БЛОК ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использована на железнодорожном транспорте в качестве источника тока.
Известен дисковый пьезоэлектрический генератор по патенту РФ на полезную модель №155155 (МПК H02N 2/18, опубл. 20.09.2015 г.), который содержит пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде плоской круглой биморфной секционированной пластины с кольцевым грузом 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.
Известен пьезоэлектрический генератор по патенту США US №5801475 (МПК H01L 41/08, опубл. 01.09.1998 г.), который содержит основание, на котором в трех ортогональных плоскостях консольно закреплены балочные пьезоэлементы, которые под действием внешних вибраций колеблются, вследствие чего на его обкладках благодаря прямому пьезоэффекту возникает переменная разность потенциалов. Пьезоэлектрический генератор по патенту США US №5801475 также содержит резистор, выпрямительный элемент, накопительный конденсатор и выходную регулирующую электронную цепь. Патент США US №5801475 является наиболее близким по технической сущности к описываемой полезной модели и взят за прототип.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в создании более компактного блока пьезоэлектрического источника энергии для объединения блоков в генераторе энергии.
Технический результат, получаемый при реализации заявляемой полезной модели, выражается в увеличении электрической мощности блока пьезогенератора при оптимальном объеме блока.
Для достижения вышеуказанного технического результата в блоке пьезоэлектрического источника энергии, содержащем основание, на котором в трех ортогональных плоскостях консольно закреплены балочные пьезоэлементы, основание выполнено в виде двух жестко соединенных между собой нижней и верхней секций, каждая из которых выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, причем размер квадратного основания нижней секции больше, чем размер квадратного основания верхней секции, секции соединены между собой трубой с квадратным профилем, в центре каждой секции выполнено отверстие, соединенное с внутренним пространством трубы, в соединительной трубе выполнено отверстие, на верхней поверхности верхней секции квадратного основания со смещением к углам закреплено горизонтально четыре верхних пьезоэлемента, причем угол между двумя соседними пьезоэлементами составляет 90°, на боковых гранях верхней секции со смещением к ребрам рядом с верхними пьезоэлементами закреплено четыре вертикальных пьезоэлемента с расположением пластин в направлении к нижней секции, на соединительной трубе закреплено четыре боковых пьезоэлемента, по одному на каждой из граней квадратного профиля соединительной трубы, причем пьезоэлементы сгруппированы по две пары одна под другой, с противоположно направленными пластинами, а угол между верхней и нижней парами пьезоэлементов составляет 90°.
В частном случае выполнения полезной модели выводы от вертикальных и горизонтальных пьезоэлементов выведены через центральное отверстие в верхней секции основания по внутреннему пространству соединительной трубы, выводы от боковых пьезоэлементов выведены через отверстие в соединительной трубе. В частном случае выполнения полезной модели пьезоэлементы после выпрямления переменного сигнала могут быть соединены между собой параллельно.
Отличительными признаками являются признаки увеличения количества пьезоэлементов, закрепление в трех ортогональных плоскостях и их оптимальная компоновка с использованием оригинального основания из двух соединенных между собой секций, что приводит к увеличению мощности, рассчитанной на единицу объема блока. Дополнительным результатом является возможность компактного расположения блоков при их объединении, с расположением нижних секций вплотную друг к другу. Таким образом, реализуется возможность изготовления более мощного генератора энергии, занимающего более малые объемы полезного пространства.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1 Общая схема блока.
Фиг. 2 Схема расположения верхних пьезоэлементов.
Фиг. 3 Схема расположения вертикальных пьезоэлементов.
Фиг. 4 Схема расположения боковых пьезоэлементов.
Фиг. 5 Массив из блоков пьезоэлементов.
Блок пьезоэлектрического источника энергии содержит основание 1, на котором в трех ортогональных плоскостях консольно закреплены балочные пьезоэлементы 2, 3, 4, всего 12 пьезоэлементов (фиг. 1). Основание 1 выполнено в виде двух жестко соединенных между собой нижней 5 и верхней 6 секций, каждая из которых выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием, причем размер квадратного основания нижней секции 5 больше, чем размер квадратного основания верхней секции 6. Нижняя 5 и верхняя 6 секции соединены между собой трубой 7. Труба 7 имеет сечение квадратного профиля. В центре верхней секции бив центре нижней секции 5 выполнены квадратные отверстия 8 и 9 соответственно, размер которых соответствует размеру внутреннего сечения соединительной трубы (фиг. 2). Отверстия 9 и 8 в нижней 5 и верхней 6 секциях соединены межу собой внутренним пространством трубы 7. На боковой грани соединительной трубы 7 выполнено отверстие 10 (фиг. 3). Отверстие 10 предпочтительнее выполнять ближе к нижней секции 5 основания 1. На верхней поверхности 11 верхней секции 6 квадратного основания со смещением к углам горизонтально закреплено четыре верхних пьезоэлемента 2, причем угол между двумя соседними пьезоэлементами составляет 90° (фиг. 2). На боковых гранях 12 верхней секции 6 со смещением к ребрам рядом с верхними пьезоэлементами закреплено четыре вертикальных пьезоэлемента 3 с расположением пластин в направлении к нижней секции (фиг. 3). На соединительной трубе 7 закреплено четыре боковых пьезоэлемента 4, по одному на каждой из граней 13 квадратного профиля соединительной трубы 7, причем пьезоэлементы сгруппированы по две пары одна под другой, с противоположно направленными пластинами, а угол между верхней и нижней парами пьезоэлементов составляет 90° (фиг. 4). Пьезоэлементы крепятся двумя винтами. Выводы 14 от вертикальных пьезоэлементов 3 и выводы 15 горизонтальных пьезоэлементов 2 выведены через центральное отверстие 8 в верхней секции основания по внутреннему пространству соединительной трубы 7 в отверстие 9 в нижней секции 5. Выводы 16 от боковых пьезоэлементов 4 выведены через отверстие 10 в соединительной трубе по внутреннему пространству соединительной трубы 7 в отверстие 9 в нижней секции 5. Каждый пьезоэлемент подключен к схеме выпрямления переменного сигнала, а затем все выводы соединяются параллельно. Блоки могут быть соединены в массив (фиг. 5).
Блок пьезоэлектрического источника энергии работает следующим образом. Нижняя секция 5 крепится на несущую поверхность, которая подвергается вибрации, с помощью четырех винтов. При вибрации, в результате прямого пьезоэффекта на выходе преобразователя возникает переменное напряжение, которое поступает на вывод пьезоэлемента и преобразуется в постоянное напряжение с помощью схемы выпрямления переменного сигнала, а затем подается на аккумулятор или напрямую используется в качестве источника питания в электроустройствах. Заявленное устройство преобразует в энергию, все колебания, за счет крепления пьезоэлементов в трех ортогональных направлениях. Таким образом, используется вибрации различных объектов в качестве источника энергии.