталь может быть связана с опорной деталью, причем, опорная деталь способна перемещаться вдоль направлений оси, тем самым обеспечивая движение третьей детали вдоль оси между первой и второй деталями. Опорная деталь может, например, содержать стержень, штангу, шпиндель или иные опорные средства.

Опорная деталь может иметь продольную ось, расположенную на одной прямой с осью, проходящей между первой и второй деталями. В некоторых конкретных примерах опорная деталь может быть расположена и выполнена таким образом, что приложение силы вдоль направления упомянутой продольной оси может вызывать перемещение третьей детали вдоль оси, проходящей между первой и второй деталями.

Перемещение опорной детали может быть подпружинено в одном направлении вдоль оси. Таким образом, в соответствии с одним или более из примеров любая внешняя сила, приложенная к опорной детали (например, чтобы вызвать перемещение) против этого направления испытывает упругое сопротивление. Кроме того, подпружиненность в некоторых случаях может быть выполнена таким образом, чтобы подталкивать третью генерирующую деталь в направлении либо первой, либо второй детали.

В соответствии с одним или более из вариантов осуществления, каждый генерирующий элемент каждого из первого и второго генерирующих механизмов может содержать соответствующие множества одной или более из заряжаемых областей поверхности.

В одном множестве примеров первая, вторая и третья генерирующие детали содержат соответствующие дисковые элементы, причем, третья является вращающейся относительно первой и второй или наоборот с целью генерирования посредством этого одного или более из выходных напряжений и/или токов.

Устройство может дополнительно содержать блок контроллера, причем, блок контроллера выполнен с возможностью контроля положения третьей детали вдоль оси, проходящей между первой и второй деталями.

Контроллер может, например, быть выполнен с возможностью вызова прерывистых периодов контакта между третьей деталью и первой и/или второй деталью для вызова посредством этого контакта между первым и вторым генерирующими элементами первого и/или второго генерирующих механизмов.

В соответствии с одним конкретным множеством примеров, контроллер может быть выполнен с возможностью циклического перемещения третьей детали вперед и назад между первой и второй деталями. Это может, например, обеспечивать прерывистые периоды трибоэлектризации в том случае, когда предусматриваемый генератор энергии представляет собой трибоэлектрический генератор энергии.

В тех случаях, когда генератор энергии представляет собой трибоэлектрический генератор энергии, контроллер может успешно использоваться для вызова прерывистых периодов трибоэлектризации пластин генератора или их контроля.

Блок объединителя может быть выполнен с возможностью объединения выходных напряжений и/или токов двух механизмов.

В примерах в соответствии с еще одним аспектом изобретения предлагается способ генерирования энергии, включающий в себя:

приведение в действие генератора электрической энергии, причем, генератор содержит первый и второй генерирующие механизмы, каждый механизм выполнен с возможностью генерирования выходного напряжения и/или тока, при этом каждый из них использует, по меньшей мере, первый генерирующий элемент и второй генерирующий элемент, по меньшей мере, один из которых выполнен с возможностью наличия состояния зарядки, и которые выполнены с возможностью подвижности по отношению друг к другу с целью генерирования результирующего выходного напряжения и/или тока, причем, выходное напряжение и/или ток зависят от пространственного разнесения между первым и вторым генерирующими элементами,

причем генерирующие механизмы совместно выполнены таким образом, что увеличение пространственного разнесения между генерирующими элементами первого механизма приводит к соответствующему уменьшению пространственного разнесения между генерирующими элементами второго механизма, и наоборот,

причем способ включает в себя:

вызов относительного движения между первым и вторым генерирующими элементами, используемыми каждым из первого и второго генерирующих механизмов для генерирования посредством этого от каждого из первого и второго генерирующих механизмов соответствующего результирующего выходного тока и/или напряжения; и

объединение выходных напряжений и/или токов первого и второго генерирующих механизмов с целью генерирования результирующего объединенного электрического выходного сигнала от генератора электрической энергии. В предлагаемом изобретении объединенный электрический выходной сигнал обеспечивает саморегулируемый постоянный выходной сигнал на небольшом пространственном разнесении между генерирующими элементами обоих механизмов.

В примерах генератор электрической энергии может содержать первую, вторую и третью генерирующие детали, причем, по меньшей мере, третья из них выполнена с возможностью подвижности по отношению к первой и второй, и при этом

первая генерирующая деталь содержит первый генерирующий элемент первого генерирующего механизма, вторая генерирующая деталь содержит первый генерирующий элемент второго генерирующего механизма, а третья генерирующая деталь содержит вторые генерирующие элементы и первого генерирующего механизма, и второго генерирующего механизма,

способ дополнительно включает в себя:

контроль положения третьей генерирующей детали относительно первой и второй, чтобы перемещать ее циклически назад и вперед между первой и второй деталями.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее примеры изобретения подробно описываются со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 изображен график, иллюстрирующий соотношение между пиковой выходной мощностью и разнесением пластин для примера трибоэлектрического генератора с вращающимся диском;

на фиг. 2 изображен график, иллюстрирующий соотношение между размахом выходного напряжения и разнесением пластин для примера трибоэлектрического генератора с вращающимся диском;

на фиг. 3 схематически изображен первый пример генератора;

на фиг. 4 изображена схематическая диаграмма, на которой представлены выходные напряжения в зависимости от пространственного разнесения пластин различных генерирующих механизмов первого примера устройства;

на фиг. 5a и 5b схематически изображен второй пример генератора;

на фиг. 6a и 6b схематически изображен пример электрической бритвы, содержащей второй пример генератора;

на фиг. 7 схематически изображен третий пример генератора;

