ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

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 КПД преобразователя.
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, в простоте достижения больших напряжений или мощности на выходе.
В известном устройстве, содержащем статор с закрепленными на нем пьезоэлементами в виде плоских биморфных дисков, деформируемых установленными
на роторе роликами через гибкую изолирующую прокладку, напряжение на электродах возникает при смещающемся по окружности локальном изгибе пьезодиска.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображено:
на фиг.1 изображен схематически пьезоэлектрический преобразователь переменного тока с одним пьезоэлементом;
на фиг.2 и фиг.3 изображен схематически пьезоэлектрический преобразователь с несколькими пьезоэлементами.
Преобразователь (фиг.1) имеет ротор 1, выполненный в виде диамагнитного диска с дисковыми ферромагнитными вставками 2 по окружности, с зазором d между ними не меньше диаметра D1 вставки, статор 3 с закрепленном на нем пьезоэлементом 4 в виде цилиндра, например из пьезокерамики, с напыленными на торцах контактными токопроводящими площадками. Пьезоэлемент 4 размещен под опорным элементом 5 рычага 6, один конец которого закреплен на оси опоры 7, а на другом конце закреплен дисковый постоянный магнит 8 с осевой намагниченностью, диаметр которого D2 не больше диаметра D1 дисковой ферромагнитной вставки 2. Начальное положение рычага 6 фиксируется установочным приспособлением 9, размещенным на статоре и опорным регулировочным винтом 10. Дисковый постоянный магнит 8 расположен соосно с дисковыми ферромагнитными вставками 2 и с минимально возможным расстоянием между ними, обеспечивающим сжатие пьезоэлемента 4 силами притяжения.
В многоэлементном варианте преобразователя (фиг.2) пьезоэлементы 4 могут быть размещены в столбик или группой на одной площадке (фиг.3) и соединенных между собой последовательно или параллельно.
Электроды 11 пьезоэлементов 4 могут быть соединены посредством шайб 12 (фиг.2) или пластин 13 (фиг.3), обеспечивающих равномерное сжатие пьезоэлементов.
Преобразователь работает следующим образом.
При вращении ротора 1 дисковый постоянный магнит 8, установленный на свободном конце рычага 6, будет притягиваться к проходящим под ним дисковым ферромагнитным вставкам 2 с частотой ω·n, где n - число дисковых ферромагнитных вставок по окружности ротора. Пьезоэлемент 4 будет испытывать циклическое сжатие. При деформации пьезоэлемента на электродах 11, вследствие прямого пьезоэффекта, возникают заряды, что дает на выходе переменное по форме напряжение. Его амплитуда будет зависеть от силы притяжения дискового постоянного магнита и дисковой ферромагнитной вставки 2 и скорости нарастания силы сжатия (деформации) пьезоэлемента 4. Применив выпрямитель можно получить на выходе устройства постоянное напряжение.
Увеличение выходного напряжения или мощности достигается путем увеличения числа одноэлементных секций, размещая их по окружности статора 3 и соединив в последовательную или параллельную цепь.
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.