ПЬЕЗОГЕНЕРАТОР

Устройство относится к преобразователям энергии, работающим на основе применения пьезоэффекта и предназначено для использования в приборах.
В последние годы разработаны конструкции пьезонакопителей энергии окружающей среды для различных применений.
Известно пьезоэлектрическое устройство для преобразования энергии (патент на полезную модель RU №124459, МПК H02 №2/18, заявлен 07.08.2012 г.)
Данное устройство содержит статор, на котором закреплен пьезоэлемент. Пьезоэлемент имеет форму вращения. Ротор, на котором расположены ролики, которые деформируют пьезоэлемент.
Пьезоэлемент выполнен в виде жестко закрепленной основанием толстой полой пьезокерамической пластины. Пластина имеет сплошное секционное электродное покрытие на его торцевых поверхностях.
Недостатки: Дорогие пьезокерамические пластины используются неэффективно - работает только небольшая часть пластины. Кроме того, не проработана схема взаимодействия возникающих потоков энергии от вращения внешних роликов и роликов, расположенных в центре, причем при повышенной скорости вращения энергия будет образовываться меньше.
Известен пьезогенератор (описание изобретения к патенту RU №2264687, МПК H02 №2/18, заявлен 11.11.2003 г.)
С целью повышения удельной мощности пьезогенератора в известном устройстве, содержащем биморфное пьезоэлектрическое кольцо с электродами на главных поверхностях и ролики, соосно кольцу внутри устройства установлено второе биморфное пьезоэлектрическое кольцо с электродами на главных поверхностях, ролики размещены между кольцами, на торцах колец установлены сепараторы с вырезами, в которых размещены пружины. Ролики могут быть выполнены из пьезоэлектрического материала. Один электрод ролика располагается на боковой поверхности, второй выполнен в виде электропроводного стержня и размещен на оси вращения. Электроды роликов могут быть расположены на боковой поверхности вдоль и перпендикулярно оси вращения и соединены между собой схемой коммутации. Кроме этого, электроды могут размещаться на торцах роликов перпендикулярно их оси.
В предлагаемом устройстве генерирование электроэнергии возможно за счет вращения одного из колец. Вращение роликов при этом вызовут деформацию пьезоматериала обоих колец и самих роликов, следовательно, генерацию электрических зарядов и их съем для потребления.
Недостатки.
Главным недостатком этой конструкции является ее сложность, а, следовательно, ненадежность.
Наиболее близкий аналог - пьезоэлектрический генератор постоянного тока (описание изобретения к патенту RU №2113757, МПК H02 №2/18, заявлен 19.03.1993 г.)
В данном устройстве пьезоэлектрического генератора постоянного тока, в котором пьезоэлемент выполнен в виде плоского биморфного диска, закрепленного в центре диска и деформируемого в осевом направлении двумя установленными на роторе роликами через гибкую изолирующую прокладку. При этом достигаются существенное упрощение устройства, повышение технологичности, надежности и эффективности преобразования.
Так, при деформации в одном направлении плоского биморфного диска, пластины которого поляризованы, на электродах генерируются заряды, при этом па электродах в зонах сжатия пьезоматериала - потенциал одного знака, на электродах в зонах растяжения - другого. Зоны сжатия и растяжения находятся на разных сторонах диска пьезоэлемента, и поэтому заряды «+» и «-» разделены. Это позволяет снимать напряжение без контактных роликов, прямо с электродов пьезоэлемента. Для повышения надежности, уменьшения износа деформация пьезоэлемента нажимными роликами производится через гибкую прокладку, закрепленную по краю биморфного диска.
Эта прокладка может быть выполнена в виде мембраны, разделяющей зону привода деформирующих роликов и зону пьезоэлемента. При необходимости разделения зон, например, воздуха и вакуума, воздуха и воды прокладка будет выполнять функцию разделительной мембраны.
Преимущество плоского дискового элемента заключается еще и в том, что легко реализуется путем применения множества элементов для увеличения мощности, получения различных уровней напряжения и уменьшения синфазной составляющей постоянного напряжения. Это достигается путем установки двух и более биморфных дисковых элементов, закрепленных в центре соосно, с возможностью поворота в месте закрепления. При этом генерируемые напряжения в различных пьезоэлементах могут быть суммированы с противофазой по синфазной составляющей напряжения при повороте одного из элементов с последующим его закреплением.
Возникновение синфазной составляющей связано с погрешностями в пьезоматериале, поляризации, эксцентриситетом установки диска пьезоэлемента и деформирующих роликов.
В многоэлементном пьезоэлектрическом генераторе могут быть получены различные уровни напряжений путем соединения электродов пьезоэлементов в электрическую цепь последовательно и параллельно.
Недостатки: Сложность конструкции, большие габариты устройств, малая электрическая мощность генераторов, малая надежность из-за тонкослойного покрытия пьезоэлемента.
В предлагаемой авторами конструкции пьезоэлемент представляет собой трубу с закрепленными на внутренней стороне пьезоэлементами и контактами для снятия возникающей энергии. Отличающийся тем, что внутри трубы установлен вал с крестовиной, на которых установлены нажимные ролики, которые при вращении катятся по внутренней поверхности трубы, изготовленной из пьезоэлектрического материала. На внутренней поверхности трубы установлено несколько дорожек из цилидрических пьезоэлементов в поперечном сечении относительно оси трубы, а на валу установлено несколько крестовин с нажимными роликами, которые упираются в дорожки из пьезоэлементов.
Прижимные ролики имеют возможность при вращении крестовины давить на пьезоэлементы с регулируемым усилием.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.
На фиг.1 показан общий вид предлагаемого пьезогенератора, где обозначено: пьезоэлемент - 1, прижимные ролики - 2, крестовина - 3, труба, в которой размещены цилиндры из пьезоэлектрика - 4. каждый ролик 2 снабжен пружиной 5 для регулирования усилия давления на пьезоэлемент.
Генератор работает следующим образом. При вращении вала с крестовиной 3 прижимные ролики 2 деформируют поверхность пьезоэлемента 1. При постоянной угловой скорости вращения вала с крестовиной 3 прижимные ролики 2 в результате действия силы от сжатой пружины вызывают радиальную деформацию пьезоэлемента 1.
При радиальной деформации пьезоэлемента на его электродах, вследствие прямого пьезоэффекта (Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1984 - стр.598), возникают заряды, составляющие разности потенциалов на его внутренней и внешней цилиндрических поверхностях. Изменение во времени разности потенциалов определяется угловой скоростью вращения крестовины 3 и ее величина пропорциональна величине радиальной деформации пьезоэлемента 1.
Вследствие периодической деформации, возникающей в результате вращения вала с крестовиной 3, изменение величины разности потенциалов будет иметь переменный синусоидальный характер.
Следует также отметить, что при вращении вала с крестовиной 3 прижимные ролики 2, имеют возможность передвижения в радиальном направлении, благодаря использованию пружин 5 внутри крестовин к которым прикреплены ролики 3.
Для исключения потерь с пьезоэлемента 1 и токоведущих элементов в конструкции пьезогенератора предусмотрено применение диэлектрического изолятора.
Разработка встроенных источников питания является сложной технической задачей.
Предлагаемое устройство позволяет, как показали опыты, существенно упростить их конструкцию, а также повысить их мощность и надежность работы.