UA141654U

UA141654U - PLATFORM FOR CONVERSION OF KINETIC ENERGY FROM PRESSURE INTO ELECTRICITY

Info

Publication number: UA141654U
Application number: UAU201908772U
Authority: UA
Inventors: Андрій Вікторович Гнатов; Андрей Викторович Гнатов; Щасяна Валіковна Аргун; Олександр Андрійович Дзюбенко; Ганна Андріївна Гнатова; Дмитро Іванович Богдан
Original assignee: Харківський Національний Автомобільно-Дорожній Університет; Андрій Вікторович Гнатов; Андрей Викторович Гнатов
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2019-07-22
Publication date: 2020-04-27

Abstract

Пристрій для перетворення кінетичної енергії в електричну, що містить корпус з натискною кришкою, в якому співвісно розміщені ротор і статор електрогенератора, при цьому ротор виконано з неодимовими магнітами, який обертається відносно своєї осі під дією рейки приводу електрогенератора через циліндричний мультиплікатор, що підвищує кутову швидкість обертання, 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. Циліндричний мультиплікатор складається з прямозубих зубчатих коліс, що збільшують коефіцієнт передачі енергії від натискної кришки до двох електрогенераторів.Device for converting kinetic energy into electrical, comprising a housing with a pressure cap, in which coaxially placed rotor and stator of the generator, the rotor is made of neodymium magnets, which rotates relative to its axis under the action of the rail of the generator through a cylindrical multiplier that increases the speed rotation, the same ends of the stator windings are interconnected and go to an electric rectifier, which rectifies alternating current and charges a capacitive accumulator - an ionizer, which charges the battery through a diode, which is connected to the load through a switch. The cylindrical multiplier consists of spur gears that increase the energy transfer coefficient from the pressure cap to two generators.

Description

Корисна модель належить до альтернативних джерел електричної енергії та може бути використана як пристрій для перетворення кінетичної та механічної енергії в електричну.The utility model belongs to alternative sources of electrical energy and can be used as a device for converting kinetic and mechanical energy into electrical energy.

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 (обода 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 Мо 108314 на винахід, МПК НО2М 2/18, НОТІ 41/04, РОЗО 9/02; опубл. 10.04.2015 р.Ї. Описаний генератор призначений для використання в конструкції коліс транспортних засобів (електро- та гібридних автомобілів та інших видів 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 сказаного, особливістю даного генератора є те, що заряд в ньому збирається за допомогою щітково-колекторного вузла, а, отже, він вимагає постійного технічного обслуговування, має значну собівартість та невелику надійність.An analogue of a useful model is a device for cyclic conversion of mechanical energy into electrical energy, which has a body in which the energy converter is made in the form of a wheel and consists of two concentric rings (rim and hub), a set of piezo elements, which are periodically located between them with some step around the axis and have metallized electrodes, rectification circuits and charge accumulation. Piezo elements are separated from each other due to their placement in a pliable medium (rubber, plastic, etc.) with some angular step, rigidly mechanically and electrically connected to the concentric rings of the insert and serve as its spokes. Piezo elements can be made in the form of cylinders, sectors, trapezoids, rectangular plates or other shapes, as well as in the form of piezo packs. The electrodes of the piezo elements are connected to the metallized surfaces of the rings, and the generated charge is collected with the help of brush collectors (Patent of Ukraine Mo 108314 for the invention, IPK НО2М 2/18, NOTI 41/04, ROZO 9/02; publ. 04/10/2015 . The described generator is intended for use in the design of the wheels of vehicles (electric and hybrid cars and other types of moving objects) to convert part of the mechanical energy into electrical energy, and therefore it cannot be used, for example, to convert kinetic energy from people's steps In addition to what has been said, the peculiarity of this generator is that the charge in it is collected using a brush-collector unit, and therefore it requires constant maintenance, has a significant cost and low reliability.

