RU2643941C1 - Piezo electric element for installation on flexible base structure - Google Patents
Piezo electric element for installation on flexible base structure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2643941C1 RU2643941C1 RU2016141237A RU2016141237A RU2643941C1 RU 2643941 C1 RU2643941 C1 RU 2643941C1 RU 2016141237 A RU2016141237 A RU 2016141237A RU 2016141237 A RU2016141237 A RU 2016141237A RU 2643941 C1 RU2643941 C1 RU 2643941C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- piezoelectric element
- rim
- piezoelectric
- layers
- conductive rubber
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к автомобильной отрасли промышленности, в частности к генерирующим электроэнергию устройствам, и может быть использовано в электрических транспортных средствах в качестве дополнительного источника бортовой электроэнергии. Также изобретение относится и к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезокерамических материалов.The invention relates to the automotive industry, in particular to power generating devices, and can be used in electric vehicles as an additional source of on-board electricity. The invention also relates to electromechanical energy converters, namely, converters operating on the basis of the use of piezoceramic materials.
Известен, например, пьезокерамический генератор постоянного тока, (патент РФ, 2113757 МПК H02N 2/18 (1995.01). Этот генератор имеет цилиндрический тонкостенный пьезоэлемент, два деформирующих ролика и два токосъемника. При деформации роликами поляризованного в радиальном направлении пьезоэлемента на электродах, которыми являются металлизированные поверхности, возникают вследствие прямого пьезоэффекта заряды, которые передаются в виде напряжения потребителю через токосъемные ролики.For example, a piezoelectric ceramic direct current generator is known (RF patent, 2113757 IPC
Недостатками этого устройства являются: малая надежность вследствие того, что тонкослойное покрытие - электроды пьезоэлемента - подвержено быстрому выведению из строя катящимися нажимными и токосъемными роликами; сложность конструкции; малая эффективность преобразования вследствие того, что при деформации цилиндра в нем имеются зоны сжатия и расширения, в которых при односторонней радиальной поляризации будут возникать одновременно положительные и отрицательные заряды на одном электроде, что приведет к их частичному суммированию, при этом снижается эффективность преобразования.The disadvantages of this device are: low reliability due to the fact that the thin-layer coating - the piezoelectric electrodes - is susceptible to rapid incapacitation by rolling push and slip rings; design complexity; low conversion efficiency due to the fact that when the cylinder is deformed, it has compression and expansion zones in which positive and negative charges will occur at the same electrode during one-sided radial polarization, which will lead to their partial summation, while reducing the conversion efficiency.
Известен, например, пьезокерамический генератор постоянного тока, (патент Беларусь, заявка 950947, МПК H02N 2/18, H01L 41/113 (24.11.1995), содержащий соединенные параллельно между собой плоские высоковольтные пьезоэлементы, установленные на поверхности грунта в непосредственной близости от железнодорожного полотна, выпрямитель, блок преобразователя и коммутатор ограничитель. Принцип действия данного генератора заключается в следующем. При прохождении поезда, по железнодорожному полотну, являющегося источником колебаний, в пьезоэлементах возникает переменного напряжение, которое поступает через токоотводящую магистраль на выпрямитель 4. После выпрямления постоянное напряжение преобразуется блоком преобразователя 5 и через коммутатор-ограничитель 6, служащий для ограничения напряжения, подается потребителю.For example, a piezoelectric ceramic DC generator is known (patent Belarus, application 950947, IPC
Недостатком данного пьезокерамического генератора постоянного тока является необходимость надежной защиты (герметизации) каждого из многочисленных высоковольтных пьезоэлементов, соединенных с токопроводящей магистралью, от атмосферных осадков, влаги, тумана и пр. Токопроводящая магистраль должна содержать множество изолированных тонких проводников, число которых тем больше, чем больше пьезоэлементов, т.к. выводы каждого пьезоэлемента соединены с одним выпрямителем. Соответственно, сечение токопроводящей магистрали возрастает. Соответственно возрастает ее стоимость, и вероятно, необходимость ее антивандального исполнения.The disadvantage of this piezoelectric ceramic DC generator is the need for reliable protection (sealing) of each of the many high-voltage piezoelectric elements connected to the conductive line, from precipitation, moisture, fog, etc. The conductive line must contain many insulated thin conductors, the number of which is greater, the greater, the more piezoelectric elements, as the conclusions of each piezoelectric element are connected to one rectifier. Accordingly, the cross section of the conductive line increases. Accordingly, its cost increases, and probably the need for its anti-vandal performance.
Известен, например, пакетный пьезоэлемент и пьезоэлектрический привод с таким пакетным пьезоэлементом, установленный на некоторой базовой структуре, принятый за прототип (патент РФ, 2413336 МПК H01L 41/083 (2006/01), содержащий пьезоэлектрический элемент для установки на гибкой базовой структуре, включающий сам пьезоэлемент, выполненный в профилированном трехмерном пакетном виде, контур профилированной поверхности каждого из которых подогнан, путем механической обработки его боковой поверхности, к контуру данной гибкой базовой структуры, на которой установлен каждый пьезоэлемент; при этом каждый пьезоэлемент выполнен в виде пакета, состоящего из пластинчатых слоев из пьезоэлектрического материала, а пьезоэлементы, каждый из которых расположен в противоположных сторонах гибкой базовой структуры, подвергнуты изгибу, растяжению или соответственно сжатию. Причем сами пьезоэлементы электрически соединены друг с другом при наличии их общего вывода. По меньшей мере одна профилированная поверхность пакетного пьезоэлемента подогнана к контуру гибкой базовой структуры, на которой он установлен, а также имеет искривленную форму, и поэтому не параллельна к направлению набора пакета. Слои в пьезоэлементах имеют форму прямоугольных параллелепипедов и одинаковую форму сечения в направлении, перпендикулярном направлению набора пакета, при этом изменение длины пьезоэлектрического материала как в продольном, так и в поперечном направлении относительно набора пьезоэлемента, создает электрическое поле как в продольном, так и в поперечном направлении его вектораKnown, for example, a packet piezoelectric element and a piezoelectric actuator with such a packet piezoelectric element mounted on some basic structure, adopted as a prototype (RF patent, 2413336 IPC H01L 41/083 (2006/01), containing a piezoelectric element for installation on a flexible base structure, including the piezoelectric element itself, made in a profiled three-dimensional batch form, the contour of the profiled surface of each of which is fitted, by machining its side surface, to the contour of this flexible base structure, on which each piezoelectric element is installed, while each piezoelectric element is made in the form of a package consisting of plate layers of piezoelectric material, and the piezoelectric elements, each of which is located on opposite sides of the flexible base structure, are subjected to bending, stretching, or compression, respectively. with each other in the presence of their common conclusion. At least one profiled surface of the packet piezoelectric element is fitted to the contour of the flexible base structure, on which it installed, and also has a curved shape, and therefore is not parallel to the direction of the set of packages. The layers in the piezoelectric elements have the shape of rectangular parallelepipeds and the same cross-sectional shape in the direction perpendicular to the direction of the set of packages, while changing the length of the piezoelectric material both in the longitudinal and transverse directions relative to the set of the piezoelectric element creates an electric field in both longitudinal and transverse directions its vector
Недостатком данного пакетного пьезоэлемента и пьезоэлектрического привода с таким пакетным пьезоэлементом является то, что он не предназначен для генерирования электроэнергии и способен деформировать деталь в очень малом процентном отношении. Незначительность в работе величин деформаций пьезоэлектриков данного прототипа объясняется их очень высокой жесткостью, обусловленной ее базовой структурой. Например известно, что пластина, изготовленная из одного из видов пьезоэлектрического материала толщиной 1 мм, под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 2,3×10-7 мм.The disadvantage of this batch piezoelectric element and a piezoelectric drive with such a batch piezoelectric element is that it is not designed to generate electricity and is able to deform a part in a very small percentage. The insignificance in the work of the strain values of the piezoelectrics of this prototype is explained by their very high stiffness, due to its basic structure. For example, it is known that a plate made of one type of piezoelectric material 1 mm thick, under the action of a voltage of 100 V, changes its thickness by only 2.3 × 10 -7 mm.
