Електромеханічний пристрій перетворення кінетичної енергії в електричну

Реферат: Електромеханічний пристрій перетворення кінетичної енергії в електричну з лінійним електрогенератором містить корпус з натискною кришкою, в якому співвісно розміщені ротор і статор, з можливістю їх переміщення один відносно одного, при цьому ротор виконаний з суцільних неодимових магнітів, однакові кінці обмоток статора з'єднані між собою та виходять до електричного випрямляча, який випрямляє змінний струм та заряджає ємнісний нагромаджувач - іоністор, який через діод заряджає акумуляторну батарею, що через вимикач підключається до навантаження. Ротор електрогенератора виконано у вигляді ротора електричної машини з неодимовими магнітами, що обертається відносно своєї осі від дії рейки приводу електрогенератора, яка жорстко з'єднана з натискною кришкою. UA 121491 U (12) UA 121491 U UA 121491 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до електричних генераторів та може бути використана як пристрій для перетворення кінетичної та механічної енергії в електричну. Аналогом корисної моделі є пристрій для циклічного перетворення механічної енергії в електричну, що має корпус, в якому перетворювач енергії виконаний у вигляді колеса і складається з двох концентричних кілець (ободу та ступиці), множини п'єзоелементів, які періодично з деяким кроком розташовані між ними навколо осі та мають металізовані електроди, схеми випрямлення та накопичення заряду. П'єзоелементи відокремлені один від одного за рахунок їх розміщення в податливому середовищі (гумі, пластмасі тощо) з деяким кутовим кроком, жорстко механічно та електрично зв'язані з концентричними кільцями вставки та слугують її спицями. П'єзоелементи можуть виконуватися у вигляді циліндрів, секторів, трапецій, прямокутних пластин чи інших форм, а також у вигляді п'єзопакетів. Електроди п'єзоелементів сполучені з металізованими поверхнями кілець, а згенерований заряд збирається за допомогою щіткових колекторів [Патент України № 108314 МПК H02N 2/18, H01L 41/04, F03D 9/02; опубл. 10.04.2015 p.]. Описаний генератор призначений для використання в конструкції коліс транспортних засобів (електро- та гібридних автомобілів та інших видах рухомих об'єктів) для перетворення частини механічної енергії в електричну, а тому він не може бути використаний, наприклад, для перетворювання кінетичної енергії від кроків людей в електричну енергію. Окрім того, особливістю даного генератора є те, що заряд в ньому збирається за допомогою щіткових колекторів, а отже він має значну собівартість та невелику надійність. Відомим є лінійний електричний генератор (Патент України № 80505; заявл. 17.04.2013; опубл. 27.05.2013). У даному пристрої запропоновано перетворювання енергії води, зокрема хвиль або слабких та помірних вітрів у електричну енергію. Це досягається за рахунок створення умов для використання рідини, як елементу конструкції, що заповнює порожнину корпусу генератора. Завдяки тому, що рідина є практично такою, що не стискується, у пропонованому пристрої забезпечується рух у рідині статора і ротора у протилежних напрямках, не потребуючи для цього додаткових складних механізмів. Недоліками такого лінійного генератора є те, що він має достатньо великі ваго-габаритні показники, працює на спеціальній рідині, яка забезпечує рух статора і ротора, потребує спеціальне герметичне обладнання для забезпечення його роботи. Наявні недоліки унеможливлюють застосування лінійного генератора, як автономного та портативного пристрою для перетворювання кінетичної енергії кроків людей в електричну енергію. Відомим є пристрій перетворення потенціальної енергії в електричну (Патент України № 90927: заявл. 28.05.2008; опубл. 10.06.2010). Описаний пристрій перетворення потенціальної енергії в електричну містить тверде тіло, механізм його підняття та опускання, який механічно зв'язаний з ротором електрогенератора. Особливістю даного генератора є те, що тверде тіло виконане у вигляді залізобетонної плити, один кінець якої встановлений на фундаменті з можливістю повороту, а до іншого кінця плити, який оснащено механізмом підняття та опускання, прикріплена зубчата рейка, яка знаходиться в зчепленні із зубчатим колесом, яке, в свою чергу, зчеплене з механізмом обертання ротора електрогенератора, оснащеним стабілізатором швидкості обертів та обгінною муфтою. Недоліками такого пристрою є те, що він має значні ваго-габаритні показники, є стаціонарним і для його установки потрібне спеціальне обладнання та спеціально облаштоване місце. Крім того, сама конструкція пристрою має багато рухомих елементів, що значно ускладнює його конструкцію та знижує надійність. Найбільш близьким є пристрій генерування електричної енергії (Патент України № 106587; заявл. 30.11.2015; опубл. 25.04.2016). У цьому пристрої перетворення кінетичної енергії від натискання в електричну досягається за рахунок пристрою генерування електричної енергії з лінійним електрогенератором, що містить корпус, в якому співвісно розміщені ротор і статор, з можливістю їх відносного поступального переміщення у одній площині, при цьому статор виготовлений у вигляді обмотки, що охоплює ротор з групою постійних магнітів, а виводи статора призначені для підключення до них навантаження, згідно з винахідницьким задумом, ротор виконаний з суцільних неодимових магнітів, а як демпферні пружини використовуються плоскі неодимові магніти, що орієнтовані однаковими полюсами до полюсів ротора, однакові кінці обмоток статора з'єднані між собою та виходять до електричного випрямляча, який випрямляє змінний струм та заряджає ємнісний нагромаджувач - іоністор, який через діод заряджає акумуляторну батарею, що через вимикач підключається до навантаження, наприклад, зовнішнього світлодіодного освітлення. 