Ще одним аналогом є патент України Мо 80505 Лінійний електричний генератор; заявник та патентовласник: Сидоренко Юрій Григорович, Бейлін Георгій Володимирович, Петренко СергійAnother analogue is the patent of Ukraine Mo 80505 Linear electric generator; applicant and patent owner: Yuriy Hryhorovych Sydorenko, Georgy Volodymyrovych Beilin, Serhii Petrenko

Юрійович. - Мо ц201304963; заявл. 17.04.2013; опубл. 27.05.2013. У даному патенті запропоновано перетворювання енергії води, зокрема хвиль або слабких та помірних вітрів у електричну енергію. Це досягається за рахунок створення умов для використання рідини, як елемента 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.Yuriyovych - MO ts201304963; statement 04/17/2013; published 05/27/2013. This patent proposes the conversion of water energy, in particular waves or weak and moderate winds, into electrical energy. This is achieved by creating conditions for the use of liquid as a structural element that fills the cavity of the generator body. Due to the fact that the liquid is practically incompressible, the proposed device ensures the movement of the stator and rotor in the liquid in opposite directions, without the need for additional complex mechanisms.

Зо 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 на спеціальне герметичне обладнання для забезпечення його роботи. Наявні недоліки унеможливлюють застосування цього лінійного генератора, як автономного та портативного пристрою для перетворювання кінетичної енергії кроків людей в електричну енергію.The disadvantages of such a linear generator are that it has sufficiently large weight and dimensions, works on a special liquid that ensures the movement of the stator and rotor, and requires special hermetic equipment to ensure its operation. The existing shortcomings make it impossible to use this linear generator as an autonomous and portable device for converting the kinetic energy of people's steps into electrical energy.

Ще одним аналогом є патент України Мо 90927 Пристрій перетворення потенціальної енергії в електричну: Філіпчук Степан Павлович, Філіпчук Сергій Сергійович. - Мо а200807346; 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.Another analogue is Ukrainian patent Mo 90927 Device for converting potential energy into electrical energy: Filipchuk Stepan Pavlovich, Filipchuk Serhii Serhiovych. - MO a200807346; statement 05/28/2008; published 10.06.2010. The described device for converting potential energy into electric energy contains a solid body, a mechanism for raising and lowering it, which is mechanically connected to the rotor of the electric generator. The peculiarity of this generator is that the solid body is made in the form of a reinforced concrete slab, one end of which is installed on a foundation with the possibility of rotation, and a rack is attached to the other end of the slab, which is equipped with a mechanism for raising and lowering, which is connected to a gear wheel. which, in turn, is connected to the generator rotor rotation mechanism, equipped with a speed stabilizer and an overrunning clutch.

Недоліками такого пристрою перетворення потенціальної енергії в електричну є те, що він має значні ваго-габаритні показники і є стаціонарним пристроєм, для установки якого потрібне спеціальне обладнання та спеціально облаштоване місце. Крім того, сама конструкція пристрою має багато рухомих елементів, що значно ускладнює його будову та знижує надійність.The disadvantages of such a device for converting potential energy into electrical energy are that it has significant weight and dimensions and is a stationary device that requires special equipment and a specially equipped place to install it. In addition, the design of the device itself has many moving elements, which significantly complicates its structure and reduces reliability.

Найбільш близьким за своєю суттю до запропонованого пристрою перетворення кінетичної енергії від натискання в електричну є патент України Мо 121490 Електромеханічний пристрій перетворення кінетичної енергії в електричну з мультиплікатором; заявник та патентовласникThe closest in essence to the proposed device for converting kinetic energy from pressing into electrical energy is Ukrainian patent Mo 121490 Electromechanical device for converting kinetic energy into electrical energy with a multiplier; applicant and patentee

