Генератор постоянного тока

Союз Советских Социалистических РеспубликОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 24,1177 (21) 2546859/18-25с присоединением заявки Йо(51)М. К . Н 01 Ь 41/10 Госуаарственный комитет СССР по Хелам изобретений н открытий(54) ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА Изобретение относится к приборостроению и может быть использованов цепях электропривода в качествевтОричного источника питания, а также, как источник питания электронныхприборов.Известны генераторы постоянноготока, содержащие магнитную систему,в поле которой вращается якорь,снабженный обмоткой 11Выход обмотки подключен к коллектору или выпрямителюлю,Выпрямление переменного сигналав известных генераторах сопряжено сискреннем на контактах и потерями всглаживающих Фильтрах, включаемыхна выходе генераторов.Известен генератор постоянноготока, содержащий основание, пьезоэлемент, механизм нагружения пьезоэлемента и нагруэку 21 .Целью изобретения является уменьшение пульсаций тока, повышениеудельной мощности и КПД, а также упрощение конструкции,Достигается это тем, что пьезоэлемент выполнен в виде биморфногопьеэокерамического кольца с электро.дами на главных поверхностях, закрепленного своэможностью вращения, ЗО а механизм нагружения содержит хотябы пару деформирующих роликов и пару контактных роликов, закрепленныхперпендикулярно к ним, причем ролики упруго закреплены на основаниии прижаты к электроду, сопротивление которого между деформирующейи контактной парой роликов по крайней мере в 10 раз больше сопротивления нагрузки, деформирующие ролики подключены к одному выводу нагрузки, контактирующие - к другому.На Фиг. 1 показан общий вид генератора постоянного тока, частичный разрез; на фиг, 2 дана эквивалентная электрическая схема генератора постоянного тока с подключеннойк нему нагрузкой.Источник постоянного тока состоитиэ биморфного пьвзокерамического кольца 1, которое закреплено в тонкомэластичном стакане 2, заклиненном навалу двигателя 3, К внутреннему электроду 4 кольца 1 прижата с постоянным усилием пружинами 5 пара деформирующих роликов 6, а пружинами 7 -пара контактных роликов 8. Пары роликов б и 8 электрически подсоединены к соответствующим выводам нагрузки 9 и 10. Ролики 6 н 8 посредством(7) ЗЗаявитель Киевский ордена Ленина политехнический институтим. 50-летия Великой Октябрьской социалистическойреволюциипружин 5 и 7 установлены на общемосновании 11 вместе с двигателем 3.На эквивалентной схеме генераторапостоянного тока эффективная емкость12 участка пьезоэлемента, находящегося под двформирующими роликами б, 5и динамическая емкость 13 соединеныпоследовательно относительно электрического генератора 14. Генератор 14эквивалентен ЭДС возбуждаемой пьезо"элементом на деформируемом участке. 10Эффективная емкость 15 и динамическая емкость 16 участка, находящегося под контактными роликами 8, подключены через сопротивление 17 к деФормированному участку .пьезоэлемента. 15Сопротивление 17 эквивалентно сопротивлению электрода 4 между роликами б и 8,К парам роликов б и 8 подключенывыводы нагрузки 9 и 10.Внешнее сопро 20тинление 17 пьезоэлемента выполненонизкоомнымГенератор постоянного токаработает следующим образом. Двигатель (например, электрическийили внутреннего сгорания) приводитпосредством стакана 2 во вращениепьезокерамическое кольцо относительнороликов б и 8, так что ролики б поочередно деформируют. участки кольца,которые затем поступают под контактныеролики 8. Деформированный участокпьезоэлектрически генерирует знакопостоянное напряжение (генератор 14),которое через динамическую емкость13 заряжает эффективную емкость 12и одновременно питает нагрузку черезследующую цепь: вывод 9, ролик б,емкость 13, сопротивление 17, емкость 16, ролик 8, вывод 10. По мерезаряда динамической емкости 13 участок уходит из-под деформирующих роликов 6 и его место под роликами бзанимает очередной участок со свободной от заряда динамической емкостью,описываемый той же эквивалентной схемой для деформированного участка семкостями 12 и 13 и генератором 14.