на фиг. 8 изображен график, на котором представлены выходные напряжения в зависимости от пространственного разнесения пластин различных генерирующих механизмов третьего примера устройства;

на фиг. 9 схематически изображен четвертый пример генератора;

на фиг. 10 схематически изображен пятый пример генератора.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В изобретении предлагается устройство генерирования энергии, содержащее, по меньшей мере, два генерирующих механизма, каждый из которых выполнен с возможностью генерирования выходного напряжения посредством относительного движения двух одинаково или разноименно заряженных генерирующих элементов, причем, генерирующие элементы имеют некоторое пространственное разнесение (которое может быть нулевым или ненулевым). Механизмы совместно выполнены таким образом, что пространственные разнесения между их соответствующими элементами имеют обратную взаимосвязь: увеличение одного приводит к соответствующему уменьшению другого. Благодаря объединению указанных двух выходных сигналов устройством может выдаваться единый выходной ток или напряжение, амплитуда которого практически независима от любых изменений или колебаний пространственного разнесения между элементами любого из двух механизмов.

Как объяснялось выше, пиковая мощность или напряжение выходного сигнала, генерируемого основанным на электростатической индукции генератором (например, ТЕГ-генератором) в значительной мере связаны с пространственным разнесением между его двумя осуществляющими относительное движение пластинчатыми элементами. Любые колебания указанного пространственного разнесения вследствие этого вызывают флуктуации генерируемого выходного сигнала. В вариантах осуществления настоящего изобретения предлагается решение, благодаря которому выходные сигналы двух различных генерирующих механизмов объединяются для формирования единого выходного сигнала или мощности, причем, два механизма механически выполнены таким образом, что их пространственные разнесения обратно взаимосвязаны. Связанные вклады двух независимых напряжений и/или токов вследствие этого объединяются с относительно постоянным значением, которое не изменяется (или изменяется лишь в незначительной степени) в ответ на колебания пространственных разнесений пластин генератора.

В соответствии с одним конкретным множеством примеров осуществления, генерирующие энергию механизмы состоят из одного или более трибоэлектрических генераторов энергии или являются их составной частью. Они отличаются тем, что сравнительный заряд между первым и вторым множествами генерирующих элементов каждого генерирующего механизма устанавливается и поддерживается с помощью прерывистых периодов физического контакта, во время которых на элементах каждого множества увеличивается противоположный заряд (процесс трибоэлектризации). В этих вариантах осуществления требуется, чтобы генерирующие элементы состояли из материалов, которые являются трибоэлектрически активными (которые составляют часть «трибоэлектрических рядов»).

Далее в качестве примера принципов изобретения подробно описываются различные примеры осуществления, содержащие, в частности, трибоэлектрические генераторные механизмы. Однако следует понимать, что концепции, иллюстрируемые этими примерами, не ограничены конкретным применением трибоэлектрических систем, но в действительности могут применяться к любому из целого ряда конкретных механизмов генераторов энергии. К таким генераторам может относиться, как правило, любой генератор электрической энергии, который действует посредством относительного движения двух или более заряженных элементов, включая, например, основанные на индукции генераторы, которые генерируют электрическую энергию посредством электростатической индукции, но которые не действуют посредством трибоэлектризации взаимно движущихся элементов, либо генераторы, на которые переносятся поверхностные заряды, либо поверхностный заряд активируется от внешнего источника заряда (например, прожектора зарядов). В каждом описываемом варианте осуществления следует понимать, что предлагаемый трибоэлектрический генератор с тем же успехом можно заменить на целый ряд других генераторов, не ставя под сомнение основные достоинства, предоставляемые описываемой конструкцией, по сравнению с устройствами существующего уровня техники.

На фиг. 3 изображен первый простой пример устройства в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Устройство содержит конфигурацию ТЭГа с вращающимся диском и тремя пластинами, имеющую первую дисковую пластину 22, вторую дисковую пластину 24 и третью дисковую пластину 26, все закрепленные на центральной оси 28, которая связывает их друг с другом. Третья дисковая пластина 26 расположена между первой 22 и второй 24 и выполнена с возможностью движения по длине оси 28 между первой и второй пластинами. В конкретном изображенном примере первая и вторая пластины содержат первую и вторую статорные пластины ТЭГа, а третья пластина содержит роторную пластину ТЭГа. Однако следует понимать, что в альтернативных примерах первая и вторая пластины могут вместо этого содержать две роторные пластины, а третья пластина - содержать одну статорную пластину.

Первая 22 и третья 26 пластины содержат расположенные на их противоположных поверхностях совместные конструкции или структуры частей трибоэлектрического материала или трибоэлектрических электродов (не показаны), причем, они образуют первый генерирующий элемент и второй генерирующий элемент первого генерирующего механизма. Вторая 24 и третья 26 пластины также содержат расположенные на их противоположных поверхностях совместные конструкции или структуры частей трибоэлектрического материала или трибоэлектрических электродов (не показаны), причем, они образуют первый генерирующий элемент и второй генерирующий элемент второго генерирующего механизма. Таким образом, роторная пластина 26 содержит два множества секций трибоэлектрического материала (или трибоэлектрических электродов); при этом одно множество размещается на каждой из своих основных плоских поверхностей.

После вращения роторного диска 26 относительное движение по отношению к структуре электродов первой статорной пластины 22 генерирует первый выходной сигнал, имеющий первое напряжение V1. Аналогичным образом, относительное движение по отношению к структуре электродов второй статорной пластины 24 генерирует второй выходной сигнал, имеющий второе напряжение V2. Блок 34 объединителя объединяет (или суммирует) два выходных сигнала для формирования третьего результирующего выходного сигнала, имеющего напряжение V3, равное сумме двух составляющих выходных напряжений V1 и V2. Необходимо отметить, что для выходных токов может применяться тот же принцип, что и для выходных напряжений.