Техническая задача заявляемого изобретения состоит в том, чтобы предложить такое устройство из пьезоэлементов, которое можно установить во внутреннюю полость гибкого базового элемента - в виде автомобильной шины и прикрепить к ней, а деформация последней при перемещении транспортного средства приводила бы к соответствующей деформации этого устройства с генерированием электроэнергии. Причем, эксплуатационные качества шины подлежат сохранению:The technical task of the claimed invention is to offer such a device of piezoelectric elements, which can be installed in the internal cavity of the flexible base element in the form of a car tire and attached to it, and deformation of the latter when moving the vehicle would lead to a corresponding deformation of this device with the generation electricity. Moreover, the performance of the tire must be preserved:
1. Деформация шины и, соответственно, установленных в ней пьезоэлементов, должна существенно генерировать максимально возможное количество электроэнергии;1. Deformation of the tire and, accordingly, the piezoelectric elements installed in it, should substantially generate the maximum possible amount of electricity;
2. Жесткость шины практически не должна увеличиться;2. The stiffness of the tire should hardly increase;
3. Вес шины не должен существенно возрасти;3. The weight of the tire should not increase significantly;
4. Конструкция должна быть так расположена, чтобы не было смещения центра тяжести шины;4. The design should be located so that there is no displacement of the center of gravity of the tire;
5. При проколе шины и соответственно заявляемого устройства не должна выходить из строя вся система;5. When punctured tires and, accordingly, the claimed device should not fail the whole system;
6. При износе протектора шины должна быть предусмотрена возможность переустановки заявляемого устройства в новую шину;6. When the tire tread is worn, it must be possible to reinstall the inventive device in a new tire;
7. Обеспечен надежный съем электроэнергии с каждой шины.7. Provided reliable removal of electricity from each tire.
Поставленная задача достигается тем, что в известном пьезоэлектрическом элементе для установки на гибкой базовой структуре, включающем сам пьезоэлемент, выполненный в профилированном трехмерном пакетном виде, контур профилированной поверхности каждого из которых подогнан, путем механической обработки его боковой поверхности, к контуру данной гибкой базовой структуры, на которой установлен каждый пьезоэлемент; при этом каждый пьезоэлемент выполнен в виде пакета, состоящего из пластинчатых слоев из пьезоэлектрического материала, а пьезоэлементы, каждый из которых расположен в противоположных сторонах гибкой базовой структуры, подвергнуты изгибу, растяжению или соответственно сжатию; сами пьезоэлементы электрически соединены друг с другом при наличии их общего вывода; по меньшей мере одна профилированная поверхность пакетного пьезоэлементы подогнана к контуру гибкой базовой структуры, на которой он установлен, а также имеет искривленную форму и поэтому не параллельна к направлению набора пакета; слои в пьезоэлементах имеют форму прямоугольных параллелепипедов и одинаковую форму сечения в направлении, перпендикулярном направлению набора пакета, при этом изменение длины пьезоэлектрического материала как в продольном, так и в поперечном направлении относительно набора пьезоэлемента, создает электрическое поле как в продольном, так и в поперечном направлении его вектора, в отличие от него в заявляемом пьезоэлектрическом элементе, гибкой базовой структурой, в которую установлен каждый пьезоэлектрический элемент, является шина транспортного средства, установленная на ободе его колеса, а сам он дополнительно содержит статор с его обмоткой возбуждения; наружная поверхность обода содержит покрытие из резинового электропроводящего материала, при этом на каждую из посадочных полок обода нанесены слои электропроводящей резины, цилиндрический якорь, расположенный в статоре соосно с воздушным зазором, с его трехфазной обмоткой. Также содержит выпрямительные миниатюрные диоды на внутренней поверхности шины, трехфазный мостовой диодный выпрямитель и устройство согласования напряжения, установленные в кузове транспортного средства. При этом статор состоит из стальной станины, закрепленной на внутренней цилиндрической поверхности обода диска колеса, и множества магнитных полюсов, на которых размещена упомянутая обмотка возбуждения из медного материала, и которые закреплены на внутренней поверхности стальной станины. Причем данная медная обмотка возбуждения залита компаундом. По центру ширины обода колеса выполнены два сквозных, диаметрально противоположных, технологических отверстия со слоем электропроводящей резины в каждом, расположенные соосно по данному центру ширины обода колеса стальной станины таким образом, что они оба находятся на одной прямой диаметральной линии диска колеса. Причем сквозь эти диаметрально противоположные сквозные отверстия выполнено электрическое соединение слоев электропроводящей резины посадочных полок обода колеса, через полосы электропроводящей резины самого обода, нанесенные на него, со слоями электропроводящей резины данных технологических отверстий, электрически соединенными с обмоткой возбуждения полюсов станины. Якорь состоит из набора пластин зубчатого цилиндрического изолированного магнитопровода с внутренним отверстием, набранного из изолированных листов электротехнической стали. Причем в пазах между зубцами данного цилиндрического магнитопровода уложена трехфазная медная обмотка переменного тока, а выступающие с обоих торцов данного цилиндрического магнитопровода лобовые части этой трехфазной медной обмотки переменного тока, а также и изнутри сам магнитопровод, герметично закрыты прикрепленными защитными крышками. Якорь жестко закреплен вкруговую к кузову транспортного средства посредством "Г"-образной арки, которая скреплена с одной из защитных крышек, по поверхности которой проложены и закреплены к ней медные провода для передачи электроэнергии с трехфазной обмотки на кузов транспортного средства. Множество упомянутых пьезоэлементов установлено на внутренней поверхности шины наряду с выпрямительными миниатюрными диодами, причем каждый пьезоэлемент последовательно электрически, посредством полоски электропроводящей резины, соединен с данным выпрямительным миниатюрным диодом, образуя отдельные ветви, а между собой каждые ветви, образованные каждым пьезоэлементом и каждым данным выпрямительным миниатюрным диодом, соединены посредством аналогичных полосок параллельно. Трехфазная медная обмотка электрически посредством упомянутых медных проводов "Г"-образной арки соединена со входом трехфазного мостового диодного выпрямителя, выход которого соединен со входом согласующего устройства, а выход данного согласующего устройства соединен с аккумуляторной батареей транспортного средства. При этом на обод диска колеса нанесен слой неэлектропроводящего материала, поверх которого на посадочные полки обода и сам обод до его технологических отверстий нанесены соответственно слои и полосы электропроводящей резины обода, причем слои посадочных полок обода непосредственно контактируют со слоями электропроводящей резины, как общего вывода всех пьезоэлементов, нанесенными на каждый носок шины, сопряженный с посадочной полкой обода колеса.The problem is achieved in that in the known piezoelectric element for installation on a flexible base structure, including the piezoelectric element, made in a profiled three-dimensional batch form, the contour of the profiled surface of each of which is adjusted, by machining its side surface, to the contour of this flexible base structure, on which each piezoelectric element is installed; each piezoelectric element is made in the form of a package consisting of lamellar layers of piezoelectric material, and the piezoelectric elements, each of which is located on opposite sides of the flexible base structure, are subjected to bending, stretching or, respectively, compression; the piezoelectric elements themselves are electrically connected to each other in the presence of their common conclusion; at least one profiled surface of the packet piezoelectric elements is fitted to the contour of the flexible base structure on which it is installed, and also has a curved shape and therefore is not parallel to the direction of the packet; the layers in the piezoelectric elements have the shape of rectangular parallelepipeds and the same cross-sectional shape in the direction perpendicular to the direction of the set of the package, while changing the length of the piezoelectric material in both longitudinal and transverse directions relative to the set of the piezoelectric element creates an electric field in both longitudinal and transverse directions of its vector, in contrast to it in the inventive piezoelectric element, the flexible base structure in which each piezoelectric element is installed is the bus t ansportnogo means, mounted on its rim wheel, and the further comprising a stator with its winding excitation; the outer surface of the rim contains a coating of rubber electrically conductive material, with layers of electrically conductive rubber, a cylindrical armature located in the stator coaxially with the air