Генератор постоянного тока

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Залвлено 24,1177 (21) 2546859/18-25 с присоединением заявки Йо (23) Приоритет

Опубликовано 25.11,79. Бюллетень М43

Дата опубликовании описанил 2511.79 («)699590 (51)М. К .

Н 01 L 41/10

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий (53) УДК537.228,1 (088. 8) (72) Авторы изобретения

Г.Т. Ленченко и A.A. През (пр з рюявитэль

Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (54) ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в цепях электропринода в качестве втОричного источника питания, а также, как источник питания электронных приборов.

Известны -. åíåðàòîðû постоянного тока, содержащие магнитную систему, в поле которой вращается якорь, снабженный обмоткой jlj ° Выход обмотки подключен к коллектору или выпрямителюлю.

Выпрямление переменного сигнала н известных генераторах сопряжено с искреннем на контактах и потерями в сглаживающих фильтрах, включаемых на выходе генераторов.

Известен генератор постоянного тока, содержащий основание, пьезоэлемент, механизм нагружения пьезоэлемента и нагруэку f2) .

Целью изобретения является уменьшение пульсаций тока, повышение удельной мощности и КПД, а также упро. щение конструкции, Достигается это тем, что пьезоэлемент выполнен в виде биморфного пьеэокерамического кольца с электродами на главных поверхностях, закрепленного с*воэможностью 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 иэ 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 н 8 посредством

699590 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 двформирующими роликами б, 5 и динамическая емкость 13 соединены последовательно относительно электрического генератора 14. Генератор 14 эквивалентен ЭДС возбуждаемой пьезоэлементом на деформируемом участке. 10

Эффективная емкость 15 и динамическая емкость 16 участка, находящегося под контактными роликами 8, подключены через сопротивление 17 к деформированному участку .пьезоэлемента. 1Я

Сопротивление 17 эквивалентно сопротивлению электрода 4 между роликамиби8.

К парам роликов б и 8 подключены выводы нагрузки 9 и 10 Âíåøíåå сопро 20 тивление 17 пьезоэлемента выполнено низкоомнымв

Генератор постоянного тока работает следующим образом. Двигатель (например, электрический или внутреннего сгорания) приводит посредством стакана 2 во вращение пьезокерамическое кольцо относительно роликов б и 8, так что ролики б поочередно деформируют. участки кольца, которые затем поступают под контактные ролики 8. Деформированный участок пьезоэлектрически генерирует знакопостоянное напряжение (генератор 14), которое через динамическую емкость

13 заряжает 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 учас- 4О ток уходит из-под деформирующих роликов 6 и его место под роликами б занимает очередной участок со свободной от заряда динамической емкостью, описываемый той же эквивалентной схе- 45 мой для деформированного участка с емкостями 12 и 13 и генератором 14.

В то же время на освободившемся участке напряжение бывшего генератора

14 становится равным нулю и большая 5р динамическая емкость 13 перезаряжает бывшую эффективную емкость 12 своим остаточным зарядом на обратный знак.

На ранее деформированном участке возйикает распределение зарядов, соответствующее недеформированному участку кольца под контактными роликами 8, которое описывает эквивалент-, ная схема с емкостями,15 и 16. Контактные ролики 8 подключают емкости

15 и 16 в цепь питания нагрузки так, чтобы их остаточный заряд разряжался через нагрузку в .направлении, определяемом генератором 14 деформированного участка ° . Таким образом, в то время, как емкость 13 заряжается, а емкости 15 и 16 разряжаются, тем самым уравновешивая ее действия, в цепи нагрузки течет постоянный ток.

Для успешной работы генератора постоянного тока необходимо, чтобы сопротивление 17 между фоликами по электроду 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 ролика к керамике не больше 10 Ом.

Эффективная емкость 12 пьезокерамического кольца, выполненная из ЦТС-19 (6 = 1700), равна 200 пф.

Кольцо необходимо вращать с резо" нансной 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 формуле п=г t C/Î В где t — толщина пьезокерамического кольца!

С вЂ” скорость звука в пьвзокерамико (для ЦТС-19 с=3>10 м C);

 — радиус пьезокерамического кольца.

Например, при t = 0,5 мм и D =

= 40 мм резонансная скорость вращения вала равна 350 об/с. На эддой скорости вся мощность двигателя 3 превращается в электрическую энергию. Максимально возможную мощность P генера- > тора постоянного тока рассчитывают по формуле

;p m> К n3t Ь.О /GE, где К = 0,1 — квадрат коэффициента электромеханической связи пьезокерамики ЦТС в режиме изгиб"ных деформаци 1

b = 1,5 см — ширина кольца 1

Е 0,6 ° 10 Па — модуль Юнга о

Ю пьезокерамики1

25МПа — динамическая прочность пьезокерамики ЦТС

Динамическая прочность пьезокерамики ЦТС- = 25NIIa подробно описана в книге Маэон у. Физическая акустика (часть lа,М., мир, 1966, с.306).

