Балочный пьезоэлектрический генератор

Полезная модель относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использована в любой области техники в качестве источника тока.
Известен пьезоэлектрический генератор, например US 5801475, содержащий консольно закрепленный биморфный пьезопреобразователь, который под действием внешних вибраций колеблется, вследствие чего на его обкладках благодаря прямому пьезоэффекту возникает переменная разность потенциалов; резистор; выпрямительный элемент; накопительный конденсатор и выходную регулирующую электронную цепь.
К недостаткам этого генератора относятся его малые размеры, как следствие, малая выходная мощность. Этот недостаток ограничивают использование такого генератора лишь устройствами микроэлектроники.
Известен также пьезоэлектрический генератор, например US 7649305 В2, содержащий набор разноразмерных консольно закрепленных биморфных пьезопреобразователей, ортогонально расположенных друг к другу, которые под действием внешних вибраций колеблются, вследствие чего на их обкладках благодаря прямому пьезоэффекту возникает переменная разность потенциалов. Пьезогенератор содержит выпрямительные элементы, схему преобразования сигналов и накопительную батарею.
Рассмотренное решение наиболее близко по совокупности существенных признаков к предлагаемому решению.
Недостатком этого генератора является консольное закрепление пьезоэлементов, как следствие, малая выходная мощность и повышенная хрупкость. Эти недостатки ограничивают использование такого генератора лишь устройствами микроэлектроники.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является увеличение электрической мощности пьезогенератора, а также использование даровой энергии вибрации различных промышленных, строительных, дорожных и бытовых конструкций.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемая полезная модель так же, как и известный пьезоэлектрический генератор, содержит набор биморфных пьезоэлектрических преобразователей, включенных в цепь, содержащую: резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор и выходную регулирующую электронную цепь. Также, как и в известном, в предлагаемом генераторе балочный пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде набора разноразмерных плоских биморфных преобразователей, снабженных грузом для снижения частоты собственного резонанса, размещенных в прочном жестком корпусе, причем биморфные преобразователи электрически соединены друг с другом, а каждый из них состоит из одного или более пьезоэлементов, склеенных друг с другом и электрически соединенных друг с другом.
В отличие от известного, в предлагаемом решении биморфные пьезопреобразователи закреплены под углом друг к другу веером, при этом в качестве груза на основании веера размещен постоянный магнит, входящий при внешних вибрациях во взаимодействие с другим постоянным магнитом, расположенном неподвижно на некотором расстоянии от него. Приведенное техническое решение доказывает технический результат, а именно - увеличение мощности балочного пьезоэлектрического генератора, поскольку помимо колебаний изгиба, действующих на пьезоэлементы при вибрации, за счет изменения величины магнитного поля, пьезоэлементы будут подвержены деформациям растяжения-сжатия.
Совокупность признаков, сформулированных в п. 2 формулы полезной модели, характеризует балочный пьезоэлектрический генератор, в котором биморфные пьезопреобразователи соединены последовательно.
Достигаемым техническим результатом является увеличение выходного напряжения балочного пьезоэлектрического генератора и снижение собственной электрической емкости генератора.
Совокупность признаков, сформулированных в п. 3 формулы полезной модели, характеризует балочный пьезоэлектрический генератор, в котором биморфные пьезопреобразователи соединены параллельно.
Достигаемым техническим результатом является увеличение электрического заряда, вырабатываемого балочным пьезоэлектрическим генератором.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
на фиг. 1 показана схема балочного пьезоэлектрического генератора;
на фиг. 2 изображен схематически пример выполнения составной части балочного пьезоэлектрического генератора - биморфного пьезопреобразователя;
на фиг. 3 представлена схема пьезопреобразователя в сборе из биморфных пьезопреобразователей.
Балочный пьезоэлектрический генератор (фиг. 1) имеет пьезопреобразователь 1, резистор 2, выпрямитель 3, накопительный конденсатор 4, схему, управляющую зарядом аккумулятора 5 и аккумулятор 6.
Биморфный пьезопреобразователь (фиг. 2) выполнен в виде плоской пластины, состоящей из расположенных на упругой основе 1 набора плоских пьезоэлементов 2, объединенных в секции при помощи склейки или пайки. Пьезоэлементы внутри каждой секции, а также секции между собой электрически соединяются последовательно, либо параллельно, в зависимости от того, какое напряжение и какую мощность требуется получить от преобразователя. К электродам пьезоэлементов припаяны выводы 3, 4, с которых снимается переменное напряжение и через согласующую RL-цепь, подбираемую в зависимости от размеров, массы и свойств пьезоэлементов, поступает дальше на выпрямитель. Из биморфных пьезопреобразователей (фиг. 2) собирается пьезопреобразователь генератора. В приведенном на фиг. 3 примере выполнения пьезопреобразователь состоит из тринадцати биморфных пьезоэлектрических преобразователей, соединенных последовательно. Все секции соединены параллельно. Для снижения собственной частоты свободные концы биморфных пьезопреобразователей (фиг. 3) снабжены грузом 2, сделанном из постоянного магнита. Второй постоянный магнит 3 (фиг. 3), расположенный рядом с 2, служит для создания деформаций растяжения-сжатия при осуществлении колебаний пьезопреобразователя. Преобразователь находится в прочном корпусе 4 и плотно закреплен на колеблющейся за счет внешних сил ƒ поверхности. Таким образом, преобразователь может выдерживать без разрушения большие статические и динамические нагрузки.
Выходное напряжение преобразователя через согласующий резистор 2 (фиг. 1) поступает на вход выпрямителя 3, а затем выпрямленное напряжение поступает на вход накопительного конденсатора 4. После накопительного конденсатора (фиг. 1) через электронную схему регулирования 5 напряжение поступает на вход аккумулятора 6.
Указанные признаки полезной модели являются существенными, т.е. влияющими непосредственно на результат, который может быть получен при осуществлении изобретения.
Генератор работает следующим образом.
Пьезопреобразователь (фиг. 3) прикрепляется к вибрирующему элементу строительной, промышленной, бытовой или дорожной конструкции, например к полу, либо к дорожному или к железнодорожному полотну. В этом случае преобразователь может колебаться на частотах изгибных резонансов каждого из биморфных пьезопреобразователей (фиг. 2) под действием внешней возбуждающей силы ƒ. При этом за счет того, что каждый биморфный пьезопреобразователь обладает разными размерами и массой, частоты их собственных колебаний будут различными, поэтому полоса частот работы генератора становится широкой. Помимо этого, амплитуда переменного напряжения на выходе преобразователя в таком случае максимальна, благодаря наличию при колебаниях пьезоэлементов деформаций растяжения-сжатия, вызванных изменением величины магнитного поля между постоянными магнитами 2 и 3 (фиг. 3). При вибрации в результате прямого пьезоэффекта на выходе преобразователя возникает переменное напряжение, которое поступает на резистор 2 (фиг. 1), а затем на выпрямитель 3. После выпрямления электрический заряд накапливается на накопительном конденсаторе 4 (фиг. 1), затем поступает на схему 5, управляющую зарядом аккумулятора. Энергия заряженного аккумулятора используется потребителем. Таким образом, используется даровая энергия вибрации различных объектов.
Достигаемый технический результат - увеличение мощности пьезоэлектрического генератора.