gap, with its three-phase winding, applied to each of the landing flanges of the rim. It also contains miniature rectifier diodes on the inner surface of the bus, a three-phase bridge diode rectifier, and a voltage matching device installed in the vehicle body. In this case, the stator consists of a steel frame fixed on the inner cylindrical surface of the rim of the wheel disk, and a plurality of magnetic poles, on which the aforementioned field winding is made of copper material, and which are fixed on the inner surface of the steel frame. Moreover, this copper field winding is filled with a compound. In the center of the width of the wheel rim there are two through, diametrically opposite, technological holes with a layer of electrically conductive rubber in each, located coaxially along this center of the width of the rim of the wheel of the steel bed so that they are both on the same straight diametrical line of the wheel disk. Moreover, through these diametrically opposite through holes, an electrical connection is made between the layers of conductive rubber of the landing flanges of the wheel rim, through the strip of conductive rubber of the rim itself, deposited on it, with layers of conductive rubber of these technological holes, electrically connected to the field winding of the poles of the bed. An anchor consists of a set of plates of a toothed cylindrical insulated magnetic circuit with an internal hole, recruited from insulated sheets of electrical steel. Moreover, in the grooves between the teeth of this cylindrical magnetic circuit, a three-phase copper winding of alternating current is laid, and the frontal parts of this three-phase copper winding of alternating current protruding from both ends of this cylindrical magnetic circuit, as well as inside the magnetic circuit itself, are hermetically closed by attached protective covers. The anchor is rigidly fixed round to the vehicle body by means of a “G” -shaped arch, which is fastened to one of the protective covers, on the surface of which copper wires are laid and fixed to it to transfer electricity from the three-phase winding to the vehicle body. Many of the piezoelectric elements mentioned above are mounted on the inner surface of the bus along with miniature rectifier diodes, each piezoelectric element being connected electrically via a strip of conductive rubber to this miniature rectifier diode, forming separate branches, and each branch between each piezoelectric element and each miniature rectifier diode connected by means of similar strips in parallel. The three-phase copper winding is electrically connected through the copper wires of the “G” -shaped arch to the input of a three-phase bridge diode rectifier, the output of which is connected to the input of the matching device, and the output of this matching device is connected to the vehicle’s battery. At the same time, a layer of non-conductive material is deposited on the wheel rim, over which layers and strips of electrically conductive rubber of the rim are applied to the landing flanges of the rim and the rim itself to its technological holes, and the layers of the landing flanges of the rim are directly in contact with the layers of electrically conductive rubber, as a common conclusion of all piezoelectric elements applied to each toe of the tire mating with the landing flange of the wheel rim.
Пьезоэлектрическим материалом, из которого выполнен пьезоэлемент, является пьезокварц, характеризующийся монокристаллической структурой, кристаллы которой не имеют симметрии.The piezoelectric material from which the piezoelectric element is made is piezoelectric quartz, characterized by a single-crystal structure, the crystals of which do not have symmetry.
В предложенном пьезоэлектрическом элементе для установки на гибкой базовой структуре, за счет выработки электроэнергии пьезоэлементами при деформации шин колес при движении транспортного средства, появляется дополнительный источник электроэнергии постоянного тока, благодаря чему возрастает пробег данных транспортных средств от одной зарядки.In the proposed piezoelectric element for installation on a flexible base structure, due to the generation of electricity by the piezoelectric elements during the deformation of the tire of the wheels when the vehicle is moving, an additional DC power source appears, which increases the mileage of these vehicles from a single charge.
За счет того, что части трехмерного пакетного (негабаритного) пьезоэлемента соединены полосками легкой недорогой электропроводной резины, обеспечивается надежный долговечный электрический эластичный их контакт, жесткость шины и ее вес практически не увеличиваются.Due to the fact that the parts of the three-dimensional batch (oversized) piezoelectric element are connected by strips of light inexpensive electrically conductive rubber, their reliable durable electrical elastic contact is ensured, tire stiffness and its weight practically do not increase.
За счет того, что используется трехмерный пакетный пьезоэлемент, обеспечивается эффективная выработка электроэнергии при деформации шин, которая, как известно, носит достаточно сложный характер, т.к. здесь присутствуют растяжение, сжатие и изгиб, а также она зависит от многих факторов - состояния покрытия проезжей части дороги, давления в шинах, степени загрузки транспортного средства и его скорости.Due to the fact that a three-dimensional packet piezoelectric element is used, efficient generation of electric power is ensured during tire deformation, which, as you know, is quite complex, because there is tension, compression and bending, and it also depends on many factors - the condition of the roadway covering, tire pressure, vehicle load and speed.
В качестве пьезоэлектрического материала пьезоэлемента применен пьезокварц (природный или искусственно выращенный), имеющий монокристаллы. Как известно, эти вещества являются пьезоэлектриками, кристаллы которых не имеют центра симметрии, и поэтому они обладают высоким пьезоэлектрическим эффектом.As a piezoelectric material of a piezoelectric element, piezoelectric quartz (natural or artificially grown) having single crystals is used. As you know, these substances are piezoelectrics whose crystals do not have a center of symmetry, and therefore they have a high piezoelectric effect.
За счет того, что части трехмерного пакетного пьезоэлемента соединены полосками легкой недорогой электропроводной резины параллельно между собой: во-первых, уменьшается внутреннее сопротивление данного пьезоэлектрического элемента, следовательно, уменьшаются и тепловые (Джоулевы) потери, а во вторых, увеличивается надежность заявляемого устройства, т.к. при случайном проколе или порезе шины в процессе эксплуатации выйдет из строя только поврежденный участок трехмерного пакетного пьезоэлемента, остальные же сегменты продолжат нормально функционировать и вырабатывать максимально возможное количество электричества.Due to the fact that the parts of the three-dimensional packet piezoelectric element are connected by strips of light inexpensive electrically conductive rubber in parallel with each other: firstly, the internal resistance of this piezoelectric element decreases, therefore, thermal (Joule) losses decrease, and secondly, the reliability of the claimed device increases, t .to. in case of accidental puncture or cut of the tire during operation, only the damaged section of the three-dimensional packet piezoelectric element will fail, the remaining segments will continue to function normally and generate the maximum possible amount of electricity.
За счет того, что части трехмерного пакетного пьезоэлемента вместе с диодными выпрямителями и соединяющие их полоски электропроводящей резины приклеены к внутренней поверхности шины с помощью термоклея, при нагревании которого он становятся жидким, имеется простая возможность многократно переустанавливать данный пьезоэлектрический элемент с одной шины на другую в случае ее износа или заменять на другой.Due to the fact that the parts of the three-dimensional packet piezoelectric element together with diode rectifiers and the strips of electrically conductive rubber connecting them are glued to the inner surface of the tire using hot-melt adhesive, when it becomes liquid, it is easy to repeatedly reinstall this piezoelectric element from one tire to another in the case of wear or replace it with another.
За счет того, что передача электроэнергии с вращающихся вместе с колесом пьезоэлектрических элементов и, соответственно, с медной обмотки возбуждения на трехфазную медную обмотку переменного тока, расположенную на цилиндрическом якоре, жестко закрепленном к кузову транспортного средства, осуществляется электромагнитным (бесконтактным) путем, обеспечивается высокая надежность съема электроэнергии с данного пьезоэлектрического элемента.Due to the fact that the transmission of electricity from the piezoelectric elements rotating together with the wheel and, accordingly, from the copper field winding to the three-phase copper alternating current winding located on the cylindrical armature, rigidly fixed to the vehicle body, is carried out by the electromagnetic (non-contact) way, high reliability of electric energy removal from a given piezoelectric element.