Харківський нац. автом.-дорожн. ун.-т., Гнатов А.В. - Мо и201705464; заявл. 02.06.2017; опубл. 11.12.2017. У ньому запропоновано пристрій перетворення кінетичної енергії від натискання в електричну. Це досягається за рахунок конструктивного рішення, а саме, 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, бо який через діод заряджає акумуляторну батарею, що через вимикач підключається до навантаження, ротор електрогенератора виконано у вигляді ротора електричної машини з неодимовими магнітами. Ротор обертається відносно своєї осі під дією рейки приводу електрогенератора через мультиплікатор з циліндричними косозубими зубчатими колесами.Kharkiv National auto.-road University, A.V. Hnatov - MO and 201705464; statement 02.06.2017; published 11.12.2017. It proposes a device for converting kinetic energy from pressing into electrical energy. This is achieved due to a constructive solution, namely, an electromechanical device for converting kinetic energy into electrical energy with a linear electric generator, which has a housing with a pressure cover, in which the rotor and stator are coaxially placed, with the possibility of their movement relative to each other, while the rotor is made of solid neodymium magnets, the same ends of the stator windings are connected to each other and go to the electric rectifier, which straightens the alternating current and charges the capacitive accumulator - the ionistor, because it charges the battery through the diode, which is connected to the load through the switch, the rotor of the electric generator is made in the form of a rotor electric machine with neodymium magnets. The rotor rotates relative to its axis under the action of the electric generator drive rail through a multiplier with cylindrical helical gears.

Недоліком аналога є його відносно мала ефективність, що обумовлено використанням циліндричних косозубих коліс в мультиплікаторі При роботі косозубого колеса виникає механічна сила, спрямована уздовж осі, що призводить до необхідності застосування для установки вала спеціальних упорних підшипників. Також, збільшення площі тертя зубів (що викликає додаткові втрати потужності на нагрівання) необхідно компенсувати застосуванням спеціальної змазки. В цілому, косозубі колеса застосовуються в механізмах, що вимагають передачі великого крутного моменту на високих швидкостях, а в запропонованій конструкції корисної моделі, як швидкість обертання, так і момент, що розвивається будуть незначними.The disadvantage of the analogue is its relatively low efficiency, which is due to the use of cylindrical helical gears in the multiplier. During the operation of the helical gear, a mechanical force directed along the axis arises, which leads to the need to use special thrust bearings for installing the shaft. Also, the increase in the friction area of the teeth (which causes additional losses of heating power) must be compensated by the use of a special lubricant. In general, helical gears are used in mechanisms that require the transmission of a large torque at high speeds, and in the proposed design of a useful model, both the speed of rotation and the developing moment will be insignificant.

Отже, застосування циліндричних косозубих коліс в мультиплікаторі призведе лише до додаткових втрат потужності та ускладнення конструкції пристрою.Therefore, the use of cylindrical helical gears in the multiplier will only lead to additional power losses and complication of the device design.

Привабливою простотою технічної реалізації і широкими можливостями характеризується електромеханічний пристрій перетворення кінетичної енергії в електричну з мультиплікатором, що складається з прямозубих зубчатих коліс, в якому кінетична енергія від кроків людей перетворюється в електричну і накопичується в ємнісних нагромаджувачах - іоністорах та акумуляторних батареях. При цьому перетворення енергії відбувається за рахунок використання електромашинного вузла, в якому енергія від натискання перетворюється в енергію обертання ротора електричної машини через циліндричний мультиплікатор (механічний редуктор, що підвищує кутову швидкість обертання та побудований на базі прямозубих зубчатих коліс). Запропонований пристрій може бути використаний, як альтернативне та децентралізоване малопотужне джерело електричної енергії.An electromechanical device for converting kinetic energy into electrical energy with a multiplier consisting of spur gears, in which kinetic energy from people's steps is converted into electrical energy and stored in capacitive accumulators - ionistors and batteries, is characterized by attractive simplicity of technical implementation and wide possibilities. At the same time, the energy conversion occurs due to the use of an electric machine unit, in which the energy from pressing is transformed into the energy of rotation of the rotor of the electric machine through a cylindrical multiplier (a mechanical gearbox that increases the angular speed of rotation and is built on the basis of spur gears). The proposed device can be used as an alternative and decentralized low-power source of electrical energy.

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.The basis of the useful model is the task of expanding the functional capabilities, as well as increasing the efficiency of the process of converting kinetic energy into electrical energy due to the improvement of the design and design features of the equipment of the electrical energy generation device. Namely, the design features of the electromechanical energy converter (electric machine unit) - the main component of the proposed device, as an autonomous and alternative power source.