1 UA 121491 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Недоліком є відносно мала ефективність, адже кількість згенерованої електричної енергії напряму залежить від швидкості переміщення ротора відносно статора. Привабливою простотою технічної реалізації і широкими можливостями характеризується електромеханічний пристрій перетворення кінетичної енергії в електричну, в якому кінетична енергія від кроків людей перетворюється в електричну і накопичується в ємнісних нагромаджувачах - іоністорах та акумуляторних батареях. При цьому перетворення енергії йде за рахунок використання електромашинного вузла, в якому енергія від натискання перетворюється в енергію обертання ротора електричної машини. Запропонований пристрій може бути використаний, як альтернативне та децентралізоване малопотужне джерело електричної енергії. В основу корисної моделі поставлено задачу розширення функціональних можливостей, а також підвищення ефективності процесу перетворення кінетичної енергії в електричну за рахунок вдосконалення конструкції та конструктивних особливостей устаткування пристрою генерування електричної енергії. А саме, конструктивних особливостей електромеханічного перетворювача енергії (електромашинного вузла) - основного складового елемента запропонованого пристрою, як автономного та альтернативного джерела живлення. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що електромеханічний пристрій перетворення кінетичної енергії в електричну з лінійним електрогенератором, що має корпус з натискною кришкою, в якому співвісно розміщені ротор і статор, з можливістю їх переміщення один відносно одного, при цьому ротор виконаний з суцільних неодимових магнітів, однакові кінці обмоток статора з'єднані між собою та виходять до електричного випрямляча, який випрямляє змінний струм та заряджає ємнісний нагромаджувач - іоністор, який через діод заряджає акумуляторну батарею, що через вимикач підключається до навантаження, згідно з винахідницьким задумом, ротор електрогенератора виконано у вигляді ротора електричної машини з неодимовими магнітами, що обертається відносно своєї осі від дії рейки приводу електрогенератора, яка жорстко з'єднана з натискною кришкою. Особливістю запропонованого пристрою перетворення кінетичної енергії в електричну (з лінійним електрогенератором) є те, що він має малі ваго-габаритні показники та може легко встановлюватися в місцях з великою кількістю пішоходів та щільністю людського потоку. При цьому процес перетворення кінетичної енергії в електричну буде більш ефективним, ніж у вищеперелічених пристроях. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг. 1-3 показано конструкцію та роботу електромеханічного пристрою перетворення кінетичної енергії в електричну. Запропонований електромеханічний пристрій перетворення кінетичної енергії в електричну має наступні конструктивні елементи: натискна кришка 1; рейка приводу електрогенератора 2; пружини 3; герметичне сполучення кришки з корпусом 4; корпус 5; електрична машина (електрогенератор) 6; шестірня приводу електрогенератора 7; робочий хід натискної кришки 8; електричний випрямляч 9; С - ємнісний нагромаджувач; VD - діод; GB - акумуляторна батарея; S - вимикач; Z - навантаження. Пристрій працює наступним чином. Коли людина наступає на електромеханічний пристрій перетворення кінетичної енергії в електричну, його натискна кришка 1, що з'єднана герметичним сполученням кришки з корпусом 4, починає рухатися вниз (фіг. 1, 2), тим самим переміщує рейку приводу електрогенератора 2, яка своїми зубцями зчеплена з шестірнею приводу електрогенератора 7. Рейка приводу електрогенератора 2 переміщується вниз на весь робочий хід натискної кришки 8, поки натискна кришка 1 не ляже на корпус 5, і тим самим обертає шестірню приводу електрогенератора 7, яка жорстко кріпиться на валу ротора електричної машини (електрогенератора) 6. Ротор електрогенератора виконано у вигляді ротора електричної машини з неодимовими магнітами, що обертається відносно своєї осі та наводить ЕРС в обмотках статора електричної машини (електрогенератора) 6. При зніманні ноги з електромеханічного пристрою перетворення кінетичної енергії в електричну пружини 3 повертають натискну кришку 1 в начальне положення, а ротор електрогенератора під дією рейки приводу електрогенератора 2 через шестірню приводу електрогенератора 7 починає обертатися в зворотному напрямку, що наводить ЕРС в обмотках статора з від'ємним значенням. Обмотки статора електрогенератора підключені до електричного випрямляча 9 (фіг. 3). При наведенні ЕРС по обмоткам починає протікати змінний електричний струм, після його випрямлення на електричному випрямлячі 9, він заряджає ємнісний нагромаджувач С - іоністор - та через діод VD акумуляторну батарею GB. Вимикач S вмикає електроживлення до навантаження Z. 2 UA 121491 U 5 Таким чином, запропонований електромеханічний пристрій перетворення кінетичної енергії в електричну дозволяє збільшити ефективність перетворення енергії від натискання в електричну за рахунок використання електромеханічного перетворювача енергії на базі електричної машини. При цьому габаритні показники пристрою залишаються такими ж, як і у прототипу. Запропонований пристрій генерування електричної енергії може бути використаний як альтернативне джерело електричної енергії у місцях з великою прохідністю людей. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 Електромеханічний пристрій перетворення кінетичної енергії в електричну з лінійним електрогенератором, що містить корпус з натискною кришкою, в якому співвісно розміщені ротор і статор, з можливістю їх переміщення один відносно одного, при цьому ротор виконаний з суцільних неодимових магнітів, однакові кінці обмоток статора з'єднані між собою та виходять до електричного випрямляча, який випрямляє змінний струм та заряджає ємнісний нагромаджувач - іоністор, який через діод заряджає акумуляторну батарею, що через вимикач підключається до навантаження, який відрізняється тим, що ротор електрогенератора виконано у вигляді ротора електричної машини з неодимовими магнітами, що обертається відносно своєї осі від дії рейки приводу електрогенератора, яка жорстко з'єднана з натискною кришкою. 3 UA 121491 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4