За счет размещения цилиндрического якоря в защитном кожухе во внутреннем пространстве диска обеспечивается, во-первых, требуемая надежность и защита самого статора и лобовых частей его обмотки от брызг воды и камней, вылетающих из под колес, а во вторых, эффективное его охлаждение в работе потоком воздуха вращающегося колеса.By placing a cylindrical armature in a protective casing in the inner space of the disk, firstly, the required reliability and protection of the stator and the frontal parts of its winding against splashes of water and stones flying out from under the wheels are ensured, and secondly, its effective cooling in operation by flow air of a rotating wheel.
За счет равномерного распределения частей трехмерного пакетного пьезоэлемента и выпрямительных диодов по внутренней поверхности шины обеспечивается неизменность центра тяжести шины.Due to the uniform distribution of parts of the three-dimensional packet piezoelectric element and rectifier diodes on the inner surface of the tire, the center of gravity of the tire remains unchanged.
За счет того, что используются пьезоэлементы с возникновением пироэлектрического эффекта, КПД данного генератора повышается. Известно, что при движении транспортного средства шины нагреваются. Их нагрев будет приводить к соответствующему нагреву пьезоэлементов, находящихся на внутренней поверхности данных шин, и последние начнут дополнительно вырабатывать электричество на основе пироэлектрического эффекта.Due to the fact that piezoelectric elements are used with the occurrence of the pyroelectric effect, the efficiency of this generator increases. It is known that when a vehicle moves, the tires heat up. Their heating will lead to the corresponding heating of the piezoelectric elements located on the inner surface of these tires, and the latter will begin to additionally generate electricity based on the pyroelectric effect.
Заявляемое изобретение иллюстрируется: фиг. 1 - Диск колеса в разрезе; фиг. 2 - Статор (индуктор); фиг. 3 - Ротор (якорь), присоединенный к кузову транспортного средства; фиг. 4 - Шина колеса с пьезоэлементами в разрезе, фиг. 5 - Трехмерный пакетный пьезоэлектрический элемент шины: а - с продольным направлением пьезоэлектрического эффекта, 6 - с поперечным направлением пьезоэлектрического эффекта, фиг. 6 - Поверхность шины с расположенными в ней пьезоэлементами, фиг. 7 - Электрическая принципиально-функциональная схема.The invention is illustrated: FIG. 1 - Wheel disc in the context; FIG. 2 - Stator (inductor); FIG. 3 - Rotor (anchor) attached to the vehicle body; FIG. 4 - Wheel tire with piezoelectric elements in section, FIG. 5 - Three-dimensional packet piezoelectric element of the tire: a - with the longitudinal direction of the piezoelectric effect, 6 - with the transverse direction of the piezoelectric effect, FIG. 6 - The surface of the tire with the piezoelectric elements located in it, FIG. 7 - Electrical circuit diagram.
Заявляемый пьезоэлектрический элемент для установки на гибкой базовой структуре (фиг. 1, фиг. 2) содержит диск колеса ("литье") (1), обычный явнополюсный статор (индуктор), состоящий из стальной станины (2), закрепленной на внутренней цилиндрической поверхности (3) обода (4) этого диска колеса (1) при помощи стальных болтов (не показано), и множества магнитных полюсов (5) с размещенной на них традиционным способом медной обмоткой возбуждения (6), закрепленных на внутренней поверхности этой стальной станины (2) при помощи стальных болтов (не показано). Причем эта медная обмотка возбуждения (6) залита компаундом (не показано) на основе эпоксидной смолы. Также содержит покрытие из резинового электропроводящего материала - слои электропроводящей резины (7), нанесенные каждый на наружную поверхность обода в виде сплошных полос и поверхность каждой из посадочных полок обода - в виде слоев этой резины, расположенных между его закраиной (8) и кольцевым выступом "хампом" (9) обода (4) диска колеса (1), два сквозных диаметрально противоположных технологических отверстия (10) со слоем электропроводящей резины в каждом (не показано), расположенные соосно по центру ширины обода (4) диска колеса (1) и стальной станины (2) таким образом, что они оба находятся на одной прямой диаметральной геометрической линии диска колеса (1). Сквозь эти отверстия осуществляется непосредственное электрическое соединение покрытия из резинового электропроводящего материала слоев (7) полок обода (4) и его сплошных полос и медной обмотки возбуждения (6) магнитных полюсов (5) стальной станины (2). Каждый из выводов обмотки возбуждения выведен в отдельное технологическое отверстие (10) и электрически соединен со слоями находящейся в них электропроводящей резины, например механически вставлен в эти слои или приклеен к ним электропроводящим клеем. Также содержит расположенный в статоре (не показано) соосно полый цилиндрический ротор (якорь) (11) (фиг. 3), состоящий из шихтованного зубчатого изолированного цилиндрического магнитопровода (12) с внутренним отверстием диаметра D, набранного из изолированных штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. В пазах между зубцами (13) этого шихтованного цилиндрического магнитопровода (12) уложена трехфазная медная обмотка переменного тока (14), аналогичная обмотке статора обычного трехфазного асинхронного двигателя. Выступающие с обоих торцов этого цилиндрического шихтованного магнитопровода (12) лобовые части трехфазной медной обмотки (14) герметично закрыты кольцевыми защитными крышками (15). Эти крышки (15) защищают лобовые части трехфазной медной обмотки (14) от влаги, пыли и мелких камней, летящих из под колес при движении транспортного средства. Крышки (15) и образованный штампованными и при этом изолированными листами цилиндрический магнитопровод (12) стянуты посредством резьбовых соединений (не показано). С внутренней стороны (16) цилиндрический магнитопровод (12) также покрыт для защиты защитным кожухом (не показано). Статор (индуктор) и ротор (якорь) разделены воздушным зазором (не показано). Ротор (якорь) (11) жестко закреплен вкруговую к кузову транспортного средства при помощи Г-образной арки (17), которая скреплена с одной из крышек (15) посредством сварного или резьбового соединений (не показано), по поверхности которой проложены и закреплены к ней обычным образом медные провода (не показано) для передачи электроэнергии с трехфазной медной обмотки (14) на кузов транспортного средства для последующего использования. Также он содержит известный обычный трехмерный пакетный пьезоэлемент (18) (фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6 и фиг. 7), как например, по патенту РФ 2413336. Однако заявляемый выполнен в виде пьезокварца, и множество их установлено на внутренней поверхности (19) шины (20), закрепленной на ободе (4) диска колеса (1) (фиг. 1, 4, 6), и электрически соединены между собой в шине параллельно полосками (21) электропроводящей резины с использованием выпрямительных миниатюрных диодов (22), установленных также на внутренней поверхности (19) шины (20). Полоска (21) представляет собой тонкий слой электропроводящей резины и выполняет ту же функцию, что и токопроводящие дорожки на печатной плате. И визуально выглядит точно так же, при этом пьезоэлектрический материал, из которого выполнен, в частности, пьезоэлемент в виде пьезокварца, характеризуется монокристаллической структурой, кристаллы которой не имеют центра симметрии, и поэтому они обладают высоким пьезоэлектрическим эффектом. Причем пьезоэлементы (18), миниатюрные диоды (22) и полоски электропроводящей резины (21) приклеены к внутренней поверхности (19) шины (20) посредством термоклея.The inventive piezoelectric element for installation on a flexible base structure (Fig. 1, Fig. 2) contains a wheel disk ("casting") (1), a conventional explicit pole stator (inductor), consisting of a steel frame (2), mounted on an inner cylindrical surface (3) the rim (4) of this wheel disk (1) with steel bolts (not shown), and a plurality of magnetic poles (5) with a copper field coil (6) placed on them in the traditional way, mounted on the inner surface of this steel frame ( 2) using steel bolts (not shown). Moreover, this copper field winding (6) is filled with a compound (not shown) based on epoxy resin. Also contains a coating of rubber conductive material - layers of conductive rubber (7), each deposited on the outer surface of the rim in the form of continuous strips and the surface of each of the landing flanges of the rim - in the form of layers of this rubber located between its rim (8) and the annular protrusion " Hump "(9) of the rim (4) of the wheel disk (1), two through diametrically opposite technological holes (10) with a layer of electrically conductive rubber in each (not shown), located coaxially in the center of the width of the rim (4) of the wheel disk (1) and steel beds (2) in such a way that they are both located on the same straight diametrical geometric line of the wheel disk (1). Through these openings, a direct electrical connection is made of the coating of rubber electrically conductive material of the layers (7) of the shelves of the rim (4) and its continuous strips and the copper field