ДЕМПФЕР МАШИНЫ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВИБРАЦИИ, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЙ ДЕМПФЕР
DAMPER OF MACHINE (VERSIONS) AND SYSTEM FOR UTILISATION OF VIBRATION ENERGY EQUIPPED WITH SUCH DAMPER

Предпосылки создания изобретения
Во многих промышленных или деловых операциях используются электрические, механические, пневматические машины или их совокупность. Примеры такого машинного оборудования включают в себя электрические двигатели, турбины и т.д. Как правило, желательно демпфировать или иным образом ослаблять любые вибрации, генерируемые таким машинным оборудованием. Снижение вибрации машинного оборудования обычно снижает шум машинного оборудования, а также механический износ, которому подвергаются компоненты, расположенные на машинном оборудовании или около него, из-за ускорения, обусловленного вибрацией. Во множестве отраслей промышленности, включая, например, производство средств тяжелого машиностроения, строительство зданий, производство автомобилей, обрабатывающие отрасли и т.д., применялись демпферы вибрации (виброгасители) в форме накладок или пружин. Эти демпферы, или накладки, или пружины, как правило, снижают, по меньшей мере до некоторой степени, вибрацию за счет переноса части энергии механического движения в демпфер и преобразования, в конечном счете, в тепловую энергию.
Хотя демпфирование вибраций, как правило, считается существенным для многих ситуаций, механическая энергия, переносимая в демпфер, по существу, теряется. В таких условиях было бы весьма желательно иметь усовершенствованное устройство, усовершенствованную конструкцию или систему, которое или которую можно было бы подключать к источнику механической вибрации и генерировать при этом полезную энергию.
Сущность изобретения
Предложено генерирование электроэнергии на основе вибрации. В одном аспекте генератор энергии на основе вибрации встроен внутри демпфера машины и включает в себя электродвижущий модуль генерирования энергии и пьезоэлектрический модуль генерирования энергии. К электродвижущему модулю генерирования энергии и пьезоэлектрическому модулю генерирования энергии подключено аккумулирующее энергию устройство. В другом аспекте предложено устройство для генерирования электроэнергии на основе вибрации. Устройство включает в себя корпус, подключаемый к источнику вибрации. Корпус ограничивает внутри себя камеру. Внутри камеры расположен первый круглый постоянный магнит, который имеет внешний диаметр. Вокруг первого круглого постоянного магнита расположен постоянный магнит кольцевого типа, который ограничивает кольцевое пространство между ними. В кольцевом пространстве расположена, по меньшей мере, одна часть звуковой катушки, подключенная к гибкой конструкции для обеспечения движения части (частей) звуковой катушки в пределах магнитного потока постоянных магнитов в ответ на вибрацию.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен схематический вид демпфера вибрации машины в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.2 представлен схематический вид демпфера вибрации стержневого типа в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.3 представлена блок-схема цепи, используемой совместно с вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.4 представлен способ аккумулирования электроэнергии и эксплуатации, по меньшей мере, одного подсоединенного устройства в течение короткого периода в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.5 представлена схема последовательности операций способа осуществления диагностики на основе вибрации в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.6 представлено поперечное сечение электродвижущего устройства генерирования на основе вибрации в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
3
3
3
Вибрация является одним из важнейших источников возобновляемой энергии. Плотность энергии, генерируемой посредством вибрации, может изменяться от 10 мкВт/см до 800 мкВт/см в зависимости от частоты возбуждения, которая находится в диапазоне от герц до килогерц, и в зависимости от амплитуды вибраций и/или обуславливаемого ими перемещения. Например, рассмотрим вибрацию, обеспечивающую среднюю плотность энергии 500 мкВт/см. Малый насос длиной 0,305 м (3 фута), шириной 0,305 м (3 фута) и высотой 0,305 м (3 фута) может выработать 400 Вт электроэнергии. В обрабатывающих отраслях и связанных с ними других отраслях тяжелое машинное оборудование и двигатели, применяемые в таких отраслях, как правило, гораздо мощнее и занимают тысячи квадратных футов площади. Вибрация таких машин может приводить к выработке значительно большей энергии.
