Биморфный пьезоэлектрический генератор

Пьезоэлектрический генератор относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использовано в любой области техники в качестве источника тока. Генератор содержит пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде плоской круглой биморфной секционированной пластины с грузом в центре для снижения частоты собственного резонанса и состоящей из набора поляризованных плоских пьезоэлементов, объединенных в секции. Пьезоэлементы внутри каждой секции, а также секции между собой электрически соединяются последовательно, либо параллельно. Генератор содержит резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор, схему, управляющую зарядом конденсатора и аккумулятор. Весь преобразователь помещен в плоский прочный корпус, который крепится к объектам, подверженным вибрации, и генератор вырабатывает электрическую энергию за счет энергии вибрации объекта, к которому он прикреплен. Достигаемый технический результат - увеличение мощности пьезоэлектрического генератора.

Полезная модель относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использован в любой области техники в качестве источника тока.

Известен пьезоэлектрический генератор постоянного тока, например RU 2113757, содержащий пьезоэлемент, выполненный в виде плоского биморфного диска, закрепленного в центре диска, и деформируемого в осевом направлении двумя установленными на роторе роликами через гибкую изолирующую прокладку. Пьезоэлемент может содержать множество пьезокерамических дисков для увеличения мощности. При вращении ротора от внешнего источника механической энергии ролики, которые установлены относительно дисковых элементов таким образом, что обеспечивается их деформация, прокатываются по прокладке, деформируя пьезоэлементы. При деформации пьезоэлементов на электродах вследствие прямого пьезоэффекта возникают заряды, при этом на внешних электродах пьезоэлемента - заряды противоположного знака, которые составляют разности потенциалов.

При вращении ротора и круговой деформации пьезоэлемента на электродах возникает постоянная разность потенциалов, соответствующая величине деформации.

К недостаткам этого генератора относится то, что он приводится во вращение внешним источником энергии, например ветра или воды, т.е. требует дополнительного устройства преобразования энергии. Кроме того, в силу своей конструкции он ограничен размерами пьезоэлемента, и, следовательно, генерируемая энергия также ограничена. Отсутствует накопитель электрической энергии.

Известен также пьезоэлектрический генератор, например US 5801475, содержащий консольно закрепленный биморфный пьезоэлемент, который под действием внешних вибраций колеблется, вследствие чего на его обкладках благодаря прямому пьезоэффекту возникает переменная разность потенциалов, резистор, выпрямительный элемент, накопительный конденсатор и выходную регулирующую электронную цепь.

Рассмотренное решение наиболее близко по совокупности существенных признаков к предлагаемому решению.

К недостаткам этого генератора относятся его малые размеры и консольное закрепление пьезоэлемента, как следствие, малая выходная мощность и повышенная хрупкость. Эти недостатки ограничивают использование такого генератора лишь устройствами микроэлектроники.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является увеличение электрической мощности пьезогенератора, а также использование даровой энергии вибрации различных промышленных, строительных, дорожных и бытовых конструкций.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемая полезная модель так же, как и известный пьезоэлектрический генератор, содержит биморфный пьезоэлектрический преобразователь, параллельно которому включен резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор и выходную регулирующую электронную цепь. Но, в отличие от известного, в предлагаемом генераторе пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде дискового плоского биморфного секционированного преобразователя, снабженного грузом для снижения частоты собственного резонанса, размещенного в прочном жестком корпусе, причем секции преобразователя электрически соединены друг с другом, а каждая секция состоит из одного или более пьезоэлементов, склеенных друг с другом и электрически соединенных друг с другом.

Достигаемым техническим результатом является увеличение мощности пьезоэлектрического генератора.

Совокупность признаков, сформулированных в п. 2 формулы полезной модели, характеризует пьезоэлектрический генератор, в котором преобразователи в каждой секции соединены последовательно.

Достигаемым техническим результатом является увеличение выходного напряжения пьезоэлектрического генератора и снижение собственной электрической емкости генератора.

Совокупность признаков, сформулированных в п. 3 формулы полезной модели, характеризует пьезоэлектрический генератор в котором преобразователи в каждой секции соединены параллельно.