Поскольку роторная пластина 26 движется назад или вперед вдоль оси 28 соответствующие пространственные разнесения по отношению к первому 22 и второму 24 статорам изменяются противоположным образом, с увеличением одного из них приводя к точно равному уменьшению другого. Эти изменения в пространственном разнесении приводят к эквивалентно противоположным изменениям в генерируемых выходных напряжениях V1`и V2.

На фиг. 4 изображен график, иллюстрирующий эти колебания в выходном напряжении V в зависимости от перемещения x роторной пластины 26 вдоль оси 28. Изображен также результирующий объединенный выходной сигнал V3, генерируемый блоком объединителя. Как можно видеть, объединенный выходной сигнал не является полностью равномерным по всей ширине конструкции, а понижается с удалением ротора от первого статора 22, достигая минимального значения в центральной точке между двумя статорами перед тем, как вновь повыситься с приближением ротора ко второму статору 24. При правильном проектировании (например, путем выбора соответствующих материалов и числа вращающихся сегментов) постоянная выходная мощность может достигаться при незначительном изменении пространственного разнесения. Реальные значения составляют около 0,5-1 мм в режиме генерирования энергии в тех случаях, когда считается, что он оставляет >95% от времени работы описываемых в данном документе генераторов.

Несмотря на то, что объединенный выходной сигнал в большинстве случаев не является полностью равномерным, он, тем не менее, представляет собой значительное улучшение в равномерности по сравнению, например, с выходными сигналами либо первого, либо второго генерирующего механизма по отдельности. В частности, объединенный выходной сигнал V3 обеспечивает выходной сигнал, который варьируется симметрично по всему разнесению между первым 22 и вторым 24 статорами и который ни в один момент не сходит на нет до почти нулевого значения. В результате этого объединенный сигнал обеспечивает значительно более надежный выходной сигнал для возбуждения электрических компонентов, поскольку разнесение пластин может варьироваться - либо преднамеренно, либо в ответ на фоновые или внешние факторы - и при этом возбуждающий выходной сигнал никогда не падает ниже критически низкого уровня (т.е., уровня, на котором уже невозможно возбуждать заданный компонент, приводя к отказу компонента).

Такой ТЭГ с самокомпенсирующейся выходной мощностью имеет несколько практических преимуществ по сравнению с традиционной конфигурацией ТЭГа с вращающимся диском. В частности, генерируемая мощность (или напряжение) менее критически зависит от несоосностей ротора-статора ввиду, например, ошибок сборки или нарушений размерных допусков при изготовлении (например, плоскостности, шероховатости). Конфигурация ТЭГа более устойчива (в отношении выходной мощности) к «более значительным» колебаниям пространственного разнесения, т.е., пластины генератора могут варьироваться в более значительной степени, не оказывая критически негативного влияния на результирующую выходную мощность.

В ТЭГе с самокомпенсирующейся выходной мощностью (как в вариантах осуществления настоящего изобретения) необходимость в дополнительной управляющей электронике для максимизации выходной мощности или достижения постоянной (или почти постоянной) выходной мощности меньше: устройство с тремя пластинами представляет собой чисто механическое решение, которое может быть реализовано с использованием минимальной необходимой электроники преобразования энергии. Кроме того, можно эксплуатировать устройство в бесконтактном режиме и запускать либо периодическую, либо прерывистую трибоэлектризацию без необходимости в структуре витых канавок на одной из поверхностей генератора. Кроме того, можно обеспечивать относительное движение ротора или статора во время работы ТЭГа. На практике такое относительное движение часто происходит из-за зазора подшипника. Можно использовать этот зазор подшипника и применять его для обеспечения трибоэлектризации.

Данная конфигурация позволяет устройству работать в прерывистом контактном режиме без значительной флуктуации в выходном напряжении или мощности. Ротор 26 может перемещаться вдоль оси 28 для приведения его в контакт либо с первым 22, либо со вторым 24 статором для трибоэлектризации без падения выходного сигнала устройства до критически низкого уровня.

Далее подробно описывается ряд вариантов осуществления самокомпенсирующихся генераторов, каждый из которых работает в соответствии с принципами, реализуемыми с помощью простого примера устройства на фиг. 3.

В соответствии с первым множеством этих вариантов осуществления, предлагается ТЭГ с тремя пластинами, содержащий два статора и один ротор, причем, статоры входят в состав механических подшипников или поверхностей механических подшипников, либо отпечатываются на них. Ротор, расположенный с возможностью движения между ними, связан с помощью опорной детали с одним или более из источников внешнего механического входного воздействия. Эти входные воздействия могут быть переменными или неравномерными, в результате чего вызывается в значительной степени случайное или нерегулярное движение ротора относительно двух статоров. Эта полуслучайная внешняя сила может успешно использоваться в примерах для подталкивания ротора (в прерывистых точках) к одному или обоим из статоров, тем самым вызывая трибоэлектризацию между ними. Самокомпенсирующийся характер устройства означает, что последующее непостоянное варьирование пространственных разнесений статора-ротора не оказывает значительного влияния на величину выходной мощности, генерируемой устройством, ввиду саморегулирования мощности, обеспечиваемого вторым генераторным механизмом. В таком режиме работы внешние механические входные воздействия могут даже эффективно использоваться для вызова фаз трибоэлектризации, но не вызывая этим последующего ухудшения электрического выходного сигнала устройства.