Варианты осуществления настоящего изобретения, вообще говоря, обеспечивают устройство, которое подключается к источнику механической вибрации и преобразует, по меньшей мере, часть механической вибрации в полезное электричество. В некоторых вариантах осуществления устройство само является демпфером вибрации, а в других вариантах осуществления устройство просто подсоединено к источнику вибрации.
На фиг.1 представлен схематический вид демпфера вибрации машины в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Демпфер 10 подключен к источнику 12 вибрации. Источник 12 может быть машинным оборудованием или устройством любого типа, генерирующим вибрацию, для которой желательно демпфирование. Например, машина 12 может быть насосом, электродвигателем, турбиной или любой другой механической системой, подвергающейся воздействию механической вибрации. Демпфер 10 связывает машину 12 с полом 14 и имеет конфигурацию, обеспечивающую преобразование, по меньшей мере, части механической энергии из источника 12 в электричество. Демпфер 12 включает в себя электродвижущий модуль 16 генерирования на основе вибрации, который подключен к источнику или нагрузке 18 через соединение 20. Кроме того, демпфер 12 также включает в себя второй модуль 22 генерирования, предпочтительно являющийся пьезоэлектрическим модулем генерирования, который подключен к нагрузке или аккумулирующему устройству 18 через шину 24. Как показано на чертеже, гибридный генератор на основе вибрации включает в себя генератор, который генерирует электроэнергию с использованием генерирования, по меньшей мере, двух разных типов. Пример, приведенный выше, представляет собой гибридный генератор на основе вибрации, предусматривающий использование модулей на основе и действия электродвижущей силы, и пьезоэлектрического эффекта. Однако гибридный генератор на основе вибрации может также включать в себя электродвижущий модуль генерирования, работающий совместно с тепловым модулем генерирования. При генерировании на основе пьезоэлектрического эффекта генерируемая энергия прямо пропорциональна ускорению, создаваемому прикладываемой силой, но обратно пропорциональна частоте. С помощью гибридного подхода можно генерировать энергию и для высоко-, и для низкочастотных приложений. Как показано на фиг.1, демпфер 10 является демпфером вибраций поршневого типа. Демпфер 10 считается демпфером поршневого типа потому, что, по меньшей мере, часть механической вибрации канализируется в пределах цилиндрической боковой стенки 26.
На фиг.2 представлен схематический вид демпфера вибрации стержневого типа в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Вариант осуществления, изображенный на фиг.2, в чем-то аналогичен варианту осуществления, изображенному на фиг.1, а сходные компоненты обозначены теми же позициями. Как показано на фиг.2, демпфер 30 стержневого типа подключен к источнику 12 вибрации, а также связан с полом 14. Демпфер 30 включает в себя или имеет встроенные электродвижущий генератор 16 и пьезоэлектрический генератор 22. Электродвижущий генератор 16 подключен к нагрузке или аккумулирующему устройству 18 через шину 20. Аналогично, пьезоэлектрический генератор 22 подключен к нагрузке или аккумулирующему устройству 18 через шину 24.
Хотя на фиг.1 и 2 изображены демпферы вибраций поршневого типа и стержневого типа соответственно, можно модифицировать другие демпферы вибраций таким образом, что они будут включать в себя признаки гибридного генерирования энергии, описанные в связи с фиг.1 и 2.