В то же время на освободившемся уча"стке напряжение бывшего генератора14 становится равным нулю и большая 50динамическая емкость 13 перезаряжаетбывшую эффективную емкость 12 своимостаточным зарядом на обратный знак.На ранее деФормированном участкевозйикает распределение зарядов, 55соответствующее недеформированномуучастку кольца под контактными роликами 8, которое описывает эквивалент-,ная схема с емкостями,15 и 16, Контактные ролики 8 подключают емкости15 и 16 н цепь питания нагрузки так, 6 Очтобы их остаточный заряд разряжался через нагрузку в .направлении,определяемом генератором 14 деформированного участка. Таким образом, нто время, как емкость 13 заряжается,а емкости 15 и 16 разряжаются, темсамым уравновешивая ее дейстния, вцепи нагрузки течет постоянный ток.Для успешной работы генератора постоянного тока необходимо, чтобы сопротивление 17 между 1 оликами поэлектроду 4 было, по крайней мере,в 10 раз выше сопротивления нагрузки. В протинном случае паразитныетоки, протекающие через параллельноенагрузке сопротивление 17, значительно снизят КПД генератора постоян"ного тока. Электрод 4 выполняют,например, из пленки кремния (удельнов сопротивление 100 Ом,м) толщиной 0,1 мм на пьезокерамическом кольце диаметром 40 мм и шириной 15 мм.В этом случае сопротивление 17 равно250 кОм, а переходное сопротивлениеот ролика к керамике не больше 10 Ом.ЭФФективная емкость 12 пьезокерамического кольца, выполненная из ЦТС( С = 1700), равна 200 пф.Кольцо необходимо вращать с резо"нансной скоростью, т.е. с такой, прикоторой деформирующие ролики движутся по поверхности кольца со скоростьюраспространения н нем изгибных волн.Резонансную скорость п вращениявала двигателя 3 определяют по Формулеи:гС/Зл В,где 1 - толщина пьезокерамическогокольцаС - скорость знука в пьвзокерамико (для ЦТСс=310 м/С)В - радиус пьезокерамическогокольца. Например, при= 0,5 мм и Р == 40 мм резонансная скорость вращениявала ранна 350 об/с. На эддой скорости вся мощность двигателя 3 превращается н электрическую энергию. Максимально возможную мощность Р генера-тора постоянного тока рассчитываютпо формуле,.зсз.к и Э Ь а/Югде К = 0,1 - квадрат коэффициента электромеханическойсвязи пьезокерамики ЦТС врежиме изгиб"- ных деформациЬ = 1,5 см - ширина кольца 1Е0,610 Па - модуль ЮнгаоЮпьезокерамики 18 = 25 МПа - динамическаяпрочность пьезокерамики ЦТСДинамическая прочность пьезокерамики ЦТС- = 25 МПа подробно описа"на в книге Маэон У. Физическая аку"стика (часть 1 а,М., мир, 1966,с.306).Генератор упомянутых размеровразнивавт мощность 2 Вт.699590 Генератор постоянного тока можно использовать и на частотах вращения ниже резонансной. Тогда следует учитывать появление реактивной составляющей емкостного харак" тера в цепи нагрузки, что снижает 5 мощность генератора. В приведенном примере характеристическое сопротивление кольца равно 3 кОМ и при снижении частоты вращения до п 1 - 50 об/с последнее внесет расстрой" ку реактивного характера 2,4 кОм, что позволяет в режиме максимальной мощности, когда реактивная нагрузка равна активной, получить мощностьР = 1 Р/У 2 г = О, 2 бщ,15 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Генераторы постоянного токатипа КГ, М., МЭП СССР, 1955,2. Авторское свидетельство СССРМ 424266, Н 01 К 7/00, 22,09,1972,В генераторах постоянного тока,рассчитанных на мощности в десяткиватт, полезно увеличить количествопар деформирующих и контактных роликов с углом закрепления между ними,равным отношению длины полуволныиэгибных колебаний к радиусу кольца,Увеличение количества роликов повышает частоту иэгибных колебанийпьезоэлектрического кольца и, следовательно, снижаемую мощность. Кро-ме того, скорость вращения роторауменьшается пропорционально увеличению количества роликов, а это уменьшает инерционные силы во вращающейсячасти генератора постоянного тока.