ВСТРОЕННЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ СВОБОДНОВРАЩАЮЩИХСЯ ИНЕРЦИОННЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ТЕЛ
BUILT-IN PIEZOELECTRIC ALTERNATING-CURRENT SOURCE FOR INERTIAL AXYSYMMETRICAL BODIES ROTATED CLEAR

Изобретение относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезоэлектрических материалов.
Изобретение может быть использовано в качестве источника переменного тока для внутренних потребителей свободновращающихся инерционных тел при проектировании космической и военной техники.
Аналогом большинства известных в настоящее время преобразователей является электромагнитный механизм.
Благодаря длительной истории развития и эксплуатации эти механизмы доведены до конструктивного совершенства. В то же время недостатки электромагнитных преобразователей известны: это относительно большая масса, использование дорогих дефицитных материалов, сложность устройства, содержащего катушку, магнит или обмотку возбуждения, зависимость генерируемого напряжения от скорости вращения ротора, наводки от искрения и электромагнитных полей и др.
Практика проектирования преобразователей показывает, что в настоящее время многие электромагнитные механизмы могут быть заменены твердотельными пьезокерамическими устройствами [1]. При этом удается существенно улучшить многие качественные показатели. Так, достигаются большая надежность, технологичность и на базе этого более низкая стоимость, высокий КПД преобразования.
Одним из таких устройств является пьезокерамический генератор постоянного тока, выбранный в качестве прототипа [2].
Этот генератор имеет цилиндрический тонкостенный 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.
При деформации роликами поляризованного в радиальном направлении пьезоэлемента на электродах, которыми являются металлизированные поверхности, возникают вследствие прямого пьезоэффекта заряды, которые передаются в виде напряжения потребителю через токосъемные ролики.
Недостатками прототипа являются:
- сложность конструкции;
- большие массогабаритные характеристики устройства;
- малая электрическая мощность генератора;
- сравнительно малая надежность вследствие того, что тонкослойное покрытие (электроды пьезоэлемента) подвержено быстрому износу катящимися нажимными и токосъемными роликами.
Техническим результатом, получаемым при внедрении изобретения, является устранение перечислимых недостатков прототипа, то есть уменьшение массогабаритных характеристик и упрощение конструкции устройства, и, как следствие этого, повышение надежности и электрической мощности пьезоэлектрического источника тока.
Данный технический результат достигают за счет того, что в известном пьезоэлектрическом источнике тока, содержащем статор, выполненный в виде тела вращения с закрепленным на нем пьезоэлементом с токоотводами, и ротор, выполненный в виде деформирующих пьезоэлемент грузов, образующих осесимметричное статору тело вращения, и изолирующую прокладку, расположенную между статором и ротором, пьезоэлемент выполнен в виде тонкостенного цилиндра, закрепленного на внутренней поверхности статора, при этом деформирующие пьезоэлемент грузы расположены внутри этого цилиндра.
Причем деформирующие пьезоэлемент грузы выполнены в форме призм с внешними радиальными основаниями, повторяющими внутреннюю поверхность тонкостенного цилиндра.
Внешнюю поверхность цилиндрического пьезоэлемента покрывают диэлектриком, а токоотводы прикрепляют к внешней и внутренней поверхности пьезоэлемента и выводят наружу через диэлектрическое покрытие.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 схематически представлено осесимметричное инерционное тело, вращающееся с угловой скоростью ω; на фиг.2 - схема генератора; на фиг.3 - схема источника тока по дополнительному пункту формулы изобретения.
Для пояснения сущности изобретения на фиг.1 схематически изображено осесимметричное инерционное тело, вращающееся с угловой скоростью ω. Характер вращательного движения инерционного тела усложнен возникающими в процессе вращения явлениями прецессии и нутации.
Генератор (фиг.2) состоит из цилиндрического тонкостенного пьезоэлемента 1, закрепленного на внутренней поверхности корпуса (статор) 2, выполненного в виде тела вращения, и ротора 3, выполненного в виде деформирующих пьезоэлемент 1 грузов и расположенных внутри пьезоэлемента 1, образующих при этом осесимметричное статору 2 тело вращения. Деформирующие грузы (ротор) 3 имеют форму призм с внешним радиальным основанием, повторяющим сопрягаемую радиальную форму внутренней поверхности пьезоэлемента. Форма грузов 3 позволяет достигать равномерного нагружения пьезоэлемента при возникновении центробежных ускорений.
Грузы 3 между собой механически не связаны и могут перемещаться в радиальном направлении относительно продольной оси корпуса (статора) 2 в пределах линейной радиальной деформации пьезоэлемента 1.
Между корпусом (статором) 2 и ротором 3 расположена изолирующая прокладка (не показана).
Для электрической изоляции и возможности отбора напряжения на внутренней и внешней цилиндрических поверхностях пьезоэлемента 1 монтируются электроды 4 с прикрепленными проводниками-токоотводами 5 и устанавливается внешний диэлектрик 6 (фиг.3).
Генератор работает следующим образом.
Ц
Р
При вращении корпуса инерционного тела (статора) (вид А-А на фиг.1) относительно продольной оси с собственной угловой скоростью ω, возникает сила центробежного ускорения F, с которой деформирующие грузы (ротор) 3 воздействуют на внутреннюю цилиндрическую поверхность пьезоэлемента 1. На внешнюю цилиндрическую поверхность пьезоэлемента 1 действует сила реакции F корпуса (статора) 2. При постоянной угловой скорости вращения корпуса (статора) 2 возникающая в результате общая равнодействующая сила вызывает радиальную деформацию пьезоэлемента 1. При радиальной деформации пьезоэлемента на его электродах, вследствие прямого пьезоэффекта, возникают заряды, образующие разности потенциалов на его внутренней и внешней цилиндрических поверхностях. Разность потенциалов определяется угловой скоростью вращения корпуса (ротора) и, как следствие, пропорциональна величине радиальной деформации пьезоэлемента. Вследствие нутации, возникающей в результате вращения корпуса (ротора) 2, изменение величины разности потенциалов будет иметь переменный синусоидальный характер. Для исключения электрических потерь пьезоэлемента и токоведущих элементов в конструкции генератора предусмотрено применение диэлектрического изолятора.
Данный источник питания позволяет достичь поставленный технический результат и применить разработанный источник для свободновращающихся инерционных тел.
Источники информации
1. Ерофеев А.А. и др. Пьезоэлектрические трансформаторы и их применение в радиоэлектронике. - М., 1988, с.10-12, рис.1.1.2.ж. SU 320839 A, 17.02.1972. JP 51-31155 A, 04.09.1976. JP 51-43756 A, 24.11.1976.
2. Самойлов Валерий Михайлович; Черняев Виктор Николаевич. Пьезоэлектрический генератор постоянного тока. - М. 1993.03.19. Патент Российской Федерации RU 2113757 - прототип.
3. Козлов В.И. Конструкции ВУ. ЦНИИНТИ, 1983.
4. Гольдин А.С. Вибрация роторных машин. - М.: Машиностроение, 1999. - 344 с.