На фиг.3 представлена блок-схема цепи, используемой совместно с вариантами осуществления настоящего изобретения. Цепь 40 включает в себя электродвижущий генератор 16 и пьезоэлектрический генератор 22 или подключена к ним. Генераторы 16, 22 подключены к суммирующей схеме 42, которая генерирует выходной сигнал 44, представляющий собой сумму всей электрической энергии, генерируемой генераторами 16 и 22. Выходной сигнал 44 выдается в качестве входного сигнала в повышающий преобразователь 46 напряжения, который увеличивает напряжение входного сигнала 44 до более высокого уровня. Выходной сигнал повышающего преобразователя 46 напряжения можно подключить непосредственно к выходной нагрузке или выходному устройству, как показано позицией 48, или к аккумулирующему устройству 50. В альтернативном варианте выходной сигнал повышающего преобразователя 46 напряжения можно выдавать и в аккумулирующее устройство 50, и в выходное устройство 48. Аккумулирующее устройство 50 включает в себя любой компонент, который способен аккумулировать электроэнергию в течение некоторого периода времени. Подходящие примеры аккумулирующего устройства 50 включают в себя аккумуляторные батареи, конденсаторы и т.п.
Электродвижущий генератор 16 использует движение, индуцируемое вибрацией, в присутствии постоянного магнитного поля для генерирования электричества. Соответственно, для формирования электродвижущего генератора 16 можно использовать различные конструкции. Вместе с тем, один конкретный пример будет приведен позже в этом описании (со ссылкой на фиг.6). Пьезоэлектрический генератор 22 включает в себя устройство, которое генерирует в соответствии с пьезоэлектрическим эффектом, при этом электрический заряд генерируется материалом в ответ на прикладываемое механическое напряжение. Известно множество материалов, которые создают этот эффект, включая известную керамику на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС). Считается, что использование генерирования на основе гибридного подхода может обеспечить на несколько сотен ватт электроэнергии больше, чем можно было бы извлечь из механической вибрации, причем эта энергия в противном случае просто терялась бы.
Явно видно, что максимальное количество энергии, которое можно выделить в некоторых обстоятельствах из энергии механической вибрации, может оказаться недостаточным для питания подсоединенного устройства или подсоединенных устройств в установившемся режиме. Соответственно, варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают способность аккумулировать электроэнергию и эксплуатировать подсоединенные устройства в течение коротких периодов или «вспышек» во времени.
На фиг.4 представлена блок-схема такой эксплуатации. Способ 60 начинается в программном блоке 62, где один или более генераторов на основе вибрации аккумулируют электроэнергию. В программном блоке 64 проверяется пороговое значение, чтобы определить, достаточно ли энергии аккумулировано. Эту проверку можно проводить, контролируя количество энергии, аккумулированной в аккумулирующем устройстве, таком как аккумуляторная батарея и/или конденсатор, или просто определяя, истекло ли заранее выбранное количество времени при аккумулировании энергии, осуществляемом в программном блоке 62. Если пороговое значение не достигнуто, управление возвращается к программному блоку 62, а энергия продолжает аккумулироваться. Вместе с тем, если пороговое значение достигнуто, управление переходит к программному блоку 66, где запитывается одно или более подсоединенных устройств. Примеры подсоединенных устройств включают в себя полевое устройство 68 и устройство 70 беспроводной связи. Типичные полевые устройства включают в себя передатчики давления, температуры, уровня или потока. Устройство 70 беспроводной связи может быть частью полевого устройства или отдельным устройством, предназначенным для соединения с полевым устройством. Вместе с тем, можно использовать любые другие подходящие устройства. В программном блоке 72 включается таймер, начиная отсчет времени инициирования подсоединенных устройств. Как только таймер 72 определил, что выбранное количество времени истекло, управление переходит к программному блоку 74, где питание подсоединенного устройства (подсоединенных устройств) выключается. Следует отметить, что программный блок 72 можно было бы заменить альтернативным вариантом осуществления, в котором проводится оперативный контроль энергии, подаваемой из аккумулирующего устройства (описанного в связи с фиг.3), и это устройство (эти устройства) отключается, когда уровень доступной мощности падает ниже определенного порогового значения.