Достигаемым техническим результатом является увеличение электрического заряда, вырабатываемого пьезоэлектрическим генератором.

Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:

на фиг. 1 показана схема пьезоэлектрического генератора;

на фиг. 2 изображен схематически пример выполнения составной части пьезоэлектрического генератора - биморфного преобразователя;

Пьезоэлектрический генератор (фиг. 1) имеет биморфный пьезопреобразователь 1, резистор 2, выпрямитель 3, накопительный конденсатор 4, схему, управляющую зарядом аккумулятора 5 и аккумулятор 6.

Пьезоэлектрический преобразователь (фиг. 2) выполнен в виде плоской биморфной круглой секционированной пластины, зажатой по периметру, состоящей из набора плоских прямоугольных пьезоэлементов, объединенных в секции 7-14. Пьезоэлементы внутри каждой секции, а также секции между собой электрически соединяются последовательно, либо параллельно, в зависимости от того, какое напряжение и какую мощность требуется получить от преобразователя. В приведенном примере выполнения преобразователя (фиг. 2) верхняя часть состоит из восьми секций 7-14 по три элементов в каждой, соединенных последовательно. Все секции соединены параллельно. Аналогичное устройство имеет нижняя часть, которая также состоит из шести секций по три элементов в каждой. К электродам верхней и нижней частей припаяны выводы 15, 16, с которых снимается переменное напряжение и поступает дальше на выпрямитель. Верхняя и нижняя части наклеены на базовую металлическую упругую круглую пластину 17. Для снижения собственной частоты преобразователь снабжен грузом 18, закрепленным в центре пластины.

Преобразователь в целом опирается на пластину 19, плотно закрепленную на колеблющейся поверхности. Таким образом преобразователь может выдерживать без разрушения большие статические и динамические нагрузки.

Выходное напряжение преобразователя через согласующий резистор 2 поступает на вход выпрямителя 3, а затем выпрямленное напряжение поступает на вход накопительного конденсатора 4. После накопительного конденсатора через электронную схему регулирования 5 напряжение поступает на вход аккумулятора 6.

Указанные признаки полезной модели являются существенными, т.е. влияющими непосредственно на результат, который может быть получен при осуществлении изобретения.

Генератор работает следующим образом.

Биморфный преобразователь 1 прикрепляется к вибрирующему элементу строительной, промышленной, бытовой или дорожной конструкции, например к полу, либо к дорожному или к железнодорожному полотну. В этом случае преобразователь может колебаться на частоте основного изгибного резонанса под действием внешней возбуждающей силы f. Амплитуда переменного напряжения на выходе преобразователя в таком случае максимальна. Преобразователь может также колебаться на частоте вибрирующего элемента, которая может не совпадать с частотой резонанса преобразователя. В этом случае на выходе преобразователя вырабатывается несколько меньшее напряжение. При вибрации в результате прямого пьезоэффекта на выходе преобразователя возникает переменное напряжение, которое поступает на резистор 2, а затем на выпрямитель 3. После выпрямления электрический заряд накапливается на накопительном конденсаторе 4, затем поступает на схему 5, управляющую зарядом аккумулятора. Энергия заряженного аккумулятора используется потребителем. Таким образом, используется даровая энергия вибрации различных объектов.

Достигаемый технический результат - увеличение мощности пьезоэлектрического генератора.

1. Биморфный пьезоэлектрический генератор, содержащий пьезоэлектрический преобразователь, параллельно которому включен резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор и аккумулятор с регулятором зарядного тока, отличающийся тем, что пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде плоского круглого секционированного биморфного преобразователя с грузом в центре, секции которого электрически соединены друг с другом, а каждая секция состоит из одного или более пьезоэлементов, склеенных друг с другом и электрически соединенных друг с другом, причем весь преобразователь размещен в прочном плоском корпусе.

2. Пьезоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что преобразователи в каждой секции соединены последовательно.

3. Пьезоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что преобразователи в каждой секции соединены параллельно.

РИСУНКИ