Для иллюстрации на фиг. 5a и 5b изображен простой первый пример такого варианта осуществления. Устройство содержит первый подшипник 42 и второй подшипник 44, причем, подшипники содержат на своих нижних и верхних поверхностях соответствующим образом отпечатанные структуры частей трибоэлектрического материала или трибоэлектрических электродов. Подшипники с отпечатанными структурами электродов обеспечивают эффективные элементы пластин первого и второго статора. На валу или стержне 46 установлен роторный элемент 48, проходящий перпендикулярно через верхнюю часть первого подшипника 42, причем, стержень 46 размещает ротор в пространстве между двумя подшипниками 42, 44 ротора. Стержень выполнен таким образом, что он имеет некоторую свободу движения вдоль направления своей продольной оси. В частности, стержень может быть выполнен с возможностью движения в ответ на приложение вызывающей нагрузку силы 54, приложенной к его верхнему концу. Нагрузка стержня заставляет стержень в ответ незначительно смещаться вниз, придвигая к нему установленный роторный элемент 48 по мере его смещения. Таким образом, положение ротора 48 относительно первого 42 и второго 44 подшипников изменяется.

Кроме того, пружина 52 сжатия, предусмотренная на валу 46, обеспечивает механический механизм втягивания. Пружина прикладывает силу вдоль продольной оси стержня 46 такой величины, что в отсутствие внешней нагрузки на стержень ротор 48 удерживается опирающимся на поверхность первого подшипника 42. В данном случае за этим следует трибоэлектризация ротора 48 и первого подшипника (или статорного элемента) 42. После приложения вызывающей нагрузку силы к концу стержня 46 (см. фиг. 5b) совершается работа против пружины 52, и стержень 46 перемещается вниз через центр механизма 40. Это вызывает последующее перемещение связанного роторного элемента 48, отталкивающее его от контакта с первым подшипником 42, а при достаточно большой приложенной силе - в направлении контакта со вторым подшипником 44. При этом вызывается трибоэлектризация между роторным элементом и вторым подшипником (или статорным элементом) 44.

Относительное вращение между ротором 48 и каждым из первого 42 и второго 44 подшипников генерирует соответствующее выходное напряжение от каждого, обозначенное V1 и V2 соответственно. Эти выходные сигналы затем объединяются для получения единого результирующего выходного сигнала, образованного из суммы двух составляющих сигналов, который является практически равномерным в единицах мощности и напряжения независимо от конкретного размещения ротора 48 по отношению к статорам 42, 44.

Как показано на фиг. 5а, когда ротор 48 приближается к первому подшипнику 42, напряжение V1 увеличивается, в то время как напряжение V2 пропорционально уменьшается. В результате этого объединенный выходной сигнал от них (V1+V2) остается относительно постоянным. Как показано на фиг. 5b, когда ротор 48 приближается ко второму подшипнику 44, напряжение V1 уменьшается, в то время как напряжение V2 пропорционально увеличивается. В этом случае это также приводит к относительно постоянному объединенному выходному сигналу V1+V2.

С помощью точной настройки конкретной степени свободы стержня 46 и обеспечения пружин 52, имеющих подходящие константы пружин, может обеспечиваться прерывистая трибоэлектризация пластинчатых элементов. В тех случаях, когда стержень механически связан с источником переменной и неравномерной механической нагрузки, эта внешняя сила может использоваться для вызова частой (вплоть до нерегулярной) прерывистой трибоэлектризации пластинчатых элементов.

Данная конфигурация 40 ТЭГа может найти особенно выигрышное применение, например, в тех случаях, когда ТЭГ должен быть интегрирован внутри небольшого пространства, при этом во время сборки вполне могут возникать ошибки юстировки.

Одно конкретное применение, например, может представлять собой систему аккумулирования или преобразования энергии, предусмотренную внутри электрической бритвы, или любое иное (карманное) устройство, имеющее функциональный блок с механическим приводом (например, ножевой блок в бритвах) с валом и опирающийся на пружину подшипник. Пример такого варианта осуществления изображен для иллюстрации на фиг. 6a и 6b.

Устройство на фиг. 5a и 5b установлено внутри корпуса 62 блока 60 бритвы, при этом стержень 46 подшипника механически связан на своем верхнем конце с элементом 64 головки бритвы, причем, элемент головки содержит вращающийся нож и защитную металлическую крышку (их поперечное сечение обозначено позицией 66) и специальный «блок отслеживания контуров». Стержень 46 связан на своем нижнем конце с боком 68 электродвигателя бритвы, с помощью которого вращается стержень, тем самым вызывая вращение и вращающего режущего элемента 66, и связанной роторной пластины 48 ТЭГа.

Блок отслеживания контуров выполнен с возможностью отклонения, по меньшей мере, в направлении вверх-вниз по мере его движения по поверхности кожи пользователя с целью коррекции ориентации или размещения ножа для наилучшего согласования с контурами лица пользователя и тем самым обеспечения более эффективного и/или более комфортного режущего действия (улучшенной точности бритья). Эти отклонения вверх и вниз элемента 64 головки используются в примерах настоящего варианта осуществления для проталкивания ротора 48 вверх и вниз между первым 42 и вторым 44 подшипниками (или статорами), тем самым вызывая прерывистые периоды контакта и, следовательно, трибоэлектризации по отношению к ним, а также саморегулируемую выходную мощность, как описывается в данном изобретении.

Необходимо отметить, что, хотя в целях конкретного примера применения, иллюстрируемого фиг. 6a и 6b, переменное механическое входное воздействие, используемое устройством (отклонение блока 64 головки бритвы включает в себя движение линейного типа, в других примерах входное воздействие для аккумулирования может вместо этого включать в себя любой вид механического входного воздействия, включая, например, вращение (например, от ветра или воды) или, например, изгиб или скольжение).

