PL234703B1 - Urządzenie do odzyskiwania i konwertowania energii mechanicznej z drgań promieniowych wirnika lub wału maszyny na energię elektryczną - Google Patents

Abstract

Urządzenie w swojej budowie, zawiera piezoelektryczne kompozyty włókniste (typu MFC - ang. Micro Fiber Composite), które dzięki odkształceniom generują ładunki elektryczne (proste zjawisko piezoelektryczne). Odkształcenia elementów MFC (4), które są mocowane do piasty (1) poprzez złącza elastyczne (5), wymuszane są bezkontaktowo poprzez wzajemne oddziaływanie drgań wirnika (2) i konfiguracji elementów MFC (4) z magnesami trwałymi. Urządzenie zapewnia transfer energii mechanicznej drgań promieniowych wirnika (2) do elementów MFC (4) poprzez sprzężenie magnetyczne. W szczególności dwie konfiguracje rozmieszczenia neodymowych magnesów są cechą urządzenia. Pierwsza, wprowadza rozmieszczenie magnesów neodymowych na obwodzie wirnika (2) i przy elementach MFC (4). Zachodzi tutaj odkształcanie elementów MFC (4) powodowane siłami odpychania lub przyciągania się biegunów magnesów neodymowych. Druga, wprowadza rozmieszczenie magnesów neodymowych tylko przy elementach MFC (4). W tym przypadku, odkształcanie elementów MFC (4) powodowane jest siłami przyciągania magnesów neodymowych. Aby wzmocnić oddziaływanie drgań wirnika na odkształcenie elementów MFC (4), zastosowano magnesy neodymowe w dwóch różnych konfiguracjach tablic Halbacha. Funkcjonalność i wydajność urządzenia zależne są od budowy konstrukcyjnej, w tym modułowej konfiguracji układu MFC-wirnik, co jest znamienną cechą w/w urządzenia. Modułowa konstrukcja urządzenia zapewnia jego łatwą adaptację do różnych średnic wirników maszyn dzięki zastosowaniu dzielonej piasty (1) i możliwości regulacji średnicy d1 oraz zapewnia regulację szerokości szczeliny powietrznej pomiędzy elementami MFC a wirnikiem.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do odzyskiwania i konwertowania energii mechanicznej z drgań promieniowych wirnika lub wału maszyny na energię elektryczną.

Znane są rozwiązania układów do odzyskiwania energii z drgań promieniowych w maszynach wirnikowych w postaci stanowisk laboratoryjnych. W rozwiązaniach tych wykorzystuje się elementy piezoelektryczne (głównie ceramiczne) oraz elektromagnetyczne. Spośród znanych rozwiązań najbardziej zbliżone do rozwiązania zastosowanego w urządzeniu będącym przedmiotem wynalazku jest opisane w publikacji: Chan Ho Yang, i inni Design of Vibration Exciter, by using Permanent Magnets for Application to Piezoelectric Energy Harvesting” IEEE, 2012. W pracy tej, opisano stanowisko laboratoryjne do odzyskiwania energii z drgań promieniowych wirnika napędzanego silnikiem. Wirnik jest wyposażony w układ czterech magnesów stałych usytuowanych na jego obwodzie w naprzemiennej konfiguracji biegunowej SNSN. Magnesy te wirują razem z wirnikiem i oddziałują z nieruchomym magnesem (biegun N) dołączonym do elementu piezoelektrycznego ceramicznego. W ten sposób, element piezoelektryczny ceramiczny podlega odkształceniom i generuje ładunki elektryczne. Jednak opisywany układ odzyskiwania energii nie stanowi urządzania, a jedynie prototypowe stanowisko badawcze uniemożliwiające jego praktyczne zastosowanie. Co więcej, w stanowisku badawczym opisanym w pracy autorstwa Chan Ho Yang i innych, występuje tylko jeden element piezoelektryczny ceramiczny, a zastosowane magnesy stałe nie są zbudowane w konfiguracji Hallbacha. Dodatkowo nie jest to rozwiązanie modułowe, tzn. nie pozwala na pełną rekonfigurację elementów składowych i tym samym jest nieelastyczne. To znaczy, nie ma możliwości regulacji szczeliny powietrznej pomiędzy wirnikiem a elementem piezoelektrycznym oraz nie ma możliwości regulacji średnicy piasty. Uniemożliwia to zastosowanie tej koncepcji do maszyn wirnikowych. Dodatkowo, z uwagi, że w stanowisku badawczym opisanym w pracy autorstwa Chan Ho Yang i innych, zastosowano tylko jeden element piezoelektryczny oraz magnesy stałe bez konfiguracji Hallbacha, efektywność odzyskiwania energii elektrycznej z drgań promieniowych wirnika jest za mała aby była praktycznie użyteczna. Wyżej wymienione cechy potwierdzają, że istniejące rozwiązanie, w odróżnieniu od urządzenia będącego przedmiotem wynalazku, jest nieużyteczne i niemożliwe pod kątem zintegrowania w maszynie wirnikowej na etapie produkcji lub zastosowania na etapie jej eksploatacji.

