ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к преобразователям энергии, работающим на основе применения пьезоэлементов, и может быть использована в качестве преобразователя энергии ветра, воды, пара, мускульной силы и др. в электрическое напряжение для различных потребителей.
Известно устройство, работающее на основе применения пьезокерамических материалов (патент РФ №2113757 класса 6 H02N 21/18, опубликованного 20.06.1998 г., бюллетень №6), прототип, содержащий, как и предлагаемое устройство, статор с закрепленными на нем пьезоэлементами и ротор, позволяющий деформировать эти пьезоэлементы, которые могут быть соединены, как последовательно, так и параллельно.
Недостатками прототипа является низкая надежность устройства, которая обусловлена тем, что пьезоэлементы, будучи хрупкими по физическим свойствам, подвержены переменным деформациям на изгиб, что приводит к усталости материала пьезоэлемента и его разрушению.
Увеличение мощности или напряжения на выходе такого преобразователя при ограниченных габаритах пьезодисков может быть получено только путем увеличения числа дисков, что в свою очередь приводит к необходимости увеличения усилия изгиба, а следовательно увеличения мощности механизма вращения ротора и снижению коэффициента преобразования по мощности.
Сущность полезной модели заключается в повышении надежности работы устройства за счет того, что для получения электрического напряжения на обкладках пьезоэлементов используется деформация сжатия, которые, в отличии от изгибных, не приводят к быстрой усталости и разрушению материала пьезоэлементов. Повышении коэффициента преобразования по мощности достигается за счет того, что по окружности диска якоря размещено четное число постоянных магнитов с поочередной сменой ориентации полюсов,
а все постоянные магниты, размещенные на свободных концах рычагов, число которых соответствует числу магнитов на диске якоря, ориентированы полюсами в одну сторону. В результате взаимодействия между магнитами, размещенными на свободных концах рычагов и якоре, в одной секции магниты притягиваются, в другой отталкиваются, что приводит к компенсации противоположно направленных тангенциальных составляющих сил, действующих на якорь, к уменьшению сил сопротивления вращению якоря - повышению коэффициента преобразования по мощности.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображено:
на фиг.1 изображен схематически пьезоэлектрический генератор переменного напряжения с дифференциальными рычажными элементами;
на фиг.2 и фиг.3 изображен схематически пьезоэлектрический генератор с симметричным двухсторонним расположением дифференциальных рычажных элементов.
Генератор (фиг.1) имеет ротор 1 в виде диамагнитного диска и закрепленных по окружности четным числом дисковых постоянных магнитов 2 с осевой намагниченностью, и ориентированных полюсами в разные стороны друг относительно друга с минимально возможным зазором между ними, статор 3 с закрепленными на пьезоэлементами 4, соосно с которыми с другой стороны рычажных элементов 5 размещены пьезоэлементы 6. Число рычажных элементов 5, размещенных симметрично на каждой стороне статора 3 равно числу дисковых постоянных магнитов 2 на роторе 1. Рычажные элементы 5 одним концом закреплены на осях 7 с опорными стойками 8, зажаты посредством опорных элементов 9 и установочных винтов 10 (с опорными кронштейнами 11) между двумя пьезоэлементами с выводами для снятия напряжения, генерируемого вследствие прямого пьезоэффекта. На свободных концах рычажных элементов 5 размещены дисковые постоянные магниты 12 с осевой намагниченностью, ориентированные полюсами в одну сторону.
Генератор работает следующим образом.
При вращении ротора 1, один из дисковых постоянных магнитов 2 ротора 1, в соответствии с ориентацией, будет втягиваться в пространство между дисковыми постоянными магнитами 12, другой (соседний) - выталкиваться. При этом одна пара рычажных элементов будет расталкиваться, подвергая сжатию пьезоэлементы 6, другая - стягиваться, подвергая сжатию пьезоэлементы 4, затем все поочередно меняется. Таким образом все пьезоэлементы 4 и 6 будут подвергаться циклическому сжатию, что приведет к появлению на их торцах разности потенциалов U. Соединив выводы пьезоэлементов последовательно или параллельно, получим на выходе высокое напряжение или ток, величина которых определяется числом пьезоэлементов 4 и 6, характеристиками дисковых постоянных магнитов 2 и 12, длиной плеч рычажных элементов 5. Выбранная ориентация полюсов дисковых постоянных магнитов 2 и 12, при их четном числе по окружности ротора 1 и статора 3 позволяет получить компенсацию тангенциальных сил притяжения и выталкивания, что приводит к уменьшению мощности, затрачиваемой на вращение ротора 1, т.е. к повышению коэффициента преобразования по мощности. Симметричная конструкция (фиг.2) позволяет снизить колебания сил, действующих на диск ротора 1 в осевом направлении, что снижает вибрацию ротора 1 и тем самым повышает надежность генератора.
Возможность осуществления полезной модели подтверждается макетированием преобразователя на основе пьезокерамических цилиндров диаметром ⌀ 5 мм, высотой h=4 мм и дисковых постоянных магнитов с осевой намагниченностью.