winding (6) of the magnetic poles (5) of the steel frame (2). Each of the outputs of the field winding is brought out into a separate technological hole (10) and is electrically connected to the layers of the electrically conductive rubber located in them, for example, mechanically inserted into these layers or glued to them by electrically conductive adhesive. It also contains a coaxially hollow cylindrical rotor (anchor) (11) located in the stator (not shown) (Fig. 3), consisting of a lined gear insulated cylindrical magnetic core (12) with an inner hole of diameter D, composed of insulated stamped sheets of electrical steel with a thickness of 0 5 mm. In the grooves between the teeth (13) of this lined cylindrical magnetic circuit (12), a three-phase AC copper winding (14) is laid, similar to the stator winding of a conventional three-phase asynchronous motor. The frontal parts of the three-phase copper winding (14) protruding from both ends of this cylindrical charged magnetic circuit (12) are hermetically closed by ring protective covers (15). These covers (15) protect the frontal parts of the three-phase copper winding (14) from moisture, dust and small stones flying from under the wheels when the vehicle is moving. The covers (15) and the cylindrical magnetic circuit (12) formed by stamped and thus insulated sheets are tightened by means of threaded connections (not shown). On the inside (16), the cylindrical magnetic circuit (12) is also coated for protection with a protective casing (not shown). The stator (inductor) and rotor (anchor) are separated by an air gap (not shown). The rotor (anchor) (11) is rigidly fixed round to the vehicle body using the L-shaped arch (17), which is fastened to one of the covers (15) by means of welded or threaded joints (not shown), on the surface of which are laid and fixed to in the usual way, copper wires (not shown) for transmitting electricity from a three-phase copper winding (14) to the vehicle body for subsequent use. It also contains the well-known conventional three-dimensional packet piezoelectric element (18) (Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6 and Fig. 7), as, for example, according to the patent of the Russian Federation 2413336. However, the claimed is made in the form of a piezoelectric quartz, and many of them are installed on the inside of the surface (19) of the tire (20), mounted on the rim (4) of the wheel disk (1) (Figs. 1, 4, 6), and electrically connected to each other in the tire parallel to the strips (21) of electrically conductive rubber using miniature rectifier diodes ( 22) mounted also on the inner surface (19) of the tire (20). The strip (21) is a thin layer of conductive rubber and performs the same function as the conductive tracks on the printed circuit board. And it looks exactly the same visually, with the piezoelectric material, of which, in particular, the piezoelectric element is made in the form of a piezoelectric quartz, is characterized by a single-crystal structure, the crystals of which do not have a center of symmetry, and therefore they have a high piezoelectric effect. Moreover, the piezoelectric elements (18), miniature diodes (22) and strips of electrically conductive rubber (21) are glued to the inner surface (19) of the tire (20) using hot melt adhesive.
На фиг. 5а и 5б схематически показан трехмерный пакетный пьезоэлектрический элемент (пьезоэлемент) 18, именуемый также пьезопакетом. Пьезоэлемент состоит из перемежающихся слоев толщиной d электропроводящего и пьезоэлектрического материала (пьезокварца). Слои в пакетах на фиг. 5а и 5б имеют форму прямоугольных параллелепипедов и одинаковую форму сечения в направлении, перпендикулярном направлению набора пакета. Слои электропроводящего материала представляют собой электроды 18а. В случае пьезоэлемента, показанного на фиг. 5а, под действием внешнего механического усилия пьезоэлектрический материал растягивается или сжимается в направлении набора пакета или в продольном направлении пьезоэлектрического элемента 18, его длина при этом увеличивается на Δl; пьезоэлектрическим материалом (пьезокварцом) каждого слоя пьезоэлемента (электродами 18а) в направлении растяжения или сжатия Δl при этом создается электрическое поле Е. Пакет обычно имеет следующие размеры: длина а боковой стороны поверхностей элементов пакета, перпендикулярная направлению набора пакета, составляет около 5-60 мм, как и высота b, измеряемая в направлении набора пакета.In FIG. 5a and 5b schematically show a three-dimensional packet piezoelectric element (piezoelectric element) 18, also referred to as a piezoelectric package. The piezoelectric element consists of alternating layers of thickness d of the electrically conductive and piezoelectric material (piezoelectric quartz). The layers in the packets in FIG. 5a and 5b have the shape of rectangular parallelepipeds and the same cross-sectional shape in the direction perpendicular to the direction of the packet. The layers of conductive material are
Пьезоэлемент 18 (фиг. 5а) представляет собой так называемый известный в отрасли пьезоэлемент d33, характеризующийся большим изменением длины Δl при выработке электрического поля Е, чем изменение длины Δl известного пьезоэлемента d31 в другом случае, представленном на фиг. 5б при выработке такого же электрического поля Е, у которого изменение длины Δl происходит поперек вектора электрического поля Е. Оба эти случая применимы при осуществлении заявляемого изобретения.The piezoelectric element 18 (Fig. 5a) is the so-called industry-known piezoelectric element d33, characterized by a large change in the length Δl when generating an electric field E, than a change in the length Δl of the known piezoelectric element d31 in the other case shown in Fig. 5b when generating the same electric field E, in which a change in the length Δl occurs across the vector of the electric field E. Both of these cases are applicable in the implementation of the claimed invention.
В заявляемом пакетном пьезоэлементе по меньшей мере одна профилированная перпендикулярно набору плоскостей слоев пакета поверхность (23) (фиг. 4) трехмерного пакетного пьезоэлемента (18) подогнана к контуру внутренней поверхности (19) шины (20) (фиг. 6).In the inventive packet piezoelectric element, at least one surface (23) (Fig. 4) of the three-dimensional packet piezoelectric element (18) that is perpendicular to the set of planes of the layers of the packet is fitted to the contour of the inner surface (19) of the tire (20) (Fig. 6).
Под профилированной, путем механической обработки, его боковой поверхностью шириной "a" при этом понимают то, что она отличается от другой плоскости, т.е. что одна из боковых поверхностей параллелепипеда исходного пакетного пьезоэлемента заменена искривленной, волнистой поверхностью или поверхностью иной необходимой формы (не показано). В альтернативном варианте (не показано) профилированную поверхность может образовывать также плоская поверхность, которая, однако, находится под углом (отличающимся от 0°) к направлению набора пакета, поэтому в целом создается, например, призматичноподобный пьезоэлемент (не показано). В этом случае вместо двух противоположных друг другу параллельных поверхностей пьезопакета образуются две противоположных друг другу поверхности, расположенные по отношению друг к другу под углом, не равным 0° и не равным 90°. В каждом случае не все образующие пакетный пьезоэлемент слои из электропроводящего материала имеют одинаковую форму. Иными словами, формирование поверхности означает, что при виртуальном разложении пакетного пьезоэлемента на отдельные проводящие слои отдельные пластинки пакета имеют различные варианты и формы исполнения. Для формообразования не существует особых ограничений, более того форму можно выбирать по потребности в зависимости от конкретного случая применения пьезоэлемента.By profiled, by machining, by its lateral surface of width " a ", it is understood that it differs from another plane, i.e. that one of the lateral surfaces of the parallelepiped of the initial packet piezoelectric element is replaced by a curved, wavy surface or a surface of another necessary shape (not shown). Alternatively (not shown), the profiled surface can also be formed by a flat surface, which, however, is at an angle (different from 0 °) to the direction of stacking of the packet, therefore, for example, a prismatic-like piezoelectric element (not shown) is generally created. In this case, instead of two opposite surfaces of the parallel piezoelectric packet, two opposite surfaces are formed, which are located relative to each other at an angle not equal to 0 ° and not equal to 90 °. In each case, not all layers of a packet piezoelectric element of an electrically conductive material have the same shape. In other words, surface formation means that when the packet piezoelectric element is virtually decomposed into separate conductive layers, the individual plate plates have different options and forms of execution. There are no special restrictions for shaping, moreover, the shape can be selected according to need, depending on the specific application of the piezoelectric element.