Пьеэокерамическое биморфное кольцовыполняют или из двух керамическихколец, вложенных дрчг в друга, иликерамического кольца и металличес- З 5кого (например, стального, толщинакоторого может в 2-3 раза превышатьтолщину керамического). В последнемслучае деформирующие ролики прижимают пьезоэлектрический слой к стальной опоре - кольцу, в результатечего пьвзослой генерирует заряд.Пьезокерамическое кольцо изготовляют, например, из шликера ЦТС литьемпод давлением с последующим обжигом. 45Электрод 4 наносят методом осажденияиэ газовой фазы в вакууме, а сопротивление 17 - вжиганием металлиэируощей пасты. Затем керамику поляризуют в поле 310" кВ/см при темпе"ратуре 130 С.В генераторе постоянного токаболее мощного исполнения электрод 4выполняют из силиконовой резины сметаллическим наполнителем, подобранным в таком количестве, чтобыпод прижимающим действием роликовсопротивление падало до нуля, а приуходе - восстанавливалось изолирующее состояние,Пружины 5 и 7 рассчитывают такимобразом, чтобы прижатие деформирующихроликов было в нашем случае силойЗН (О,ЗН), а контактных 0,5 Н. Поддействием результирующего деформирующего усилия (2,5 Н) радиус кольца в месте прижатия деформирующих роликов 6 увеличивается на 2 мм. Генератор постоянного тока может быть также выполнен с неподвижным ,пьезокерамическим кольцом и вращающей системой деформирующих и кон" тактных роликов, подсоединенных в этом случае к валу двигателя. В качестве двигателя может быть использован как электродвигатель, так и двигатель внутреннего сгорания турбины различного типа и др.Как показывают опыты, настоящий генератор постоянного тока обладает повышенной, не менее чем в 10 раэ, удельной мощностью, благодаря устра нению систем переключения (электрической и механической). Отсутствие сглаживающих фильтров повышает КПД устройства до 80, а устранение электрических и механических коммутаторов соответствующих токов и скоростей движений также упрощает их конструкцию.Приведенный в качестве примера генератор постоянного тока не дает пульсаций тока и развивает удельную мощность 60 вт/кг в режиме непрерывной работы, что, по крайней мере, в 4 раза выше, чем у известных генераторов. Формула и зобретени я Генератор постоянного тока, соэржащий основание пьезоэлемент, механизм пьезоэлемента и нагрузку, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения пульсаций тока, повышения удельной мощности и КПД, а также упрощения конструкции, пьезоэлемент выполнен в виде биморфного пьезокерамического кольца с электродами на главных поверхностях, закрепленного с воэможностью вращения, а механизм нагружения содержит, по крайней мере, пару деформирующих Ро" ликов и пару контактных роликов, закрепленных перпендикулярно к ним, причем, ролики упруго закреплены на основании и прижаты к электроду, сопротивление которого между деформирующей и контактной парами роликов, по крайней мере, в 10 раэ больше сопротивления нагрузки, деформирующие ролики подключены к одному выводу нагрузки, контактирующие - к другому.699590 1 б Редактор Е. ГончарЗаказ 7241/56 Сост авит ель В. Вав ерТехред Н.Бабурка Корректор Г. РешетникТираж 923 ПодписноеЦНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035 Москва ЖРаушская наб. д. 45Филиал ППП Патент, г, Ужгород, ул. Проектная,4