Istotą wynalazku jest urządzenie do odzyskiwania i konwertowania energii z drgań promieniowych wirnika jako energii elektrycznej przenoszonej bezkontaktowo poprzez sprzężenie magnetyczne. Urządzenie to zawiera konfigurację co najmniej ośmiu elementów piezoelektrycznych MFC rozmieszczonych symetrycznie na obwodzie wewnętrznej obudowy piasty, których osie symetrii są równoległe do osi wzdłużnej wirnika.

Elementy MFC są wyposażone w neodymowe magnesy trwałe, które są w konfiguracji tablicy Hallbacha, i oddziałują z magnesami neodymowymi umieszczonymi symetrycznie na obwodzie wirnika w konfiguracji Hallbacha z przesunięciem kątowym równym a=45 stopni.

Urządzenie posiada konstrukcję modułową zapewniającą regulację szerokości szczeliny powietrznej xo pomiędzy magnesami elementów MFC a wirnikiem za pomocą mechanizmu regulacji.

Piasta z elementami MFC i magnesami neodymowymi jest dzielona i umożliwia montaż do różnych średnic wirnika bez konieczności jego demontażu oraz zapewnia regulację średnicy piasty d1 zapomocą mechanizmu regulacji. Transfer energii zachodzi bezkontaktowo poprzez sprzężenie magnetyczne pomiędzy wirnikiem a elementami piezoelektrycznymi MFC. Piezoelektryczne kompozyty włókniste (typu MFC - ang. Micro Fiber Composite), dzięki odkształceniom generują ładunki elektryczne (proste zjawisko piezoelektryczne). Aby wywołać i wzmocnić odkształcenia, elementy MFC są wyposażone w neodymowe magnesy trwałe, które są w konfiguracji tablicy Hallbacha i oddziałują z magnesami neodymowymi umieszczonymi symetrycznie na obwodzie wirnika w innej konfiguracji Hallbacha. Rozmieszczenie magnesów neodymowych na obwodzie wirnika jest zrealizowane z przesunięciem kątowym równym a=45 stopni. W efekcie energia mechaniczna drgań promieniowych wirującego wirnika/wału jest odbierana, zamieniania na energię elektryczną i magazynowana w postaci gotowej do użycia. Przeznaczenie tej energii może być dowolne. W przedmiotowym wynalazku, urządzenie może pełnić (oprócz funkcji odzyskiwania energii elektrycznej z drgań promieniowych wirnika/wału) dwie dodatkowe funkcje. Mianowicie, druga funkcja urządzenia polega na tłumieniu drgań wirnika/wału maszyny poprzez odbieranie energii mechanicznej drgań promieniowych. Trzecia funkcja urządzenia polega na zastosowaniu informacji z elementów MFC do bezkontaktowego pomiaru/monitorowania drgań maszyny wirnikowej, a po dodaniu modułu Wi-Fi, pozwala wykorzystać je jako samozasilający się układ

PL 234 703 B1 bezkontaktowego monitorowania stanu maszyny z bezprzewodową transmisją danych w czasie rzeczywistym.

Urządzenie według wynalazku zostało przedstawione na rysunkach, gdzie: fig. 1 przedstawia schemat urządzenia, fig. 2 przedstawia schemat budowy wirnika, zaś fig. 3 przedstawia konstrukcję modułową urządzenia. Na rysunku według fig. 1, przedstawiono schemat, na którym osiem elementów MFC 4 jest połączonych poprzez mocowania elastyczne 5 z obudową piasty 1. Magnesy neodymowe przytwierdzone do elementów MFC 4 są skonfigurowane w tablicach Hallbacha 3. Każda tablica Hallbacha 3 zawiera trzy magnesy neodymowe. Konfiguracja biegunów tablic Hallbacha 3 jest stała. Szerokość szczeliny powietrznej pomiędzy wirnikiem 2 a magnesami elementów MFC 4 jest oznaczona symbolem xo. Średnica wewnętrzna piasty 1 została oznaczona symbolem di.