Кроме того, хотя в конкретном примере на фиг. 5a и 5b (и фиг. 6a и 6b) устройство содержит комбинацию конструкций генератора типа вращающегося диска, при использовании вращающихся подшипников в других примерах в качестве альтернативы могут использоваться другие различные конструкции ТЭГа, включая, например, ТЭГи в режиме постукивания (с использованием, например, ползунов).

Один пример такого варианта осуществления, включающего в себя комбинацию конструкций ТЭГа в прерывистом режиме (или режиме вертикального разнесения контактов) для обеспечения улучшенной равномерности сигнала, самокомпенсирующую выходную мощность, наглядно изображен на фиг. 7. Предлагаемое устройство 72 содержит первый статический пластинчатый элемент 74 и второй статический пластинчатый элемент 76, причем, статические пластинчатые элементы содержат на своих нижних и верхних поверхностях соответствующим образом отпечатанные структуры частей трибоэлектрического материала или трибоэлектрических электродов. На одном конце вала или стержня 46 установлен подвижный пластинчатый элемент 78, проходящий перпендикулярно через верх первого пластинчатого элемента 74, причем, стержень 46 размещает подвижную пластину в пространстве между двумя статическими пластинами 74, 76. Подвижный пластинчатый элемент 78 содержит на своих верхней 80 и нижней 82 поверхностях соответствующие структуры частей трибоэлектрического материала или трибоэлектрических электродов, расположенные и выполненные с возможностью связи со структурами, предусмотренными на первой 74 и второй 76 статической пластиной соответственно, для генерирования первого и второго выходных напряжений (V1 и V2) в ответ на движение подвижной пластины по отношению к статическим пластинам.

Приложение вызывающей нагрузку силы 54 к верхнему концу стержня 46 вызывает перемещение подвижной пластины 78 в направлении второго статического элемента 76. Приложение силы в противоположной направлении или использование втягивающей силы, создаваемой пружиной (не показана), вызывает последующее перемещение подвижной пластины 78 в направлении первого пластинчатого элемента 74. В некоторых случаях дополнительно может содержаться пружинный элемент для обеспечения сопротивления против направленного вниз приложения внешней силы и стимулирования возвратного направленного вверх движения движущейся пластины, как только снимается любое направленное вниз давление.

Относительное (линейное) движение между движущейся пластиной 78 и статическими пластинами 74, 76 вызывает напряжение или ток между их соответствующими структурами электродов, генерируя первый выходной сигнал V1 между первой статической пластиной 74 и движущейся пластиной 78 и второй выходной сигнал V2 между второй статической пластиной 76 и движущейся пластиной 78. Как и в предыдущих примерах, во время работы (в зависимости от нагрузочного сопротивления или при работе в состоянии холостого хода или короткого замыкания) эти два сигнала объединяются для формирования единого суммарного результирующего выходного сигнала V3, который остается практически постоянным/равномерным независимо от положения движущейся пластины 78 относительно любой из статических пластин 74, 76.

На фиг. 8 изображен график, иллюстрирующий колебания в V1 и V2 в зависимости от перемещения x подвижного пластинчатого элемента 78 по отношению к первому статическому пластинчатому элементу 74. Как можно видеть, для этого примера ТЭГа в прерывистом режиме объединенный выходной сигнал V3 напряжения все-таки остается практически равномерным для всех положений движущейся пластины по всей конструкции. Напряжение генерируется, как только пластины разделяются после увеличения начального поверхностного заряда. По сравнению с ТЭГами с вращающимся диском (фиг. 3-4, 5-6, 9-10) в состоянии холостого хода в данном случае постоянное напряжение теоретически может достигаться на всем пространственном разнесении, когда центральной подвижный пластинчатый элемент 78 неоднократно соприкасается с первым статическим пластинчатым элементом 74 и вторым статическим пластинчатым элементом 76.

Кроме того, линейное движение стержня 46 дополнительно используется в рамках данного примера для вызова фаз прерывистой трибоэлектризации между пластинчатыми элементами. По мере того, как вызывающая нагрузку сила 74 прикладывается вниз посредством стержня 46, вызывая направленное вниз перемещение подвижного пластинчатого элемента 78, это движение не только используется для генерирования выходных сигналов V1, V2 с помощью электростатической индукции, но это движение также способствует приведению движущегося пластинчатого элемента 78 в контакт со вторым статическим пластинчатым элементом 76, тем самым вызывая трибоэлектризацию двух электродов, расположенных на поверхностях двух пластин 76, 78. Аналогичным образом, движение подвижной пластины 78 в противоположном направлении приводит движущуюся пластину в контакт с первым статическим пластинчатым элементом 74, вызывая проявление трибоэлектризации этого пластинчатого элемента.

Каждый из конкретных вариантов осуществления, описанных выше, отличается тем, что в нем применяются или используются полуслучайные, неравномерные внешние механические входные воздействия для обеспечения событий прерывистой случайной трибоэлектризации. Пространственное разнесение между пластинчатыми элементами в любой заданный момент времени определяется влиянием внешних сил, не контролируемых непосредственно элементами устройства.

В соответствии со вторым множеством примеров осуществления предлагается ТЭГ с тремя пластинами с самокомпенсирующейся выходной мощностью, в котором разнесение между различными пластинами точно контролируется с помощью специальных мехатронных управляющих компонентов. Эти варианты осуществления предусматривают, например, постоянное и периодическое (или циклическое) движение роторного элемента назад и вперед между первым и вторым статорными элементами. Такая конструкция обеспечивает лучший контроль и трибоэлектризации пластин (например, обеспечивая более равномерный и более стабильный режим зарядки), и генерируемого объединенного выходного напряжения и/или тока от устройства.

