Секционированный пьезоэлектрический генератор

Полезная модель относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к пьезоэлектрическим генераторам, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использован в любой области техники в качестве источника тока.
Известен пьезоэлектрический генератор постоянного тока, например RU 2113757, содержащий пьезоэлемент, выполненный в виде плоского биморфного диска, закрепленного в центре диска, и деформируемого в осевом направлении двумя установленными на роторе роликами через гибкую изолирующую прокладку. Пьезоэлемент может содержать множество пьезокерамических дисков для увеличения мощности. При вращении ротора от внешнего источника механической энергии ролики, которые установлены относительно дисковых элементов таким образом, что обеспечивается их деформация, прокатываются по прокладке, деформируя пьезоэлементы. При деформации пьезоэлементов на электродах вследствие прямого пьезоэффекта возникают заряды, при этом на внешних электродах пьезоэлемента - заряды противоположного знака, которые составляют разности потенциалов.
При вращении ротора и круговой деформации пьезоэлемента на электродах возникает постоянная разность потенциалов, соответствующая величине деформации.
К недостаткам этого генератора относится то, что он приводится во вращение внешним источником энергии, например ветра или воды, т.е. требует дополнительного устройства преобразования энергии. Кроме того, в силу своей конструкции он ограничен размерами пьезоэлемента, и, следовательно, генерируемая энергия также ограничена. Отсутствует накопитель электрической энергии.
Известен также пьезоэлектрический генератор, например US 5801475, содержащий консольно закрепленный биморфный пьезоэлемент, 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 и консольное закрепление пьезоэлемента, как следствие, малая выходная мощность и повышенная хрупкость. Эти недостатки ограничивают использование такого генератора лишь устройствами микроэлектроники.
Известен также пьезоэлектрический генератор, например RU 155155, содержащий пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде плоской круглой биморфной секционированной пластины с грузом в центре для снижения частоты собственного резонанса 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. Весь генератор помещен в плоский прочный корпус, который крепится к объектам, подверженным вибрации, и вырабатывает электрическую энергию за счет энергии вибрации объекта, к которому он прикреплен.
Рассмотренное решение наиболее близко по совокупности существенных признаков к предлагаемому решению.
Недостатком этого генератора является ограниченная частотная полоса пропускания, как следствие, малая выходная мощность на нерезонансных частотах колебаний. Этот недостаток приводит к необходимости использования такого генератора лишь в определенной полосе частот вибрации объектов, к которым он прикреплен.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является расширение полосы пропускания пьезогенератора при использовании 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 биморфный пьезоэлектрический преобразователь, включенный в цепь, содержащую: резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор и выходную регулирующая электронную цепь. Также как и в известном, в предлагаемом генераторе пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде дискового плоского биморфного секционированного преобразователя, снабженного грузом для снижения частоты собственного резонанса, размещенного в прочном жестком корпусе, причем секции преобразователя электрически соединены друг с другом, а каждая секция состоит из нескольких пьезоэлементов, склеенных друг с другом и электрически соединенных друг с другом. В отличие от известного пьезогенератора, в предлагаемом решении биморфная пластина состоит из набора неравных друг другу секторов.
Приведенное техническое решение доказывает достигаемый технический результат, а именно - увеличение ширины полосы пропускания преобразователя, поскольку каждый сектор биморфной пластины обладает разными размерами и массой, частоты их собственных колебаний будут различными, поэтому полоса частот работы пьезогенератора становится широкой.
Совокупность признаков, сформулированных в п. 2 формулы полезной модели, характеризует пьезоэлектрический генератор, в котором преобразователи в каждой секции соединены последовательно.
Дополнительным достигаемым техническим результатом является увеличение выходного напряжения пьезоэлектрического генератора и снижение собственной электрической емкости генератора.
Совокупность признаков, сформулированных в п. 3 формулы полезной модели, характеризует пьезоэлектрический генератор, в котором преобразователи в каждой секции соединены параллельно.
Дополнительным достигаемым техническим результатом является увеличение электрического заряда, вырабатываемого пьезоэлектрическим генератором.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
на фиг. 1 показана схема пьезоэлектрического генератора;
на фиг. 2 изображен схематически пример выполнения составной части пьезоэлектрического генератора - биморфного преобразователя;
Пьезоэлектрический генератор (фиг. 1) имеет биморфный пьезопреобразователь 1 (фиг. 2), резистор 2, выпрямитель 3, накопительный конденсатор 4, схему, управляющую зарядом аккумулятора 5 и аккумулятор 6.
Пьезоэлектрический преобразователь (фиг. 2) выполнен в виде плоской биморфной круглой секционированной пластины, зажатой по периметру, состоящей из набора плоских пьезоэлементов, объединенных в секции 7-10 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 пьезогенератора. В приведенном примере выполнения преобразователя (фиг. 2) верхняя часть состоит из четырех секций 7-10 по три элемента в каждой, соединенных последовательно. Все секции соединены параллельно. Аналогичное устройство имеет нижняя часть, которая также состоит из четырех секций по три элемента в каждой. К электродам верхней и нижней частей припаяны выводы 11, 12, с которых снимается переменное напряжение и поступает дальше на выпрямитель. Верхняя и нижняя части наклеены на базовую металлическую упругую круглую пластину 13, разрезанную на неравные сектора. Для снижения собственной частоты преобразователь снабжен грузом 14, закрепленным в центре пластины. Секции зажаты по периметру и соединяются друг с другом только в центре - в месте размещения груза.
Преобразователь в целом опирается на пластину 15, плотно закрепленную на колеблющейся поверхности. Таким образом, пьезогенератор может выдерживать без разрушения большие статические и динамические нагрузки.
Выходное напряжение преобразователя через согласующий резистор 2 поступает на вход выпрямителя 3, а затем выпрямленное напряжение поступает на вход накопительного конденсатора 4. После накопительного конденсатора через электронную схему регулирования 5 напряжение поступает на вход аккумулятора 6.
Генератор работает следующим образом.
Биморфный преобразователь 1 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 секторов под действием внешней возбуждающей силы f. При этом за счет того, что каждый сектор обладает разными размерами и массой, частоты их собственных колебаний будут различными, поэтому полоса частот работы генератора становится широкой. Амплитуда переменного напряжения на выходе преобразователя в таком случае максимальна. При вибрации в результате прямого пьезоэффекта на выходе преобразователя возникает переменное напряжение, которое поступает на резистор 2, а затем на выпрямитель 3. После выпрямления электрический заряд накапливается на накопительном конденсаторе 4, затем поступает на схему 5, управляющую зарядом аккумулятора. Энергия заряженного аккумулятора используется потребителем. Таким образом, используется даровая энергия вибрации различных объектов.
Достигаемый технический результат - расширение полосы пропускания пьезоэлектрического генератора.