Каждый трехмерный пакетный пьезоэлемент (18) последовательно электрически, посредством полоски электропроводящей резины (21), соединен с миниатюрным выпрямительным диодом (22) (фиг. 6), образуя отдельные ветви. А между собой каждые такие ветви, образованные трехмерным пакетным пьезоэлементом (18) и миниатюрным выпрямительным диодом (22), соединены посредством полосок электропроводящей резины (21) параллельно. Таким образом, вся внутренняя поверхность (19) шины (20) покрыта сетью, образованной электрически параллельно соединенными ветвями, каждая из которых, в свою очередь, образована трехмерным пакетным пьезоэлементом (18) и последовательно электрически, посредством полоски электропроводящей резины (21), соединенного с ним миниатюрным выпрямительным диодом (22).Each three-dimensional packet piezoelectric element (18) is sequentially electrically connected through a strip of electrically conductive rubber (21) to a miniature rectifier diode (22) (Fig. 6), forming separate branches. And between each such branch, formed by a three-dimensional packet piezoelectric element (18) and a miniature rectifier diode (22), are connected in parallel by strips of conductive rubber (21). Thus, the entire inner surface (19) of the tire (20) is covered by a network formed by electrically parallel connected branches, each of which, in turn, is formed by a three-dimensional packet piezoelectric element (18) and sequentially electrically, by means of a strip of electrically conductive rubber (21) connected with it a miniature rectifier diode (22).
Также он содержит обычный трехфазный мостовой диодный выпрямитель (фиг. 7) (24) и устройство согласования напряжения (25) заявляемого пьезоэлектрического элемента (генератора), расположенные в кузове данного транспортного средства (не показано).It also contains a conventional three-phase bridge diode rectifier (Fig. 7) (24) and a voltage matching device (25) of the inventive piezoelectric element (generator) located in the body of this vehicle (not shown).
Как описано и видно (фиг. 6), данная схема, состоящая из множества параллельных ветвей, каждая из которых образована трехмерным пакетным пьезоэлементом (18) и последовательно электрически, посредством полоски электропроводящей резины (21), соединенного с ним миниатюрным выпрямительным диодом (22), аналогична известной схеме многофазного выпрямителя с нулевым выводом.As described and seen (Fig. 6), this circuit, consisting of many parallel branches, each of which is formed by a three-dimensional packet piezoelectric element (18) and sequentially electrically, by means of a strip of electrically conductive rubber (21) connected to it by a miniature rectifier diode (22) , similar to the well-known scheme of a multiphase rectifier with a zero output.
При этом трехфазная медная обмотка (14) (фиг. 7) электрически (посредством медных проводов Г-образной арки (17)) соединена со входом трехфазного мостового диодного выпрямителя (24), выход которого соединен с устройством согласования напряжения (25), выход которого соединен с аккумуляторной батареей (не показана) транспортного средства.In this case, the three-phase copper winding (14) (Fig. 7) is electrically (through the copper wires of the L-shaped arch (17)) connected to the input of the three-phase bridge diode rectifier (24), the output of which is connected to the voltage matching device (25), the output of which connected to a battery (not shown) of the vehicle.
Причем обод (4) диска колеса (1) покрыт неэлектропроводным материалом (не показано), на поверхность которого нанесены от соответствующей посадочной полки (кольцевого выступа "хампа") до соответствующего отверстия (10) упомянутые полосы электропроводящей резины (7).Moreover, the rim (4) of the wheel disk (1) is covered with a non-conductive material (not shown), on the surface of which are mentioned the strip of electrically conductive rubber (7) from the corresponding landing flange (annular protrusion of a "dump") to the corresponding hole (10).
Заявляемый элемент для установки на гибкой базовой структуре (в шине транспортного средства) используют следующим образом. При движении транспортного средства шина вращающегося колеса (1), взаимодействуя с поверхностью дорожного покрытия, а также при изменении скорости его движения будет деформироваться. Соответственно это приведет к тому, что находящийся на внутренней ее поверхности весь комплекс трехмерных пакетных пьезоэлементов, разделенный соответствующим образом на множество частей, начнет также деформироваться и поляризовываться, т.е. вырабатывать, в соответствии с прямым пьезоэлектрическим эффектом, электрическое напряжение, пропорциональное усилию сжатия, растяжения или изгиба.The inventive element for installation on a flexible base structure (in the tire of the vehicle) is used as follows. When the vehicle moves, the tire of the rotating wheel (1), interacting with the surface of the road surface, as well as with a change in the speed of its movement, will be deformed. Accordingly, this will lead to the fact that the entire complex of three-dimensional packet piezoelectric elements located on its inner surface, divided accordingly into many parts, will also begin to deform and polarize, i.e. generate, in accordance with the direct piezoelectric effect, an electric voltage proportional to the compressive, tensile or bending force.
Т.к. наибольшей деформации подвергается в каждый момент времени при движении транспортного средства только та часть шины, которая непосредственно механически контактирует с поверхностью дорожного покрытия, причем "набегающая" на него часть шины сжимается, а выходящая из под дорожного покрытия, соответственно, разжимается, то выработка электроэнергии пьезоэлементами происходит с разной интенсивностью, не одновременно во времени, и напряжение каждого из пьезоэлементов, один из которых сжимается, а другой разжимается, будет разнополярным. Поэтому каждый отдельный трехмерный пакетный пьезоэлемент (18) последовательно электрически, посредством полоски электропроводящей резины (21), соединен с миниатюрным выпрямительным диодом (22).Because at each moment of time, when the vehicle is moving, only the part of the tire that directly mechanically contacts the surface of the road surface is subjected to the greatest deformation, and the part of the tire “running” onto it is compressed, and the part coming out from under the road surface is compressed, then the generation of electricity by piezoelectric elements occurs with different intensities, not simultaneously in time, and the voltage of each of the piezoelectric elements, one of which is compressed, and the other is expanded, will be bipolar. Therefore, each individual three-dimensional packet piezoelectric element (18) is sequentially electrically connected via a strip of electrically conductive rubber (21) to a miniature rectifier diode (22).
Выработанное трехмерными пакетными пьезоэлементами (18) в шине (20) электрическое напряжение выпрямляется ее многочисленными миниатюрными выпрямительными диодами (22), и это выпрямленное напряжение U1 (фиг. 6, 7) передается посредством указанных полосок (21) электропроводящей резины и в итоге качестве их общего вывода, по слоям электропроводящей резины (7) сквозь технологические отверстия (10) в обмотку возбуждения (6), размещенную на множестве магнитных полюсов (5), закрепленных на внутренней поверхности стальной станины (2) обода (4) диска колеса ("литья") (1).The electric voltage generated by three-dimensional packet piezoelements (18) in the bus (20) is rectified by its numerous miniature rectifier diodes (22), and this rectified voltage U 1 (Fig. 6, 7) is transmitted through the indicated strips (21) of conductive rubber and, as a result, as their general output, through layers of electrically conductive rubber (7) through technological holes (10) into the field winding (6), located on a set of magnetic poles (5), mounted on the inner surface of the steel frame (2) of the rim (4) of the wheel disk (" l tya ") (1).