Зо Поставлена задача вирішується за рахунок того, що електромеханічний пристрій для перетворення кінетичної енергії в електричну, що має корпус з натискною кришкою, в якому співвісно розміщені ротор і статор електрогенератора, при цьому ротор виконано з неодимовими магнітами, який обертається відносно своєї осі під дією рейки приводу електрогенератора через циліндричний мультиплікатор, що підвищує кутову швидкість обертання, 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, циліндричний мультиплікатор складається з прямозубих зубчатих коліс, що збільшують коефіцієнт передачі енергії від натискної кришки до двох електрогенераторів.The problem is solved due to the fact that the electromechanical device for converting kinetic energy into electrical energy, which has a housing with a pressure cover, in which the rotor and the stator of the electric generator are placed coaxially, while the rotor is made with neodymium magnets, which rotates relative to its axis under the action of the rail to the electric generator drive through a cylindrical multiplier that increases the angular speed of rotation, the same ends of the stator windings are connected to each other and go to an electric rectifier, which straightens the alternating current and charges a capacitive accumulator - an ionistor, which, through a diode, charges a storage battery, which is connected through a switch to load, according to the inventive idea, the cylindrical multiplier consists of spur gears that increase the energy transfer coefficient from the pressure cover to the two electric generators.

Особливістю запропонованого пристрою перетворення кінетичної енергії в електричну 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, за рахунок використання циліндричного мультиплікатора з прямозубими зубчатими колесами. Суть запропонованої корисної моделі пояснюється схематичними кресленнями.A feature of the proposed device for converting kinetic energy into electrical energy is that it has small weight and dimensions and can be easily installed in places with a large number of pedestrians and a high density of human traffic. At the same time, the process of converting kinetic energy into electrical energy will be more efficient than in the above devices, due to the use of a cylindrical multiplier with spur gears. The essence of the proposed useful model is explained by schematic drawings.

На Фіг. 1-3 показано конструкцію та роботу платформи з мультиплікатором, що перетворює кінетичну енергію від натискання в електричну.In Fig. 1-3 shows the design and operation of a platform with a multiplier that converts kinetic energy from pressing into electrical energy.

Запропонована платформа, що перетворює кінетичну енергію від натискання в електричну з мультиплікатором має наступні конструктивні елементи (Фіг. 1): корпус 1; натискна кришка 2; напрямні 3; шатун повзунно-кривошипного приводу 4; пружини 5; мультиплікатор 6; привідне колесо кривошипно-шатунного приводу 7; електрогенератор 8; електричний випрямляч 9; С - ємнісний нагромаджувач; МО - діод; СВ - акумуляторна батарея; 5 - вимикач; 7 - навантаження.The proposed platform that converts kinetic energy from pressing into electrical energy with a multiplier has the following structural elements (Fig. 1): housing 1; pressure cap 2; guides 3; connecting rod of the slider-crank drive 4; springs 5; multiplier 6; drive wheel of the crank-rod drive 7; electric generator 8; electric rectifier 9; C - capacitive accumulator; MO - diode; SV - rechargeable battery; 5 - switch; 7 - load.

Пристрій працює наступним чином.The device works as follows.

Коли людина наступає на платформу з мультиплікатором, що перетворює кінетичну енергію від натискання в електричну, його натискна кришка 2, що з'єднана з корпусом 1 через напрямні 3, починає рухатися вниз під дією сили натискання та стискає пружини 5 (Фіг. 1-3), тим самим переміщує шатун повзунно-кривошипного приводу 4, який повертає кривошип 7 і передає обертальний момент до мультиплікатора б. Мультиплікатор б збільшує кутову швидкість 60 обертання ротора електрогенератора 8. Ротор електрогенератора виконано у вигляді ротора електричної машини з неодимовими магнітами, що обертається відносно своєї осі та наводитьWhen a person steps on a platform with a multiplier that converts kinetic energy from pressure into electrical energy, its pressure cover 2, which is connected to the body 1 through guides 3, begins to move down under the influence of the pressure force and compresses the springs 5 (Fig. 1-3 ), thereby moving the connecting rod of the slider-crank drive 4, which turns the crank 7 and transmits the torque to the multiplier b. Multiplier b increases the angular speed 60 of rotation of the rotor of the electric generator 8. The rotor of the electric generator is made in the form of a rotor of an electric machine with neodymium magnets, which rotates relative to its axis and guides