Первый пример устройства в соответствии с таким вариантом осуществления иллюстрируется на фиг. 9. Устройство 90 содержит конфигурацию ТЭГа с вращающимся диском и тремя пластинами, имеющую одну роторную пластину 92 и две статорные пластины 94, 96, причем, роторная пластина расположена между двумя статорами и связана с вращающимся валом 98, который проходит через центр всех трех пластин. Первый 94 и второй 96 статоры содержат вращающиеся подшипники 102, 104, которые обеспечивают вращение оси 98, для приведения во вращение роторного диска 92. Вал 98 содержит резьбовую штангу или шпиндель, который приводится во вращение шаговым двигателем 106 (через коническое зубчатое колесо 108), предусмотренным на одном конце конструкции ТЭГа. Шаговый двигатель 106 и вал 98 выполнены таким образом, что вращение вала шаговым двигателем вызывает плавное линейное перемещение вала вдоль направлений его продольной оси, причем, мелкая резьба штанги (например, трапециевидная резьба) обеспечивает точный контроль электродвигателя на всем протяжении его перемещения. Путем изменения направления электродвигателя на обратное может быть изменено направление перемещения.

По мере того, как электродвигатель 106 приводится в действие, ротор 92, связанный с валом, не только вращается в соответствии с вращением вала 98, но и линейно перемещается согласованно с линейным перемещением оси. Таким образом, по мере того, как электродвигатель 106 приводится в действие, роторный элемент 92 постоянно перемещается вдоль направления продольной оси вала между первым 94 и вторым 96 статорами (или наоборот). Данная конфигурация обеспечивает точный контроль разнесения ротора-статора и регулирование генерируемой выходной мощности в зависимости от пространственного разнесения ротора и статора.

В частности, ротор 92 может постоянно периодически перемещаться назад и вперед, поочередно касаясь каждого из статоров 94, 96. Путем изменения, например, полярности тока электродвигателя может контролироваться это движение назад-вперед, при этом направление движения ротора изменяется на обратное, когда ротор касается первого или второго статора, вызывая трибоэлектризацию. Датчик 110 крутящего момента, датчики расстояния и/или концевые выключатели могут предусматриваться и использоваться, чтобы определить, когда ротор 92 достигает «левого» или «правого» конечного положения.

Шаговый двигатель 106 может в примерах контролироваться блоком контроллера (не показан). Блок контроллера может, например, содержать схемы или процессор, выполненные с возможностью автономного осуществления автономных инструкций. В качестве альтернативы, блок управления может включать в себя пользовательские управляющие элементы для обеспечения прямого пользовательского управления размещением ротора.

Электрические выходные сигналы V1 и V2, генерируемые первым и вторым статорами соответственно в ответ на вращение роторной пластины, объединяются с помощью блока 34 объединителя для формирования единого суммарного выходного сигнала V3, который остается практически равномерным независимо от конкретного положения ротора относительно двух статоров.

Блок 34 объединителя может в некоторых примерах содержать две отдельные схемы преобразования энергии, каждая из которых соединена с выходом своего статора. Выходы этих двух схем могут затем соединяться с одной и той же единой нагрузкой (например, конденсатором). При этом нагрузка принимает энергию от обеих схем преобразования.

Необходимо отметить, что ТЭГ с вращающимся диском данного примера содержит матричную структуру знакопеременных электродов на каждом статоре. Такая конфигурация обеспечивает генерирование выходных напряжений и/или токов на этих знакопеременных электродах только статора, а не между электродами ротора и статора. Таким образом, можно избежать проводных соединений ротора. Однако следует понимать, что в других примерах токи могут генерироваться между роторными и статорными пластинами и соответствующим образом предусмотренными проводными соединениями с ротором.

Несмотря на то, что в примере на фиг. 9 устройство содержит две статорные пластины и одну роторную пластину, в альтернативных примерах вместо этого могут предусматриваться две роторные пластины и одна статорная пластина. Один пример такого варианта осуществления изображен на фиг. 10. В данном случае на каждом конце конструкции предусмотрены первая 120 и вторая 122 роторные пластины, связанные с резьбовым валом 98, который приводит во вращения два ротора с помощью приводного электродвигателя 124, предусмотренного на одном конце вала. Предусмотрен также одиночный статор 126, установленный на резьбовом валу 98 и закрепленный на скользящем направляющем подшипнике 128, проходящем под ним.

Скользящий направляющий подшипник 128 предотвращает вращение статора 126, но обеспечивает линейное движение вдоль направлений вала 98. Статор 126 с помощью резьбы связан с валом 98. Вследствие этого, поскольку вращение статора предотвращается, любое вращение вала вызывает последующее «завинчивание» статора вдоль длины вала и, следовательно, перемещение статора назад и вперед между роторными элементами 120, 122 в зависимости от направления, в котором осуществляется привод от электродвигателя 124.

Таким образом, аналогично примеру на фиг. 9 по мере того, как электродвигатель 124 приводится во вращение, статорный элемент 126 постоянно перемещается вдоль направления продольной оси вала 98 между первым 120 и вторым 122 роторами (или наоборот). Данная конфигурация обеспечивает точный контроль разнесения ротора-статора.

Как и в предыдущем примере, данный механизм позволяет статору 126 постоянно периодически двигаться назад и вперед, поочередно касаясь каждого из роторов 120, 122. Путем изменения полярности тока электродвигателя может контролироваться это движение назад-вперед, при этом направление движения статора изменяется на обратное, когда статор касается первого или второго ротора, вызывая трибоэлектризацию. Датчик 110 крутящего момента, датчики расстояния и/или концевые выключатели могут предусматриваться и использоваться, чтобы определить, когда статор 126 достигает «левого» или «правого» конечного положения.

