Преобразователь энергии вибраций

Полезная модель относится к устройствам преобразования энергии механических вибраций в электрическую энергию. Такие устройства в настоящее время весьма востребованы в промышленной автоматике, где с целью увеличения срока работы разнообразных электронных датчиков желательно избавиться от необходимости периодической замены элементов питания (батарей). Использование альтернативных источников энергии (свет, вибрации, тепловые потоки), и соответствующих преобразователей энергии, таких как фотовольтаические элементы, пьезоэлементы, элементы Пельтье позволяют построить безбатареечное питание автономных электронных датчиков.
Известны устройства, позволяющие получать электрическую энергию от вибрирующих тел помощью пьезоэлементов (US patent 7948153). Особенностью этого устройства является использование полоски пьезоэлемента одна сторона, которого жестко заделана в вибрирующее тело, а на другой стороне укрепляется грузик, позволяющий увеличить размах вибраций полоски на определенных резонансных частотах. Для увеличения энергетического выхода в указанном патенте предлагается собирать преобразователь из нескольких полосок пьезоэлементов. Однако последовательное соединение полосок с многочисленными грузиками на наш взгляд не достаточно надежно и слишком трудоемко. Кроме того, согласно предложенной в патенте конструкции ее жесткость увеличивается по отношению к внешним вибрациям по мере увеличения числа полосок пьезоэлементов. А с увеличением жесткости уменьшается амплитуда вибраций конструкции.
В предлагаемой полезной модели техническое решение направлено на упрощение и удешевление конструкции пьезопреобразователя и связано с использованием недорогих пьезомодулей, доступных в форме круглых пьезопластин, наклеенных на круглые металлические мембраны.
В соответствии с изобретательским замыслом, преобразователь энергии вибраций состоит из корпуса, средства закрепления преобразователя на вибрирующем объекте, набора круглых пьезомодулей и средств разделения и крепления пьезомодулей, причем круглые пьезомодули установлены в виде стопки так, что центры пьезомодулей разделены и склеены с центральными средствами разделения и средством закрепления преобразователя, а периметры пьезомодулей разделены и склеены с периметральными средствами разделения и жестко укреплены в корпусе преобразователя, при этом корпус дополнительно снабжен грузом для усиления резонансных колебаний конструкции.
Корпус преобразователя оказывается периметральной нагрузкой для пьезомодулей, стабилизирующей их положение по отношению к вибрирующему центру пьезомодулей.
На приведенных ниже чертежах иллюстрируется один из вариантов осуществления изобретения, что в тоже время не исключает большого разнообразия других форм реализации изобретательского замысла.
Фиг. 1 - виды пьезомодуля,
Фиг. 2 - разрез конструкции преобразователя энергии вибраций.
Согласно предложенной полезной модели, устройство преобразователя энергии вибраций основано на использовании пьезомодуля, изображенного на Фиг. 1, состоящего из круглой пьезопластники 1, наклеенной на круглую металлическую мембрану 2. В общем случае пьезомодуль может состоять из двух пьезопластинок, наклеенных с двух сторон металлической мембраны, а также иметь иные разнообразные кольцевые формы, включая биморфные пьезосборки.
Конструкция устройства преобразователя имеет цилиндрическую форму, разрез которой изображен на Фиг. 2.
Устройство устанавливается на вибрирующем объекте 3 и состоит из пьезомодулей 5, установленных в корпусе 4, причем так, что центры пьезомодулей разделены центральными средствами разделения 6 и склеены с ними.
Периметры пьезомодулей также снабжены кольцеобразными средствами разделения 8, к которым они приклеены.
Средства разделения могут быть выполнены из твердых или эластичных диэлектрических материалов, например пластмассовых таблеток для центральных средств разделения и колец для периметральных средств разделения.
Описанная сборка пьезомодулей укрепляется в корпусе 4 приклеиванием внешнего периметрального кольца 8, так, что центральная часть сборки может свободно вибрировать.
Центральная часть сборки приклеивается к средству закрепления преобразователя 7 на вибрирующем объекте 3.
Средство закрепления преобразователя 7 может быть выполнено в виде магнита, который обеспечивает простую установку/снятие вибропреобразователя с металлических объектов 3.
Как видно, корпус 4 является естественным стабилизатором периметра мембран пьезомодулей, в то время когда центральная часть конструкции испытывает вибрации как часть вибрирующего объекта 3.
Величина электрической энергии, которую можно получить от описанного устройства определяется амплитудой и частотой вибраций пьезомодулей в сборке.
Электрические соединения пьезомодулей могут быть разнообразными в зависимости от цели - получение на выходе преобразователя больших выходных токов или получение больших выходных напряжений, и в настоящей полезной модели не рассматриваются.
Для создания резонансных условий передачи механической энергии вибраций от объекта 3 к устройству пьезопреобразователя корпус 4 может дополнительно подгружаться специально рассчитанным под частоту вибраций грузом 9.
Устройство вибропреобразователя предложенное в данной полезной модели, было изготовлено экспериментально с использованием трех пьезомодулей диаметром 50 мм и продемонстрировало электрическую мощность в 0,4 мВт при частоте вибраций порядка 100 Гц.