При этом для надежной передачи электроэнергии с шины (20) на диск колеса ("литья") (1) каждый носок (26) и (27) шины (фиг. 4), непосредственно электрически контактирующий со слоем электропроводящей резины (7) полок обода (4), также покрыт электропроводящим слоем резины (не показано). При этом один вывод трехмерного пакетного пьезоэлемента (фиг. 6), например плюс (+), электрически соединен с одним носком (26) шины, а второй - минус (-) - аналогично со вторым (27).Moreover, for reliable transmission of electric power from the tire (20) to the wheel disk (“casting”) (1), each toe (26) and (27) of the tire (Fig. 4), which is directly electrically in contact with the layer of electrically conductive rubber (7) of the rim flanges (4) is also coated with an electrically conductive rubber layer (not shown). In this case, one terminal of a three-dimensional packet piezoelectric element (Fig. 6), for example, plus (+), is electrically connected to one toe (26) of the bus, and the second minus (-) is similar to the second (27).
Выработанная трехмерными пакетными пьезоэлементами (18), расположенными на внутренней поверхности (19) шины (20), электроэнергия через выпрямительные диоды (22) передается по полоскам (21) электропроводящей резины в слои электропроводящей резины на оба противоположные носка шины. Далее электроэнергия через непосредственно электрически контактирующие с ними слои электропроводящей резины (7) полок обода передается по полосам (7) электропроводящей резины, расположенным на ободе (4), с диска колеса (1), сквозь сквозные с токопроводящей резиной (не показана) внутри технологические отверстия (10), в обмотку возбуждения (6) магнитных полюсов (5) стальной станины (2) обода (4) диска колеса ("литья") (1).Generated by three-dimensional packet piezoelectric elements (18) located on the inner surface (19) of the tire (20), electric power is transmitted through rectifier diodes (22) through strips (21) of electrically conductive rubber to layers of electrically conductive rubber to both opposite toes of the tire. Further, the electric power is transmitted directly through the layers of electrically conductive rubber (7) of the rim flanges directly electrically contacting them through the bands (7) of the electrically conductive rubber located on the rim (4), from the wheel disk (1), through the through with the conductive rubber (not shown) inside the technological holes (10) into the field winding (6) of the magnetic poles (5) of the steel bed (2) of the rim (4) of the wheel disc (“casting”) (1).
Обмотка возбуждения (6), размещенная на множестве магнитных полюсов (5), закрепленных на внутренней поверхности стальной станины (2) обода (4) диска колеса ("литья") (1), вращается вместе с ним. Причем эта обмотка уложена на магнитных полюсах (5) таким образом, что при подаче в нее постоянного тока она образует электромагнитное поле с чередованием магнитных полюсов при перемещении по внутренней окружности диска колеса. Вращающаяся вместе с диском колеса данная обмотка возбуждения образует вращающееся электромагнитное поле. Магнитный поток этого поля, проходя через воздушный зазор (не показано), пересекает трехфазную медную обмотку (14) якоря (11) (фиг. 3а, фиг. 7). В этой обмотке в соответствии с законом электромагнитной индукции при этом индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), и, соответственно переменное электрическое напряжение U2. Данная обмотка (14) электрически, при помощи упомянутых медных проводов (не показаны), проложенных и закрепленных на Г-образной арке (17), подсоединена ко входу трехфазного мостового диодного выпрямителя (24), установленного в кузове транспортного средства. Этим выпрямителем (24) подаваемое переменное напряжение обмотки (14) U2 выпрямляется в постоянное напряжение U3 и затем подается в устройство согласования напряжения (25). Это устройство необходимо для согласования выпрямленного напряжения выпрямителя (24) и напряжения бортовой сети U4 транспортного средства, т.к. выработанное пьезоэлементами электрические напряжение достигает сотен вольт. Выходные зажимы устройства согласования напряжения (25) электрически соединены с учетом полярности с зажимами бортовой аккумуляторной батареи (не показана). Данная аккумуляторная батарея заряжается от пьезоэлектрического генератора при движении транспортного средства.The field winding (6), placed on a plurality of magnetic poles (5), mounted on the inner surface of the steel frame (2) of the rim (4) of the wheel disk ("casting") (1), rotates with it. Moreover, this winding is laid on the magnetic poles (5) in such a way that when a direct current is supplied to it, it forms an electromagnetic field with alternating magnetic poles when moving around the inner circumference of the wheel disk. This field winding rotates together with the wheel disk and forms a rotating electromagnetic field. The magnetic flux of this field, passing through an air gap (not shown), crosses the three-phase copper winding (14) of the armature (11) (Fig. 3a, Fig. 7). In this winding, in accordance with the law of electromagnetic induction, an electromotive force (EMF) is induced, and, accordingly, an alternating electric voltage U2. This winding (14) is electrically, using the aforementioned copper wires (not shown), laid and fixed on the L-shaped arch (17), connected to the input of a three-phase bridge diode rectifier (24) installed in the vehicle body. With this rectifier (24), the supplied alternating voltage of the winding (14) U 2 is rectified to a constant voltage U 3 and then supplied to the voltage matching device (25). This device is necessary for matching the rectified voltage of the rectifier (24) and the voltage of the vehicle electrical system U 4 , since the voltage generated by the piezoelectric elements reaches hundreds of volts. The output terminals of the voltage matching device (25) are electrically connected, taking into account the polarity, to the terminals of the onboard battery (not shown). This battery is charged by a piezoelectric generator when the vehicle is moving.
Возможна также и прямая передача напряжения U1 и тока с вращающегося трехмерного пакетного пьезоэлемента на кузов посредством колец и щеток (не показано). Но тогда устройство согласования напряжений расположено в диске колеса. Тогда минус "-" соединен с диском, а плюс "+" передается на кузов с помощью кольца и щетки, т.е. узла, конструктивно подобному и установленному в большинстве синхронных генераторах, в которых ток в обмотку возбуждения поступает через контактные кольца и щетки. Очевидно, что число таких узлов равно числу колес. Щетки с течением времени стираются. Конструкция требует надежной изоляции. Поэтому надежность такого осуществления заявляемого изобретения гораздо ниже описанного.It is also possible to directly transmit voltage U 1 and current from a rotating three-dimensional packet piezoelectric element to the body by means of rings and brushes (not shown). But then the voltage matching device is located in the wheel disk. Then the minus “-” is connected to the disk, and the plus “+” is transmitted to the body using the ring and brush, i.e. node, structurally similar and installed in most synchronous generators, in which the current flows into the field winding through slip rings and brushes. Obviously, the number of such nodes is equal to the number of wheels. Brushes erase over time. The design requires reliable insulation. Therefore, the reliability of such an embodiment of the claimed invention is much lower than that described.
При движении транспортного средства шина, взаимодействуя с дорожным покрытием, нагревается. Находящийся на внутренней поверхности данной шины трехмерный пакетный пьезоэлемент также будет нагреваться, вырабатывая при этом электричество на основе пироэлектрического эффекта. Это приводит к повышению эффективности заявляемого пьезоэлектрического элемента при использовании для колесных электрических транспортных средств.When the vehicle moves, the tire heats up while interacting with the road surface. The three-dimensional packet piezoelectric element located on the inner surface of this tire will also heat up, generating electricity based on the pyroelectric effect. This leads to increased efficiency of the inventive piezoelectric element when used for wheeled electric vehicles.