Генератор упомянутых размеров развивает мощность 2Вт.

699590

Генератор постоянного тока можно использовать и на частотах нращения ниже резонансной. Тогда следует учитывать появление реактивной составляющей емкостного характера в цепи нагрузки, что снижает 5 мощность генератора. В приведенном примере характеристическое сопротивление кольца равно 3 кОМ и при снижении частоты вращения до п — 50 об/с последнее внесет расстройку реактивного характера 2,4 кОм, что позволяет н режиме максимальной мощности, когда реактивная нагрузка равна активной, получить мощность = 1 >/R2 n = О, 2 Ь п .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Генераторы постоянного тока типа КГ-56, М., МЭП СССР, 1955, 2. Авторское свидетельство СССР

Ì 424266, Í 01 Ê 7/00, 22,09.1972.

В генераторах постоянного тока, рассчитанных на мощности в десятки ватт, полезно увеличить количестно пар деформирующих и контактных роликов с углом закрепления между ними, равным отношению длины полунолны иэгибных колебаний к радиусу кольца1

Увеличение количества роликов повышает частоту иэгибных колебаний пьезоэлектрического кольца и, следовательно, снижаемую мощность. Кроме того, скорость вращения ротора уменьшается пропорционально увеличению количества роликов, а это уменьшает инерционные силы но вращающейся части генератора постоянного тока.

Пьвэокерамическое биморфное кольцо выполняют или из двух керамических колец, вложенных дрчг в друга, или кврамичвского кольца и металличес- 35 кого (например, стального, толщина которого может в 2-3 раза првньыать толщину керамического). В последнем случае деформирующие ролики прижимают пьезоэлектрический слой к сталь- 40 ной опоре — кольцу, н результате чего пьвзослой генерирует заряд.

Пьезокврамическое кольцо изготов ляют, например, из шликера ЦТС литьем под давлением с последующим обжигом. 45

Электрод 4 наносят методом осаждения иэ газовой фазы в вакууме, а сопро тивление 17 — вжиганием металлиэируОщей пасты. Затем керамику поляризуют в поле 3 10" кВ/см при температуре 130 С.

В генераторе постоянного тока более мощного исполнения электрод 4 выполняют из rèëèêîíoâoé резины с металлическим наполнителем, подобранным в таком количестве, чтобы под прижимающим действием роликов сопротивлвние падало до нуля, а при уходе — восстанавливалось иэолиРующев состояние.

Пружины 5 и 7 рассчитывают таким образом, чтобы прижатие двформирующих роликов было н нашем случае силой

ЗН (О,ЗН), а контактных 0,5Н. Под действием результирующего деформирующего усилия (2,5H) радиус кольца в месте прижатия деформирующих роликов 6 увеличивается на 2 мм.

Генератор постоянного тока может быть также выполнен с неподвижным ,пьезокерамическим кольцом и нращаю цей системой деформирующих и кон« тактных 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 обладает повышенной, не менее чем н 10 раэ, удельной мощностью, благодаря устра нению систем переключения (электрической и механической). Отсутствие сглаживающих фильтров повышает КПД устройства до 80%, а устранение электрических и механических коммутаторов соответствующих токон и скоростей движений также упрощает их конструкцию.

Приведенный н 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 и зобретени я

Генератор постоянного тока, соэржащий основание пьезоэлемент, механизм пьезоэлемента и нагрузку, отличающийся твм, что, с целью уменьшения пульсаций тока, повышения удельной мощности и КПД, а также упрощения конструкции, пьезоэлемент выполнен в виде биморфного пьезокерамического кольца с электродами на главных поверхностях, закрепленного с воэможностью вращения, а механизм нагружения содержит, по крайней мере, пару деформирующих ро" ликов и пару контактных роликов, закрепленных перпендикулярно к ним, причем, ролики упруго закреплены на основании и прижаты к электроду, сопротивление которого между деформирующей и контактной парами роликов, по крайней мере, в 10 раэ больше сопротинления нагрузки, деформирующие ролики подключены к одному выводу нагрузки, контактирующие — к другому.

699590!! IAà !! б

Редактор Е. Гончар

Заказ 7241/56

Составитель В. Вавер

Техред H.Бабурка Корректор Г. Решетник

Тираж 923 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва Ж 35 «Раушская наб.< д. 4 5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная,4