ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к области электроэнергетики и является достаточно простым пьезокерамическим генератором напряжения, в котором используется принцип прямого пьезоэффекта.
Наиболее близким известным устройством того же назначения является изобретение для преобразования механической энергии в электрическую и связанное с изгибными колебаниями тонкостенных биморфных пластин (патент RU 2113757), которое принято за прототип.
В качестве недостатков данной модели, которые характерны для всех биморфных преобразователей, можно отметить:
1) Сложность преобразующего устройства, которое состоит из нескольких тонкостенных круглых пластин, закрепленных на жесткой подложке;
2) Большая чувствительность к внешним факторам не связанным с работой устройства, в частности, к вибрации и акустическому давлению;
3) Температурная нестабильность пьезокерамики, которая наиболее ярко проявляется в тонкостенных элементах и приводит к изменению параметров преобразования.
В заявляемой полезной модели данные недостатки отсутствуют за счет использования в качестве основного рабочего элемента полой толстой пьезокерамической пластины с аксиальной поляризацией материала, которая используется для генерирования электрической энергии.
Указанный технический результат достигается тем, что пьезоэлектрическое устройство, включающее статор, состоящим из неподвижного основания и жестко закрепленного пьезокерамического элемента, и ротор, включающим массивное цилиндрическое тело и систему роликов, особенностью является то, для генерирования электрической энергии используется толстая полая пьезокерамическая пластина. Ее деформирование осуществляется с помощью механической нагрузки действующей на ее торцевой поверхности.
На фиг.1, 2 изображена схема пьезоэлектрического устройства и его сечение по I-I, на которых принято следующее обозначение: 1 - неподвижное основание; 2 - толстая полая пьезокерамическая пластина; 3 - сплошные секционные электроды (8 штук на каждой торцевой поверхности пьезокерамического элемента); 4 - токосъемное устройство; 5 - ротор; 6 - система спаренных роликов из диэлектрического материала; 7 - крепление роликов; 8 - ось вращения ротора.
Предлагаемое пьезоэлектрическое устройство работает следующим образом. Вращение массивной части ротора (5) с угловой скоростью ω посредством внешней механической энергии (энергия ветра, пара, воды и т.д.) позволяет с помощью системы четырех спаренных роликов (6) создать нестационарные усилия на торцевой поверхности пьезокерамической пластины (2). В результате механических колебаний одна часть пьезокерамической пластины (2) испытывает сжатие, а другая - растяжение, т.е. на соответствующих областях ее торцевой поверхности появляются свободные электрические заряды разных знаков.
Принимая во внимание данный факт для эффективной работы преобразователя (2) на его торцевых поверхностях наносится сплошное электродное покрытие в виде восьми несвязанных между собой секторов (3) на каждой стороне. Кроме того, для уменьшения компенсации зарядов разных знаков в пределах каждого секционного электрода (3) конструкция спаренных роликов (6) в виде усеченных конусов подбирается таким образом, чтобы их расположение в середине электрода создавало во всей области сектора усилие сжатия. Данный эффект достигается за счет подбора размеров спаренных конусов, пьезокерамического кольца, а также скорости вращения и массы ротора.
Наличие свободных зарядов разных знаков на секционных электродах (3) и различное подключение их к токосъемному устройству (4) позволяет получать разнообразные уровни генерируемого электрического напряжения.
Основным недостатком пьезогенератора является наличие контактирующих поверхностей между рабочей частью пьезокерамического элемента и роликами, выполненными из диэлектрического материала. Для его устранения накладывается ограничение на скорость вращения ротора.