В каждом из вышеописанных примеров предлагаются конструкции, которые, в частности, содержат три пластины генератора; одна пластина расположена с возможностью перемещения между двумя другими. Однако такая конфигурация не является основной для идеи данного изобретения, и вместо этого могут рассматриваться другие альтернативные конструкции. Например, в некоторых вариантах осуществления в каждом генерирующем механизме может применяться отдельная пара специальных пластин генератора. Обратная взаимосвязь между пространственными разнесениями пластин этих механизмов может быть реализована либо с помощью прямого механического механизма, либо посредством одной или более форм мехатронного регулирования, управляемого, например, посредством электроники автоматического управления. Прямой механический механизм может содержать, например, один или более механизмов зубчатого зацепления, выполненных таким образом, что движение первой пластинчатой детали вызывает противоположное движение второй пластинчатой детали.

Варианты осуществления данного изобретения могут быть предпочтительно реализованы в широком диапазоне конкретных применений, в том числе, в частности, в любых продуктах или устройствах, которые содержат движущиеся части (зубчатые колеса, стержни, подшипники), из которых может аккумулироваться или преобразовываться механическая энергия. В частности, к ним могут относиться - лишь в качестве неограничивающего примера - устройства личного ухода и гигиены (такие как электрические бритвы, зубные щетки, устройства для ухода за кожей), кухонные приборы, изделия для ухода за полом (такие как пылесосы или полотерные машины), шлифовальные машины или даже крупные медицинские изделия (такие как подшипники рентгеновских трубок или гентри компьютерных томографов) или ротационные клапаны.

При осуществлении заявляемого изобретения специалисты могут понять и реализовать другие модификации описываемых вариантов осуществления по результатам изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а форма единственного числа не исключает множества. Само по себе то обстоятельство, что некоторые критерии излагаются в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что совокупность этих критериев не может использоваться с пользой. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем изобретения.

1. Устройство генерирования энергии, содержащее:

генератор (22, 24, 26) электрической энергии, причем генератор содержит первый и второй генерирующие механизмы, причем каждый механизм выполнен с возможностью генерирования выходного напряжения и/или тока, при этом каждый механизм использует, по меньшей мере, первый генерирующий элемент и второй генерирующий элемент, по меньшей мере один из которых выполнен с возможностью наличия состояния зарядки, и которые выполнены с возможностью подвижности по отношению друг к другу с целью генерирования результирующего выходного напряжения и/или тока, причем выходное напряжение и/или ток зависят от пространственного разнесения между первым и вторым генерирующими элементами,

причем генерирующие механизмы совместно выполнены таким образом, что увеличение пространственного разнесения между генерирующими элементами первого механизма приводит к соответствующему уменьшению пространственного разнесения между генерирующими элементами второго механизма, и наоборот, и

причем генератор электрической энергии дополнительно содержит блок (34) объединителя, выполненный с возможностью объединения выходных напряжений и/или токов первого и второго генерирующих механизмов с целью генерирования объединенного электрического выходного сигнала от генератора электрической энергии.

2. Устройство по п. 1, причем генератор электрической энергии содержит первую (22, 42, 94), вторую (24, 44, 96) и третью (26, 48, 92) генерирующие детали, причем, по меньшей мере, третья из них выполнена с возможностью подвижности по отношению к первой и второй, и причем

первая генерирующая деталь (22, 42, 94) содержит первый генерирующий элемент первого генерирующего механизма, вторая генерирующая деталь (24, 44, 96) содержит первый генерирующий элемент второго генерирующего механизма, а третья генерирующая деталь (26, 48, 92) содержит вторые генерирующие элементы и первого генерирующего механизма, и второго генерирующего механизма.

3. Устройство по п. 2, причем третья генерирующая деталь (26, 48, 92) расположена между первой (22, 42, 94) и второй (24, 44, 96) и выполнена с возможностью перемещения вдоль оси, проходящей между ними.

4. Устройство по п. 3, причем положение третьей генерирующей детали (48) вдоль упомянутой оси контролируется в зависимости от приложения внешней силы (54).

5. Устройство по п. 3 или 4, причем третья генерирующая деталь (48, 92) связана с опорной деталью (46, 98), причем опорная деталь способна перемещаться вдоль направлений оси, тем самым обеспечивая движение третьей детали вдоль оси между первой (42, 94) и второй (44, 96) деталями.

6. Устройство по п. 5, причем перемещение опорной детали (46) подпружинено в одном направлении вдоль оси.

7. Устройство по любому предыдущему пункту, причем каждый генерирующий элемент каждого из первого и второго генерирующих механизмов может содержать соответствующие множества одной или более из заряжаемых областей поверхности.

8. Устройство по любому из пп. 2-7, причем первая (22, 42, 94), вторая (24, 44, 96) и третья (26, 48, 92) генерирующие детали содержат соответствующие дисковые элементы, причем третья является вращающейся относительно первой и второй или наоборот с целью генерирования посредством этого одного или более из выходных напряжений и/или токов.

9. Устройство по любому из пп. 3-8, причем устройство дополнительно содержит блок контроллера, причем блок контроллера выполнен с возможностью контроля положения третьей детали (92) вдоль оси, проходящей между первой (94) и второй (96) деталями.

10. Устройство по п. 9, причем контроллер выполнен с возможностью циклического перемещения третьей детали (92) вперед и назад между первой (94) и второй (96) деталями.