Гибридное генерирование в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает уникальные возможности осуществления диагностики, основанные на самой вибрации. Соответственно, эти устройства способны получать все свое рабочее электричество из механических вибраций, одновременно обеспечивая диагностические возможности применительно к этой вибрации. В частности, это может оказаться важным для промышленных приложений. Например, если вибрация прекращается или замедляется, можно предположить, что промышленное приложение подвержено проблеме того же типа. Аналогично, если частота и/или амплитуда вибрации значительно увеличивается, это также может быть показателем проблемы, связанной с приложением.
На фиг.5 представлена схема последовательности операций способа осуществления диагностики на основе вибрации в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Способ начинается в программном блоке 82, где выдвигаются требования к начальным условиям относительно источника вибрации. Получение начальных условий можно осуществить просто при изначальном комплектовании устройством, когда запускается вибрирующее машинное оборудование, или просто во время программирования или технического обслуживания. После программного блока 82 управление переходит к программному блоку 84, где генератор определяет или иным способом измеряет электродвижущую силу от электродвижущего генератора. Тогда управление переходит к программному блоку 86, где измеряется или иным образом определяется электродвижущая сила от электродвижущего генератора. Из измененных количественных параметров, описанных в связи с программными блоками 84, 86, в программном блоке 88 выводится, по меньшей мере, одна характеристика вибрации. Возможные характеристики вибрации включают в себя частоту, амплитуду, максимальную амплитуду, а также изменения, вносимые в такие количественные параметры. В программном блоке 90 система определяет, изменились ли вибрационные характеристики относительно начальных условий, полученных в программном блоке 82. Если такое изменение не произошло, оперативный контроль продолжается возвратом к программному блоку 84. Однако если такое изменение произошло, управление переходит к программному блоку 92, и генерируется аварийный сигнал или другое подходящее сообщение. Примеры подходящих аварийных сигналов или сообщений включают в себя звуковые или визуальные аварийные сигналы, возвещаемые из демпфера, сообщения, передаваемые без проводов через подсоединенное устройство (такое, как устройство 70 беспроводной связи). Такие аварийные сигналы или сообщения могут оповещать оператора машинного оборудования, генерирующего вибрацию, о том, что наступило некоторое состояние, которое может оказаться полезным для контроля этого оборудования.
На фиг.6 представлено поперечное сечение электродвижущего устройства генерирования энергии на основе вибрации в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Устройство 100 может быть встроено внутрь демпфера или просто подсоединено к источнику вибрации для генерирования электричества на основе вибрации. В этом варианте осуществления устройство 100 включает в себя верхнюю крышку 102, корпус 104 и нижнюю крышку 106. Крышки 102, 106 и корпус 104 совместно образуют внутреннюю камеру 108. Устройство 100 включает в себя пару постоянных магнитов 110, 112, которые предпочтительно имеют кольцевую форму и установлены концентрично, при этом магнит 112 расположен внутри магнита 110. Внутри кольцевого пространства 116 между магнитами 110, 112 расположена звуковая катушка 114. Пара постоянных магнитов 110, 112 кольцевого типа обеспечивает поперечный радиальный магнитный поток высокой плотности. Магниты 110, 112 предпочтительно выполнены из неодима-железа-бора (NdFeB). Такие магниты могут работать при температурах порядка 120°С и давать наиболее мощные магнитные свойства в пересчете на кубический сантиметр, известные в настоящее время. Вместе с тем, можно использовать любой другой подходящий материал, как известный в настоящее время, так и могущий быть разработанным в будущем, проявляющий свойства постоянного магнита. Звуковая катушка 114 предпочтительно имеет первую часть 118 и вторую часть 120, которые отделены друг от друга гребнем 122. Части 118, 120 звуковой катушки предпочтительно намотаны в противоположных направлениях и электрически соединены каскадом. Первая часть 118 звуковой катушки срезает магнитный поток в верхней паре полюсов между магнитами 110, 112, а вторая часть 120 звуковой катушки срезает магнитный поток в нижней паре полюсов. Соответственно, длина провода в пределах частей звуковой катушки и полюсов используется полностью. Части 118, 120 звуковой катушки могут работать в любой ориентации, а также перемещать и срезать магнитный поток на обеих сторонах магнитов 110, 112, обеспечивая напряжения на этих частях катушки. Части 118, 120 звуковой катушки подвешены с помощью пары плоских пружин 124, 126. Каждая плоская пружина 124, 126 предпочтительно имеет множество криволинейных консольных лепестков (например, три) с большими коэффициентами формы для гарантии того, что направление движения перпендикулярно относительно поверхности пружины. Одно преимущество, обеспечиваемое этой ориентацией, заключается в том, что сборка становится компактной, а количество деталей снижается. Кроме того, возможны большие отклонения частей звуковой катушки в двух направлениях. Помимо этого, такая компоновка снижает трение, износ и шум, а также обеспечивает самовыравнивание. Предполагается, что эта сборка будет недорогой в изготовлении и простой в калибровке, обеспечивая при этом меньшую чувствительность к изменениям в сборке.