Na rysunku według fig. 2 przedstawiono schemat budowy wirnika, na którym magnesy neodymowe w konfiguracji tablic Hallbacha 8 są rozmieszczone na obwodzie wirnika 2 z przesunięciem kątowym a=45 stopni. Każda tablica Hallbacha 8 zawiera trzy magnesy neodymowe. Konfiguracja biegunów tablic Hallbacha 8 jest naprzemienna tj: NSNSNSNS. Tablice magnesów neodymowych są przedzielone dystansem diamagnetycznym 7 i zamknięte/mocowane za pomocą diamagnetycznej obejmy 6.

Na rysunku według fig. 3, przedstawiono konstrukcję modułową urządzenia będącego przedmiotem wynalazku. Konstrukcja zapewnia regulację szerokości szczeliny powietrznej xo pomiędzy magnesami elementów MFC 4 a wirnikiem 2 za pomocą mechanizmu regulacji 9. Co pozwala na regulację wielkości tłumienia drgań promieniowych wirnika, a co za tym idzie pozwala także zwiększyć/zmniejszyć ilość odzyskiwanej energii. Dodatkowo w urządzeniu, piasta 1 z elementami MFC 4 i tablicami magnesów neodymowych 3 jest dzielona i umożliwia montaż do różnych średnic wirnika 2 bez konieczności jego demontażu oraz zapewnia regulację średnicy piasty di za pomocą mechanizmu regulacji 10.

Działanie urządzenia do odzyskiwania energii z drgań promieniowych wirnika/wału polega na zastosowaniu piezoelektrycznych elementów MFC, które dzięki odkształceniom generują ładunki elektryczne. Odkształcenia MFC powodowane są poprzez wzajemne oddziaływanie drgań wirnika i konfiguracji MFC z tablicami magnesów neodymowych. Urządzenie zapewnia bezkontaktowy transfer energii mechanicznej drgań promieniowych wirnika do elementów MFC poprzez sprzężenie magnetyczne pasywne. W szczególności dwie konfiguracje rozmieszczenia tablic magnesów neodymowych są cechą urządzenia. Pierwsza, wprowadza rozmieszczenie tablic magnesów neodymowych na obwodzie wirnika i przy elementach MFC. Zachodzi tutaj odkształcanie elementów MFC powodowane siłami odpychania lub przyciągania się biegunów tablic magnesów neodymowych. Druga, wprowadza rozmieszczenie tablic magnesów neodymowych tylko przy elementach MFC. W tym przypadku, odkształcanie elementów MFC powodowane jest siłami przyciągania tablic magnesów neodymowych. Aby wzmocnić oddziaływanie drgań promieniowych wirnika na elementy MFC, zastosowano magnesy neodymowe w dwóch różnych konfiguracjach tablic Hallbacha. Funkcjonalność i wydajność pracy urządzenia są zależne od jej budowy konstrukcyjnej, w tym konfiguracji układu elementów MFC-wirnik, co jest znamienną cechą w/w urządzenia. Mianowicie, konstrukcja urządzenia jest modułowa i zapewnia jego łatwą adaptację do różnych maszyn i urządzeń wirnikowych. Pozwala na regulację średnicy piasty, jak również regulację szerokości szczeliny powietrznej pomiędzy urządzeniem a wirnikiem. Dzięki temu urządzenie jest uniwersalne i umożliwia adaptację dla różnych maszyn wirnikowych.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do odzyskiwania i konwertowania energii mechanicznej z drgań promieniowych wirnika lub wału maszyny na energię elektryczną, przenoszoną bezkontaktowo poprzez sprzężenie magnetyczne, znamienne tym, że zawiera konfiguracje co najmniej ośmiu elementów piezoelektrycznych MFC (4) rozmieszczonych symetrycznie na obwodzie wewnętrznej obudowy piasty (1), których osie symetrii są równoległe do osi wzdłużnej wirnika (2).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że elementy MFC (4) wyposażone są w neodymowe magnesy trwałe, które są ułożone w konfiguracji tablicy Hallbacha (3), i oddziałują z magnesami neodymowymi umieszczonymi symetrycznie na obwodzie wirnika (2) w konfiguracji Hallbacha (8) z przesunięciem kątowym równym a=45 stopni.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że jego konstrukcja jest modułowa i zapewnia regulację szerokości szczeliny powietrznej xo pomiędzy magnesami elementów MFC (4) a wirnikiem (2) za pomocą mechanizmu regulacji (9).

   PL234 703B1
4. 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że jego konstrukcja jest modułowa i piasta (1) z elementami MFC (4) i magnesami neodymowymi (3) jest dzielona i umożliwia montaż do różnych średnic wirnika (2) bez konieczności jego demontażu oraz zapewnia regulację średnicy piasty di za pomocą mechanizmu regulacji (10).