УСТРОЙСТВО БЕСКОНТАКТНОГО ВРАЩЕНИЯ ОБОДА КОЛЕСА
WHEEL RIM CONTACTLESS ROTATION DEVICE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве мотора-колеса транспортных, дорожных и других передвижных средств. Экономия топливной энергии достигается при этом за счет дополнительной энергии вырабатываемой пьезоэлементами при движении транспортного средства.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является Российский патент №2035114, в котором механическая энергия движения транспортного средства передается от статора к ротору через подшипники, что приводит к значительному снижению трения при движении транспортного средства.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение трения за счет исключения подшипников в мотор-колесе, экономия топлива за счет дополнительной энергии вырабатываемой пьезоэлементами, а также использование излишней электроэнергии, вырабатываемой пьезогенератором с использованием ее, например, для электропитания электропривода колес транспортного средства (см. Российский патент №2565795) или подзарядки аккумуляторов, которая вырабатывается пьезоэлементами при увеличении скорости транспортного средства или при движении транспортного средства под некоторым отрицательным углом к горизонту.
Этот результат достигается тем, что за счет дополнительной энергии, вырабатываемой пьезоэлектрическим генератором, которая используется как входная энергия для электропитания цилиндрического трансформатора и магнитопровода, в которых образуется воздушный зазор, разделяющий вращающийся относительно ступицы колесный вал, причем при увеличении скорости транспортного средства или при движении транспортного средства под некоторым отрицательным углом к горизонту происходит перепроизводство электроэнергии, которая может аккумулироваться аккумуляторами транспортного средства. При этом в круговых цилиндрических трансформаторе и магнитопроводе, внешний диаметр которых больше внутреннего диаметра, происходит их центрирование при условии радиального прохождения магнитных потоков, образованных пьезоэлементами, вектора напряженности которых радиально направлены через имеющийся между ними зазор встречно или в противоположные стороны.
На фиг 1 показано устройство бесконтактного без подшипникового вращения обода 9 колеса. Оно содержит два внешних независимых магнитопровода 10, имеющих цилиндрическую форму и механически связанных с ободом 9, которые имеют возможность вращения относительно неподвижных, соосно расположенных  магнитопроводов 12 меньшего диаметра, так как имеют некоторый зазор 11 между ними при их центрировании. Магнитопроводы 12 и 10 состоят из двух магнитопроводных дисков, связанных цилиндрическими перемычками 15, 16, которые содержат катушки 1, 2, 3. Вал 14 с помощью жесткой связи 13 связан с магнитопроводами 12. Таким образом, магнитопроводы 10 и 12 с катушками 1 и 2 образуют круговой цилиндрический трансформатор. А магнитопроводы 10 и 12, содержащие катушку 3, образуют электромагнит. Между цилиндрическими подшипниками 6 и валом 14 имеется зазор 8, имеющий размер меньше зазора 11. На первичную катушку 2 трансформатора через измеритель мощности 5 на контакты 33 подается напряжение от пьезоэлектрического генератора (пьезогенератора) при движении транспортного средства.
В настоящее время в мире существует множество предложений, патентов и действующих моделей устройств, преобразующих энергию разнообразных механических деформаций, сопутствующих природным явлениям, работе машин или движений человека, в электрическую посредством пьезоэлементов (например, Mitcheson, P., «Energy Harvesting from Human and Machine Motion for Wireless Electronic Devices», Proceedings of IEEE, vol. 96, p.1457, 2008; патенты US 6767161 B1, US 4739179A, RU 2470452). Исследования в области создания подобных устройств ведутся рядом университетов и компаний. В англоязычной литературе появился специальный термин, обозначающий сущность таких преобразователей: Energy Harvesting. Все системы подобного типа являются открытыми, поскольку источники механических деформаций являются внешними по отношению к пьезоэлементам и связанным с ними электротехническими схемами. Поэтому в таких устройствах возможна генерация полезной электроэнергии, превышающей затраты энергии, необходимой для обеспечения работы самого устройства. В результате проведенного предварительного патентного поиска устройств с преобразованием энергии при движении колесных железнодорожных транспортных средства в электрическую не найдено.
Техническим результатом предлагаемого решения является пьезоэлектрический генератор, устанавливаемый на колесной паре железнодорожного транспортного средства, выходную энергию которого можно использовать, например, для разложения воды на кислород и водород водяного двигателя железнодорожного транспортного средства (см. заявку №2018117242, дата публ. 16.07.2018, бюл. №20) или для экономии топлива при движении железнодорожного транспортного средства.
