УДАРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к пьезоэлектрическим приборам, производящим электрический выходной сигнал от механического входного сигнала, и может быть использована в различных областях промышленности для питания маломощных электронных узлов.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является ударный генератор энергии, описанный в документе [патент US 2013/0181459, опубл. 18.07.2013]. Генератор энергии, представляющий собой металлический цилиндр, состоит из пружины, пьезоэлемента, системы шайб Бельвилля. Шайбы Бельвилля служат для создания предварительной механической нагрузки для пьезоэлемента. Пьезоэлемент имеет форму диска.
Указанное устройство работает следующим образом. Под действием ударных вибраций, направленных вдоль продольной оси генератора энергии, пружина совершает механические колебания, передающиеся пьезоэлементу, в котором в результате пьезоэффекта генерируется переменное электрическое напряжение.
Недостатком данного устройства является малый объем пьезоэлемента (не более 5% от объема всего устройства), преобразующего механические вибрации в электрическую энергию. Совмещение инертной массы с пружиной также ограничивает увеличение удельной мощности устройства.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение технической задачи по устранению этого недостатка, а именно, повышение удельной мощности ударного генератора энергии.
Достигаемый при этом технический результат заключается в увеличении объема пьезоэлемента и добавлении инертной массы.
Технический результат достигается тем, что ударный генератор энергии содержит основание, пьезоэлемент, пружину, удерживающую крышку, стягивающую шпильку и выходные электроды и отличается тем, что пружина с закрепленной на ней инертной массой размещена внутри пьезоэлемента, выполненного в виде цилиндра, поляризованного по радиусу, причем ударное воздействие осуществляется по оси указанного цилиндра.
Указанные признаки полезной модели являются существенными и совокупность этих признаков достаточна для получения требуемого технического результата.
На фиг. 1 показана конструкция заявляемой полезной модели. Полезная модель содержит основание 1, пьезоэлемент 2, пружину 3, удерживающую крышку 4, стягивающую шпильку 5, инертную массу 6 и выходные электроды 7.
Представленная конструкция не является единственно возможной, но наглядно демонстрирует получение требуемого технического результата.
Работает устройство следующим образом. При воздействии на конструкцию механического удара с ускорением а инертная масса 6, жестко связанная с пружиной 3, начинает колебаться, тем самым вызывая механические деформации в пьезоэлементе 2. Под действием механических напряжений пьезоэлемент начинает деформироваться. В результате пьезоэффекта в пьезоэлементе механическая энергия преобразуется в электрическую.
Как отмечено в [1], предпочтительным является движение фронта ударной волны, перпендикулярное направлению поляризации  пьезоэлемента. Поэтому в качестве направления спонтанной поляризации цилиндра было выбрано радиальное направление поляризации.
Как известно, энергия, генерируемая пьезоэлементом, зависит от его объема [2]. Представляя пьезоэлектрический элемент в качестве конденсатора, энергия, запасенная в нем, может быть выражена как:
o
где W - энергия электрического поля, ε - диэлектрическая проницаемость среды, ε - диэлектрическая постоянная, V - объем пьезоэлемента, U - электрическое напряжение, h - расстояние между электродами пьезоэлемента.
Энергия, запасенная в пьезоэлементе при воздействии на него механическим импульсом, также пропорциональна массе элемента:
1
2
ƒ
где m и ρ - масса и плотность пьезоэлектрического элемента соответственно, ΔP - скачек поляризации на фронте ударной волны, k и k - безразмерные эмпирические коэффициенты, обобщенно характеризующие различные потери энергии при работе пьезоэлемента, Е - напряженность электрического поля, при котором происходит пробой материала пьезоэлемента.
Электрическая энергия, производимая ударным генератором, накапливается известными способами [3].
Список литературы:
[1] Третьяков Д.В. О выборе рациональных размеров сегнетоэлектрического рабочего тела импульсного генератора напряжения // Электронный ресурс: https://uchil.net/?cm-10797.
[2] Савельев И.В. Курс физики: Учеб.: в 3-х т. Т. 2: Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика. - М.: Наука, 1989. - 464 с.
[3] Stephen Evanczuk, Pervasive RF Energy Offers Ready Power Source, https://www.digikey.lv/en/ articles/techzone/2014/may/pervasive-rf-energy-offers-
ready-power-source.