DE2612099C2 - Mechanisch zu betreibender Hochspannungsgenerator mit piezokeramischem Körper - Google Patents
Mechanisch zu betreibender Hochspannungsgenerator mit piezokeramischem KörperInfo
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen mechanisch zu betreibenden Hochspannungsgenerator, wie er im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
Aus dem Stand der Technik ist bereits eine große Anzahl von Hochspannungsgeneratoren mit piezoelektrischer
Keramik als merhanisch-eiektrische Wandler bekannt. Diesbezüglich und um ein weiteres Eingehen
auf Einzelheiten zur Ausführung eines derartigen Hochspannungsgenerators entbehrlich zu machen, sei
auf die französische Patentschrift 12 41541, auf die
US-Patentschriften 29 17 670, 28 56 564, 29 54 506, auf die britsche Patentschrift 7 12 803 und auf die deutsche
Patentschrift 12 94 736 verwiesen. In diesen Patentschriften sind die verschiedensten Möglichkeiten einer
mechanischen Druckausübung auf einen piezokeramischen Körper angegeben. Zudem ist in der genannten
deutschen Patentschrift eine Parallelschaltung einer Diode gezeigt, mit der die im Betrieb erforderliche
Umladung des piezokeramischen Körpers verbessert wird.
Als Material für den piezokeramischen Körper wird in der Regel ein solches auf der Basis des Bariumtitanats
oder noch besser auf der Basis des Bleizirkonat-Titanats verwendet. Solche Materialien sind aus dem Stand der
Technik allgemein bekannt. Bei diesen Materialien handelt es sich in der kegel um ein solches mit
tetragonaler Kristallstruktur, wobei die c-Achse die längste Achse der Elementarzelle, vergleichsweise zur
a- und zur /vAchsc, ist. Die Elementarzelle ist also in
Richtung der c-Achse uniaxial postreckt. Die permanente Polarisation der Elementarzelle ist bei diesen
Materialien parallel zu dieser c-Achse. Bei einem ausgerichtet permanent polarisierten piezokeramischen
Körper sind, wie an sich bekannt, die Elementarzellen weit überwiegend und im wesentlichen einheitlich
ausgerichtet, was durch einen besonderen, an sich bekannten Polarisationsprozeß bei Anliegen einer
elektrischen Spannung am Material des Körpers erreicht wird.
Bei den bekannten mechanisch zu betreibenden Hochspannungsgeneratoren mit piezokeramischem
Körper ist der Nachteil festzustellen, daß sich im Lauf des Betriebs derselben eine Verminderung der Höhe der
ausgerichteten permanenten Polarisation ergibt
Gegenstand des Hauptpatents 24 45 837 ist ein wie im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 der vorliegenden Anmeldung angegebener, mechanisch zu betreibender
Hochspannungsgenerator, mit dem zu einem wesentlichen Ausmaß der voranstehend erläuterte Nachteil von
entsprechenden Hochspannungsgeneratoren des Standes der Technik behoben wird.
Aufgabe der Erfindung der vorliegenden Zusatzanmeldung
ist es, die dem Hauptpatent gemäße technische Lösung dahingehend noch weiter zu verbessern, daß
eine vollständige Beseitigung des Nachteiles einer wie beim Stand der Technik im Lauf der Betriebsdauer
auftretenden Depolarisation erreicht wird.
Diese Aufgabe wird bei einem wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Hochspannungsgenerator
e.findungsgemäß gelöst, wie dies im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
Die Erfindung baut auf der zum Hauptpatent getroffenen Feststellung auf, daß die Abnahme der
Höhe der ausgerichteten permanenten Polarisation bei vorbekannten Anordnungen mit zur Polarisationsrichtung
der Keramik parallel bzw. antiparallel gerichteter Krafteinwirkung darauf beruht, daß durch die während
des Betriebs auftretende mechanische Druckbelastung auf den piezokeramischen Körper die Ausrichtung
dieser vorhandenen permanent polarisierten Elemen-
3S tarzellcn in dem Körper »mechanisch« verringert wird. Die Elementarzellen werden durch die immer wiederkehrende
Druckbelastung zu einem Anteil im Lauf der Benutzungsdauer aus der zur Druckrichtung parallelen
oder antiparallelen Richtung der eingeprägten Polarisation in eine dazu andere Richtung gedreht, d. h. der
Polarisationsgrad des Körpers wird verringert.
Die gemäß dem Hauptpatent Ausrichtung der Polarisationsachse des piezokeramischen Körpers in
bezug auf die Richtung der einwirkenden Druckkraft stellt sicher, daß eine solche mechanische Depolarisation
nicht mehr eintreten kann. Durch die Druckkraft wird der Körper in einer Achsenrichtung mechanisch
beansprucht, die ohnehin verkürzt gegenüber der quer dazu liegenden c-Achse, nämlich der Polarisationsachse,
ist. Die mechanische Druckbeanspruchung des Körpers unterstützt nun sogar die Einhaltung der gemeinsamen
Ausrichtung der einzelnen permanent polarisierten Elementarzellen.