На фиг 2, 3 изображена железнодорожная колесная пара, содержащая колеса 26, которые скреплены валом 32, концы которого посредством связей 31 связаны с вагонной тележкой 28. Корпус тележки связан с корпусами пьезогенераторов 29, которые могут располагаться вдоль осей Б-Б, С-С. Пьезогенераторы 29 содержат ролики 26, которые взаимодействуют с волнообразной жестко соединенной с колесной парой соосно расположенной по отношению к валу 32 поверхностью 30 имеющей направляющие под ролики канавки 18. Шток 22, взаимодействует через зазор с группой пьезоэлементов 7, электроэнергия от которых передается через преобразователь 34 и контакты 33, причем пьезоэлементы расположены между корпусом 28 и пластиной 23. Шток 22 содержит упорную пружину 21 необходимой жесткости. Между упором 20 и корпусом 28, расположена вторая ходовая пружина 24 с вставленным в нее ходовым штоком 17. Таким образом, пьезоэлектрический генератор содержит имеющий возможность вращения волнообразный вал, волны которого направлены параллельно оси вала, при вращении которого происходит механическое взаимодействие с радиально установленными по отношению к оси вала подпружиненными роликами, имеющими возможность вращения и установленными на толкателях, которые взаимодействуют с подпружиненными пьезоэлементами.
Работа устройства заключается в том, что при движении колесного транспортного средства вращающаяся волнообразная поверхность, действуя на ролик, перемещает через упор ходовой шток, который действуя на группу пьезоэлементов с заданной силой, определяемой жесткостью пружины 21, вызывает выходное напряжение этой группы, которое подается на вход электронной схемы для дальнейшего получения необходимой выходной временной характеристики. При использовании опорной пружины повышенной жесткости предотвращается перегрузка пьезоэлементов.
При подаче на первичную катушку 2 напряжения в круговом зазоре магнитопровода 10, связанного с катушкой 2, образуется полярность магнитный поток, которой, проходя через зазор, приводит к возникновению радиальных сил, выравнивающих воздушный зазор по всему сечению, в результате чего получаем возможность бесконтактного механического вращения вала 14. При этом происходит исключения трения в подшипниках 6, в виду того что зазор между магнитопроводами 10, 12 больше зазора между валом 14 и подшипниками 6. Исключение трения приводит к увеличению пройденного пути при одинаковых расходах топливной энергии, что приводит к ее экономии. В виду того что при действии на пьезоэлементы частично используется сила притяжения Землей (инерция) транспортного средства, которая также содействует экономии топливной энергии. Одновременно от вторичной катушки 1 трансформатора подается напряжение на катушку 3 электромагнита, что также приводит к возникновению радиальных сил, выравнивающих воздушный зазор электромагнита. При начале движения транспортного средства напряжение на трансформатор можно подать от аккумулятора. При отсутствии аккумулятора транспортное средство разгоняется с помощью роликовых подшипников 6.
При значительной тяжести транспортного средства с целью удержания равномерного зазора между ступицей и валом колеса последовательно располагаем два круговых трансформатора, электрически соединенных параллельно, которые содержат первичные и вторичные (нагрузочные) катушки, причем в качестве нагрузки используются катушки, расположенные на магнитопроводах противоположных трансформаторов. Эффект заключается в том, что, например, при 50 герцевом выпрямленном напряжении длина импульсной волны составляет 6000 км. Эта волна вдоль магнитопроводов пройдет столько раз, на сколько периметр магнитопроводов короче длины волны. Если длина магнитопроводов составит, например, один метр, то эта волна через магнитопроводы пройдет 1000000 раз, т.е. за секунду 50000000 раз, что значительно повышает эффективность работы устройства. При сравнении предлагаемого устройства с электромагнитным краном можно сказать, что сила удержания равномерного зазора может достигать тонны. При механическом соединении ротора электродвигателя с валом, а статора - с ободом получаем вращение статора электродвигателя. При этом подвод электроэнергии к ротору можно осуществлять от пьезогенератора.
Устройство, состоящее из четырех колес, связанных валами с салоном, может использоваться при наличии аккумулятора в качестве инвалидной коляски или как транспортное средство, в котором вырабатываемая электроэнергия служит дополнением к подводимой электроэнергии, например в электропоездах метро, троллейбусах, электричках, в качестве вагонов в поездах дальнего следования.