ЕРС в обмотках статора електрогенератора 8. При зніманні ноги з платформи, що перетворює кінетичну енергію від натискання в електричну з мультиплікатором, пружини 5 повертають натискну кришку 2 в початкове положення, а ротор електрогенератора, під дією шатуна повзунно-кривошипного приводу 4, який повертає кривошип 7, через мультиплікатор б, починає обертатися в зворотному напрямку, наводить ЕРС в обмотках статора з від'ємним значенням.EMF in the stator windings of the electric generator 8. When removing the foot from the platform, which converts the kinetic energy from pressing into electrical energy with a multiplier, the springs 5 return the pressure cover 2 to the initial position, and the rotor of the electric generator, under the action of the connecting rod of the slider-crank drive 4, which turns the crank 7, through the multiplier b, begins to rotate in the opposite direction, induces an emf in the stator windings with a negative value.

Обмотки статора електрогенератора підключені до електричного випрямляча 9 (Фіг. 3). При наведенні ЕРС по обмотках починає протікати змінний електричний струм, а після його випрямлення на електричному випрямлячі 9, він заряджає ємнісний нагромаджувач С - іоністор - та через діод МО - акумуляторну батарею СВ. Вимикач 5 вмикає електроживлення до навантаження 7.The stator windings of the electric generator are connected to the electric rectifier 9 (Fig. 3). When an EMF is applied to the windings, an alternating electric current begins to flow, and after its rectification on the electric rectifier 9, it charges the capacitive accumulator C - the ionistor - and through the diode MO - the storage battery SV. The switch 5 turns on the power supply to the load 7.

Таким чином, запропонована платформа з мультиплікатором, що перетворює кінетичну енергію від натискання в електричну, дозволяє збільшити ефективність перетворення енергії від натискання в електричну за рахунок використання електромеханічного перетворювача енергії на базі електричної машини, яка приводиться в дію через редуктор, що підвищую швидкість обертання - циліндричний мультиплікатор з прямозубими зубчатими колесами. При цьому габаритні показники пристрою залишаються такими ж, як і у аналога, а коефіцієнт передачі енергії від натискної кришки до двох електрогенераторів збільшується.Thus, the proposed platform with a multiplier that converts kinetic energy from pressing into electrical energy allows to increase the efficiency of converting energy from pressing into electrical energy due to the use of an electromechanical energy converter based on an electric machine, which is actuated through a reducer that increases the speed of rotation - a cylindrical multiplier with spur gears. At the same time, the overall parameters of the device remain the same as those of its counterpart, and the energy transfer coefficient from the pressure cap to the two electric generators increases.

Запропонований пристрій перетворення кінетичної енергії в електричну може бути використано, як альтернативне джерело електричної енергії, у місцях з великою прохідністю людей.The proposed device for converting kinetic energy into electrical energy can be used as an alternative source of electrical energy in places with high traffic.

Claims

FORMULA OF THE USEFUL MODEL A device for converting kinetic energy into electrical energy, containing a housing with a pressure cover, in which the rotor and stator of the electric generator are coaxially placed, while the rotor is made with neodymium magnets, which rotates relative to its axis under the action of the electric generator drive rail through a cylindrical multiplier, which increases the angular speed of rotation, the same ends of the stator windings are connected to each other and go to an electric rectifier, which rectifies the alternating current and charges a capacitive accumulator - an ionistor, which through a diode charges a storage battery, which is connected to a load through a switch, which differs in that that the cylindrical multiplier consists of spur gears that increase the energy transfer coefficient from the pressure cover to the two electric generators. І у Кк х х и Ш- ес s p o claim 5 s Z approx

Fig. 1 Ko i vs s : and Щ fig. 2

- pekkhnyukekrnnnnnia lo also and

The other day KV che and S sen MIV Her - Vo Vch: AND KO SHT sia TOO

OY ren MK shcha IY shen We and with NA K N ra Eh rogoootoo pope kyurosyuooyuyuostyuoyuh pet