УСТРОЙСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЬЕЗОЭФФЕКТА В ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
DEVICES OF PIEZOELECTRIC EFFECT USE IN TRANSPORTATION VEHICLES

Изобретение относится к преобразователям энергии, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использовано в любой области техники в качестве источника электроэнергии.
Наиболее близким по технической сущности является Российский патент №2113757 (пьезоэлектрический генератор постоянного тока), содержащий ротор, приводящийся в движение от механической энергии, и статор, на котором закреплены один или несколько дисковых диморфных пьезоэлементов. С помощью закрепленных на роторе роликов осуществляется круговая деформация пьезоэлемента. Вследствие прямого пьезоэффекта на электродах пьезоэлемента генерируется постоянное напряжение.
Недостатком устройства является то, что при обратном пьезоэффекте происходит смена полярности напряжения за счет запасенной потенциальной энергии упругости пьезоэлемента, что значительно снижает эффективность работы устройства, а также то что при вращении ролика не возникает значительной силы воздействия на пьезоэлементы.
Целью изобретения является повышение эффективности работы устройства.
Указанная цель достигается тем, что вращающиеся ролики подпружинены, в результате чего возникает периодическая осевая сила, действующая на пьезоэлементы. При действии этой силы на выходе группы пьезоэлементов, соединенных параллельно, возникает напряжение, достигающее десятки тысяч вольт см. http://avrora-binib.ru/index.php?ltemid=36&id=95&option=com_content&task=view Для понижения этого напряжения используем высокочастотный понижающий трансформатор, согласно Российскому патенту №2504037, выходное напряжение которого с целью использования, например, для подзарядки аккумулятора, выпрямляем.
Устройство согласно фиг 1, 2, 3 содержит корпус 1 ротора, имеющий механическую связь, например, со ступицей 3. В корпусе имеются цилиндры, во внутреннюю полость которых вставляются хвостовики вилок 4, фиксируемые шпонками 11. Между корпусом 1 и вилками 4 с внешней стороны цилиндров размещены пружины 10, работающие на растяжение. Ролики 6, имеющие выступы, расположенные между зубьями вилок 4, с помощью валиков 6 и подшипников 12 имеют возможность кругового вращения. Выступы роликов при вращении ротора входят в пазы токонепроводящих поджимов 8, расположенных в отверстиях 13 токонепроводящего статора 2. В этих же отверстиях под поджимами располагаются пьезоэлементы 7, изолированные с двух сторон прокладками 9. С помощью проводов 14, 15 пьезоэлементы одной группы, находящиеся в одном отверстии 13, соединены параллельно. Устройство согласно фиг. 1, 2 содержит, например, 10 отверстий 13. Все 10 поджимов соединены гибкими связями 23 между собой. Если устройство имеет две пары роликов, каждая пара которых расположена на одной прямой симметрично относительно центра вращения, то при повороте на 36 градусов происходит взаимодействие роликов с пьезоэлементами сразу 4-х групп, в результате эти группы испытывают одновременное сжатие с силой взведенных пружин, вся механическая энергия которых и энергия вращения переходит согласно пьезоэлектрического эффекта в электрическую энергию. Таким образом, ротор имеет механическую связь со ступицей транспортного средства и содержит подпружиненные ролики, имеющие возможность незначительного перемещения по направлению действующей на пьезоэлементы нагрузки, которые взаимодействуют с группами пьезоэлементов, расположенных в отверстиях, выполненных в изолированном статоре, причем количество роликов может быть равно количеству групп пьезоэлементов, сами пьезоэлементы в группах изолированы друг от друга и расположены плоскостями нагрузки, при этом они электрически соединены параллельно. Механическая связь ролика с пьезоэлементами осуществляется посредством токонепроводящих поджимов, которые имеют впадины, а ролики - ответные круговые выступы, причем поджимы связаны между собой гибкими связями, имеющими впадину, совпадающую с впадиной роликов.
На фиг. 4 приведен пример получения импульсов напряжения при взаимодействии пары роликов одновременно на две группы пьезоэлементов. При взаимодействии ролика одновременно на 4 пьезоэлемента получаем временные диаграммы напряжений, которые вырабатываются каждым пьезоэлементом, см. фиг 4 а) слева, где положительная полуволна соответствует прямому пьезоэффекту, а отрицательная - обратному. Значит, с целью использования полной мощности при пьезоэффекте пьезоэлементы группы соединяем параллельно и располагаем один за другим плоскостями перпендикулярно действующей нагрузке. При параллельном соединении пьезоэлементов группы получаем сумму вырабатываемых ими мощностей см. фиг 4 а) справа. Таким образом, с увеличением пьезоэлементов в группе выходная мощность группы за счет суммирования токов увеличивается. Значит, изменяя количество пьезоэлементов в группе, можем создавать желаемую выходную электрическую мощность группы. При поочередном одновременном взаимодействии двух роликов с группами пьезоэлементов получаем временные диаграммы напряжений,изображенных на фиг 4 б). Значит, с увеличением количества роликов, снимаемая мощность с устройства увеличивается. Поэтому максимальную снимаемую мощность с устройства можем получить при условии, когда количество роликов равно количеству групп, содержащих как можно большее количество пьезоэлементов.
Изображенная на фиг 3 электрическая схема состоит из конденсатора с обкладками 16, 17, на которые подается с помощью проводов 14, 15 высоковольтное напряжение. Между обкладками имеется плоскостная катушка индуктивности 18, выход которой соединен с выпрямительным мостом 19, между выходными проводами 21, 22 которого получаем выпрямленное напряжение одной группы пьезоэлементов. Работа схемы заключается в том, что поступающие на конденсатор импульсы напряжения возбуждают ток смещения, с помощью которого возникает электрическое поле. Переменное электрическое поле индуктирует переменный ток в индуктивности, который выпрямляется выпрямителем. Ввиду того, что энергия заряженного конденсатора пропорциональна квадрату напряжения, а энергия индуктивности пропорциональна квадрату тока и, учитывая закон сохранения энергии, в резонансной работе схемы получаем на выходе индуктивности увеличенный ток нагрузки и пониженное напряжение. Для увеличения выходной мощности устройства полученные напряжения групп соединяем параллельно.
Предлагаемое изобретение может служить в качестве датчика, определяющего наличие людей в зданиях, на улице, в гараже, в банке, магазине, в кабине транспортного средства, при несанкционированном вскрытии сейфов, дверей и т.д., когда оповещение происходит при воздействии на пьезоэлементы силы тяжести или другой энергии, прикладываемой людьми посредством их несанкционированных действий. На транспортных магистралях с помощью пьезодатчиков может производиться контроль не только количества прошедшего транспорта, но и вес пропущенных машин.