Устройство 100 предпочтительно включает в себя натяжной винт 128 плоских пружин, который введен в зацепление с имеющим внутреннюю резьбу держателем 130 магнита. Натяжной винт 128 плоских пружин опирается на плоскую пружину 132 и плоскую шайбу 134. Регулируя натяжной винт 128 плоских пружин, можно настраивать резонансную частоту на конкретную частоту в относительно широком диапазоне частот путем изменения натяжения на плоских пружинах. На натяжной винт 128 плоских пружин надета цилиндрическая винтовая пружина 138, которая расположена внутри держателя 130 магнита. Электрические контакты, связанные с частями 118, 120 звуковой катушки, предпочтительно выполнены вблизи головки натяжного винта 128 плоских пружин. Устройство 100 также включает в себя скользящую гайку 138, расположенную вокруг натяжного винта 128 плоских пружин, причем эта скользящая гайка опирается на цилиндрическую винтовую пружину 136. Чтобы получить надлежащее пространство между компонентами внутри устройства 100, применяются прокладки 140 и 142. Вместе с тем, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения можно использовать другие подходящие прокладки или компоновки.
Ожидается, что устройство 100 будет относительно простым в техническом обслуживании и обеспечит высокую надежность. Кроме того, не требуется внешняя электроэнергия или проводка. Помимо этого, устройство можно электрически подключать к любому подходящему электрическому устройству, такому как полевые устройства управления технологическим процессом и оперативного контроля, поставляемые фирмой Rosemount, Inc., Chanhassen, штат Миннесота, США. Предполагается, что устройство 100 может работать практически при любой ориентации, однако предпочтительно иметь геометрическую ось вибрации относительно выровненной с центральной осью 144 так, чтобы вибрация сообщала максимальное движение частям 118 и 120 звуковой катушки. С помощью любых подходящих схем можно обеспечить различные уровни выходных сигналов, а эти выходные сигналы включают в себя 9 вольт на 4 мА, 5 вольт на 4 мА и 3 вольта на 30 мкА одновременно в течение двух секунд в 5-минутном цикле. Такие выходные энергетические сигналы обеспечивают надлежащую энергию для рабочего цикла полностью беспроводного сенсорного узла. Предполагается, что пиковое значение выходного напряжения постоянного тока для устройства 100 будет составлять порядка 50 вольт при 8-ми миллиамперах для цикла длительностью приблизительно десять минут. Максимальная выходная мощность предполагается составляющей приблизительно 4,2 милливатта на кубический дюйм при входной вибрации с частотой 45 Гц и амплитудой 50 микрометров.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на предпочтительные варианты осуществления, для специалистов в данной области техники будет ясно, что в рамках существа и объема притязаний изобретения можно внести изменения в его форму и детали.