Предложенный пьезоэлектрический элемент при использовании для колесных электрических транспортных средств используется как дополнительный источник электроэнергии, позволяя данному транспортному средству проехать большее расстояние от одной зарядки аккумуляторной батареи. Надежный долговечный электрический эластичный контакт частей трехмерного пакетного пьезоэлемента обеспечивается полосками недорогой электропроводной резины; эффективная выработка электроэнергии при деформации шин обеспечивается трехмерным пакетным пьезоэлементом, который позволяет преобразовывать практически любую деформацию - растяжение, сжатие и изгиб в электрический ток. Параллельное соединение частей трехмерного пакетного пьезоэлемента полосками недорогой электропроводной резины приводит к уменьшению внутреннего сопротивления данного пьезоэлектрического элемента, при этом уменьшаются и тепловые (Джоулевы) потери, а также увеличивается его надежность, т.к. при случайном проколе или порезе шины в процессе эксплуатации выйдет из строя только поврежденный участок трехмерного пакетного пьезоэлемента, остальные же его части продолжат нормально функционировать, вырабатывая максимально возможное количество электричества. Применение термоклея для фиксации частей трехмерного пакетного пьезоэлемента и соединяющих их полосок электропроводной резины вместе с диодными выпрямителями на внутренней поверхности шины, позволяет многократно переустанавливать данный пьезоэлемент с одной шины на другую в случае ее износа или заменять на другой, что повышает практичность заявляемого пьезоэлектрического элемента. Передача электроэнергии с вращающихся вместе с колесом пьезогенераторов и, соответственно, медной обмотки возбуждения на трехфазную медную обмотку, расположенную на цилиндрическом статоре, жестко закрепленном к кузову транспортного средства, электромагнитным (бесконтактным) путем обеспечивает большую надежность данного заявляемого пьезоэлектрического элемента. Размещение цилиндрического статора в защитном кожухе во внутреннем пространстве диска обеспечивает требуемую защиту самого статора и лобовых частей его обмотки от брызг воды и камней, вылетающих из под колес, а также эффективное его охлаждение потоком воздуха вращающегося колеса. Использование пьезоэлементов с пироэлектрическим эффектом обеспечивает высокую эффективность (КПД) данного пьезоэлектрического элемента.The proposed piezoelectric element when used for wheeled electric vehicles is used as an additional source of electricity, allowing this vehicle to travel a greater distance from a single battery charge. Reliable durable electrical elastic contact of the parts of a three-dimensional packet piezoelectric element is provided by strips of inexpensive conductive rubber; efficient power generation during tire deformation is provided by a three-dimensional packet piezoelectric element, which allows you to convert almost any deformation - tension, compression and bending into electric current. Parallel connection of parts of a three-dimensional packet piezoelectric element with strips of inexpensive conductive rubber leads to a decrease in the internal resistance of this piezoelectric element, while thermal (Joule) losses are also reduced, as well as its reliability increases, because in case of accidental puncture or cut of the tire during operation, only the damaged section of the three-dimensional packet piezoelectric element will fail, the rest of its parts will continue to function normally, generating the maximum possible amount of electricity. The use of hot-melt adhesive for fixing parts of a three-dimensional packet piezoelectric element and strips of electrically conductive rubber connecting them together with diode rectifiers on the inner surface of the tire allows you to repeatedly reinstall this piezoelectric element from one tire to another if it is worn or replace it with another, which increases the practicality of the inventive piezoelectric element. Electric power transmission from piezoelectric generators rotating together with the wheel and, accordingly, a copper field winding to a three-phase copper winding located on a cylindrical stator, rigidly fixed to the vehicle body, by electromagnetic (non-contact) means provides greater reliability of this inventive piezoelectric element. Placing a cylindrical stator in a protective casing in the inner space of the disk provides the required protection of the stator itself and the frontal parts of its winding against splashes of water and stones flying out from under the wheels, as well as its effective cooling by the air flow of the rotating wheel. The use of piezoelectric elements with a pyroelectric effect ensures high efficiency (Efficiency) of this piezoelectric element.
Так используют заявляемое изобретение.So use the claimed invention.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016141237A RU2643941C1 (en) | 2016-10-19 | 2016-10-19 | Piezo electric element for installation on flexible base structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016141237A RU2643941C1 (en) | 2016-10-19 | 2016-10-19 | Piezo electric element for installation on flexible base structure |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2643941C1 true RU2643941C1 (en) | 2018-02-06 |
Family
ID=61173842
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016141237A RU2643941C1 (en) | 2016-10-19 | 2016-10-19 | Piezo electric element for installation on flexible base structure |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2643941C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11452199B2 (en) | 2019-09-12 | 2022-09-20 | At&S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft | Electronic module with single or multiple components partially surrounded by a thermal decoupling gap |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7234519B2 (en) * | 2003-04-08 | 2007-06-26 | Halliburton Energy Services, Inc. | Flexible piezoelectric for downhole sensing, actuation and health monitoring |
| US20080086056A1 (en) * | 2003-08-25 | 2008-04-10 | Industrial Technology Research Institute | Micro ultrasonic transducers |
| RU2413336C2 (en) * | 2005-12-21 | 2011-02-27 | Еадс Дойчланд Гмбх | Packet piezoelement and piezoelectric drive with such packet piezoelement |
| RU2435161C2 (en) * | 2006-05-24 | 2011-11-27 | Эрбюс Операсьон (Сас) | Device for non-destructive check of structure by means of vibration analysis |
| RU2525718C2 (en) * | 2009-03-18 | 2014-08-20 | Бп Корпорейшн Норт Америка Инк. | Permanently installed linear grid of ultrasonic sensors with dry contacts |
| RU2570819C1 (en) * | 2014-10-22 | 2015-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ПОВЭРФУЛ" | Piezoelectric oscillator, method of its manufacturing and mobile device containing it |
-
2016
- 2016-10-19 RU RU2016141237A patent/RU2643941C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7234519B2 (en) * | 2003-04-08 | 2007-06-26 | Halliburton Energy Services, Inc. | Flexible piezoelectric for downhole sensing, actuation and health monitoring |
| US20080086056A1 (en) * | 2003-08-25 | 2008-04-10 | Industrial Technology Research Institute | Micro ultrasonic transducers |
| RU2413336C2 (en) * | 2005-12-21 | 2011-02-27 | Еадс Дойчланд Гмбх | Packet piezoelement and piezoelectric drive with such packet piezoelement |
| RU2435161C2 (en) * | 2006-05-24 | 2011-11-27 | Эрбюс Операсьон (Сас) | Device for non-destructive check of structure by means of vibration analysis |
| RU2525718C2 (en) * | 2009-03-18 | 2014-08-20 | Бп Корпорейшн Норт Америка Инк. | Permanently installed linear grid of ultrasonic sensors with dry contacts |
| RU2570819C1 (en) * | 2014-10-22 | 2015-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ПОВЭРФУЛ" | Piezoelectric oscillator, method of its manufacturing and mobile device containing it |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11452199B2 (en) | 2019-09-12 | 2022-09-20 | At&S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft | Electronic module with single or multiple components partially surrounded by a thermal decoupling gap |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7812508B2 (en) | Power harvesting from railway; apparatus, system and method | |
| US1352960A (en) | Wind-wheel electric generator | |
| US20060214535A1 (en) | Energy converter utilizing electrostatics | |
| US3226581A (en) | Generating system | |
| JP7056441B2 (en) | Rotating electric machine | |
| US20050073206A1 (en) | Bipolar machine | |
| JP2012126396A5 (en) | ||
| RU2643941C1 (en) | Piezo electric element for installation on flexible base structure | |
| JP7388071B2 (en) | wheel drive device | |
| CN113169602A (en) | Rotating electrical machine | |
| US20080084138A1 (en) | Apparatus For Piezoelectric Generation of Power To Propel An Automobile and Method of Making | |
| Makki et al. | Pneumatic tire-based piezoelectric power generation | |
| CN114667670A (en) | Method for manufacturing rotating electric machine | |
| KR100976345B1 (en) | Automatic power apparatus and electric vehicle having the same and driving method thereof | |
| US20190222142A1 (en) | Electromechanical transducer | |
| CN106877740A (en) | Combined type energy accumulator | |
| Makki et al. | Piezoelectric power generation in tires | |
| CN111030506A (en) | Highway vibration piezoelectricity, magnetoelectricity composite power generation device | |
| CN107819411A (en) | Passive pressure TRT based on piezoelectric rubber | |
| KR101799196B1 (en) | A self-powered tire using a thermoelectric element and the manufacturing method thereof | |
| KR101312565B1 (en) | System for charging battery | |
| CN102593190A (en) | Diode | |
| JP7081400B2 (en) | Rotating electric machine | |
| KR20110074067A (en) | Self-generating vehicle | |
| KR101670414B1 (en) | Energy wheel and apparatus of driving wheels with the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181020 |