11. Устройство по п. 9 или 10, причем контроллер выполнен с возможностью вызова прерывистых периодов контакта между третьей деталью (92) и первой (94) и/или второй (96) деталью для вызова посредством этого контакта между первым и вторым генерирующими элементами первого и/или второго генерирующих механизмов.

12. Устройство по любому предыдущему пункту, причем генератор энергии представляет собой трибоэлектрический генератор энергии.

13. Устройство по любому предыдущему пункту, причем блок (34) объединителя суммирует выходные напряжения и/или токи двух механизмов.

14. Способ генерирования энергии, содержащий этап, на котором:

приводят в действие генератор электрической энергии, причем генератор содержит первый и второй генерирующие механизмы, причем каждый механизм выполнен с возможностью генерирования выходного напряжения и/или тока, при этом каждый из них использует, по меньшей мере, первый генерирующий элемент и второй генерирующий элемент, по меньшей мере один из которых выполнен с возможностью наличия состояния зарядки, и которые выполнены с возможностью подвижности по отношению друг к другу с целью генерирования результирующего выходного напряжения и/или тока, причем выходное напряжение и/или ток зависят от пространственного разнесения между первым и вторым генерирующими элементами,

причем генерирующие механизмы совместно выполнены таким образом, что увеличение пространственного разнесения между генерирующими элементами первого механизма приводит к соответствующему уменьшению пространственного разнесения между генерирующими элементами второго механизма, и наоборот,

причем способ содержит этапы, на которых:

вызывают относительное движение между первым и вторым генерирующими элементами, используемыми каждым из первого и второго генерирующих механизмов для генерирования посредством этого от каждого из первого и второго генерирующих механизмов соответствующего результирующего выходного напряжения и/или тока; и

объединяют выходные напряжения и/или токи первого и второго генерирующих механизмов с целью генерирования результирующего объединенного электрического выходного сигнала от генератора электрической энергии.

15. Способ по п. 14, причем генератор электрической энергии содержит первую (22, 42, 94), вторую (24, 44, 96) и третью (26, 48, 92) генерирующие детали, причем по меньшей мере, третья из них выполнена с возможностью подвижности по отношению к первой и второй, и причем

первая генерирующая деталь (22, 42, 94) содержит первый генерирующий элемент первого генерирующего механизма, вторая генерирующая деталь (24, 44, 96) содержит первый генерирующий элемент второго генерирующего механизма, а третья генерирующая деталь (26, 48, 92) содержит вторые генерирующие элементы и первого генерирующего механизма, и второго генерирующего механизма,

способ дополнительно содержит этап, на котором:

управляют положением третьей генерирующей детали (26, 48, 92) относительно первой (22, 42, 94) и второй (24, 44, 96), чтобы перемещать ее циклически назад и вперед между первой и второй деталями.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу генерации и/или преобразования энергии. Технический результат – повышение выходной мощности.

Изобретение относится к электротехнике, к преобразователям, предназначенным для трансформации электрической энергии в механическую и обратно за счет электростатических сил кулоновского притяжения между зарядами противоположных знаков, и могут быть использованы в промышленности и технике в качестве электрических двигателей и генераторов.
Изобретение относится к электротехнике и предназначено для трансформации электрической энергии в механическую и обратного преобразования за счет электростатических сил кулоновского притяжения между зарядами противоположных знаков.

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к устройству для торможения и гашения крутильных колебаний. Технический результат: регулирование величины вращающего момента электростатического демпфера.

Изобретение относится к электротехнике, к преобразователям электрической энергии в механическую и обратно за счет электростатических сил кулоновского притяжения между зарядами противоположных знаков и может использоваться в промышленности и технике в качестве электрических двигателей и генераторов.

Группа изобретений относится к двигательным и энергосистемам транспортных средств (объектов), перемещающихся в любых средах, в т.ч. в воздушно-космическом пространстве.

Способ электромеханического преобразования энергии и электрополевой движитель на его основе относятся к электромашиностроению, в частности к способам и устройствам электромеханического преобразования электрической энергии в механическую и могут найти широкое применение в промышленности, транспорте, бытовой технике, воздухоплавании, космонавтике и других областях человеческой деятельности, заменить существующие неэкономичные двигатели внутреннего сгорания и электрические машины электромагнитной индукции.

Электростатический генератор высокого напряжения (ЭГВН) относится к устройствам, предназначенным для генерации высокого напряжения или высоковольтных электрических разрядов и может использоваться для генерации импульсов тока высокого напряжения в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания.

Изобретение относится к системам очистки воздуха с использованием электрического поля для поляризации частиц и материала и может использоваться в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, автономных блоках фильтров или вентиляторах, а также в промышленных системах очистки воздуха.

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно - к емкостным преобразователям энергии, и может быть использовано для питания маломощных потребителей энергии в климатических условиях с периодическим перепадом температур, например дневных и ночных, либо в полете искусственного спутника Земли на орбите при вхождении в тень планеты и выходе из нее.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение эффективности работы. Устройство генерирования энергии содержит по меньшей мере два генерирующих механизма, каждый из которых выполнен с возможностью генерирования выходного напряжения посредством относительного движения двух разноименно заряженных генерирующих элементов. Генерирующие элементы имеют некоторое пространственное разнесение. Механизмы совместно выполнены таким образом, что пространственные разнесения между их соответствующими элементами имеют обратную взаимосвязь: увеличение одного приводит к соответствующему уменьшению другого. Благодаря объединению указанных двух выходных сигналов устройством может выдаваться саморегулируемый единый выходной сигнал напряжения, тока или мощности, амплитуда которого практически независима от любых изменений или колебаний пространственного разнесения между элементами любого из двух механизмов. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

Наверх