Nun hat sich aber gezeigt, daß in sich hier zunächst weniger günstig erweisenden Fällen, z. B. bei weniger
hoher Koerzitivfeldstärke des piezoelektrischen Materials — aus diesem Grunde ist das Material als
piezoelektrischer Werkstoff keineswegs minderwertiger, hf.ufig dagegen sogar besonders brauchbar — auch
ίο bei wie gemäß einem Merkmal der Erfindung
vorgesehener Druckeinwirkung in Querrichtung im Laufe der Zeit sich doch noch eine gewisse Depolarisation
ergibt. Durch weitere Untersuchungen konnte festgestellt werden, daß dies auf einer elektrisch
bedingten Depolarisation beruht, die speziell auf dieser vorgesehenen Druckeinwirkung in Querrichtung beruht,
und zwar auf Grund einer im Körper auftretenden, zur DruckeinwirHng quergerichteten und damit zur
eingeprägten Polarisation antiparallelen elektrischen
Spannung. Diese zu einem gewissen Grade, abhängig von spezieller Materialeigenschaft, depolarisierend
wirkende elektrische Spannung tritt in jeweils einer der Phasen der abwechselnden mechanischen Druckeinwirkungen
und -entlastungen auf.
Die gemäß der Erfindung vorgesehene Diode, die elektrisch gesehen parallel zu denjenigen Elektroden
des piezoelektrischen Körpers liegt, zwischen denen die piezoelektrisch zu erzeugende elektrische Spannung
abzunehmen ist, ist so gepoit, daß sie jeweils diejenige zwischen diesen Elektroden auftretende piezoelektrische
Spannung wenigstens weitgehend kurzschließt, die depolarisierend wirken könnte. Dagegen ist diese Diode
für die dazu entgegengesetzt gerichtet, piezoelektrisch auftretende elektrische Spannung möglichst hochsperrend,
so daß weitestgehend die gesamte elektrische Spannung, genauer die gesamte piezoelekfisch erzeugte
Ladung, und zwar die in dieser Phase der mechanischen Belastung erzeugte Spannung bzw.
Ladung, zur nutzbringenden Verwertung zur Verfügung steht Wesentlich ist also, daß diese gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehene Diode in bezug auf die im Betrieb auftretenden Phasen der
elektrischen Spannung so gepolt ist, daß eine möglicherweise depolarisierend wirkende elektrische Snannung
abgeleitet wird. Mit dieser Diode wird weiterhin derjenige die Umladung des piezoelektrischen Körpers
verbessernde Effekt erreicht, der in der älteren deutschen Patentschrift 12 94 736 näher beschrieben ist.
Die Figur zeigt eine im Hauptpatent 24 45 837 beschriebene Ausführungsform eines mechanisch zu
betreibenden Hochspannungsgenerators 1, der eine gemäß dem einen Merkmal der Erfindung gerichtete
Druckeinwirkung auf den piezoelektrischen Körper 10 hat. Mit 3 ist eine Betätigungseinrichtung, z. B. eine
Hebemechanik, mit einem Hebel 4 und einem Nockenrad 6 angegeben. Die vom Nockenrad 6 auf das
freie Ende des Hebels 4 einwirkende Kraft übt eine durch den Pfeil 5 angedeutete Druckkraft auf ein
Zwischenlageteil 7 aus. Mit dem Pfeil 5' ist die zu der Druckkraft 5 gehörige Gegenkraft angedeutet. Sie wird
von einer Unterlage 20 ausgeübt, wobei im vorliegenden Fall noch eine Blattfeder 21 dazwischengeschaltet ist.
Durch diese Blattfeder 21 wird eine ständige Vorspannung auf den Körper 10 aufrechterhalten. Zwischen dem
Zwischenlageteil 7 und einem weiteren Zwischenlageteil 8 befindet sich gemäß dem einen Merkmal der
Erfindung angeordnet der bereits erwähnte piezokeramische Körper, der eine wie durch den Pfeil 12
angedeutete ausgerichtete permanente Polarisation hat. Der Körper 10 ist beispielsweise ein Parallelepiped mil
in Richtung des Pfeils 12 größter Abmessung. An zwei gegenüberliegenden Endflächen des Körpers 10, im
wesentlichen senkrecht zur Polarisatwnsrichtung 12, befinden sich Elektroden 14 und 16 zur Abnahme der
piezoelektrisch erzeugten Spannung.
ίο Mit 17 ist die gemäß der Erfindung vorgesehene
Diode bezeichnet, mit der hier nicht nur eine wie im Hauptpatent beschriebene Verbesserung der Umladung
des piezoelektrischen Körpers 10 erreicht wird. Bereits oben ist physikalisch erläutert, in welcher Polungsrichtung
die Diode 17 in bezug auf die Polarisationsrichtung 12 des Körpers 10 anzugeben ist. Für eine zeichnerische
Darstellung ist zu beachten, daß die Angabe des Polarisationspfeils 12 in der Literatur nicht einheitlich
ist. Inder Figur sind dementsprechend + und —Zeichen
zu dem Fall der Polarisationsrichtung 12 hinzugefügt, die die hier gewählte Definition kenntlich machen. Beim
quergerichteten Drücken des Körpers 10 tritt piezoelektrisch eine Erhöhung des Dipolmoments im Körper
10 auf, so daß zwischen den Elektroden 14 und 16 eine piezoelektrische Spannung auftritt. Diese durch Kurzschluß
an sich zu beseitigende elektrische Spannung bzw. die diese Spannung verursachende Aufladung der
Elektroden 14, 16 läßt sich über die Diode 17 in dieser Phase ableiten, da die Diode 17 für einen Stromfluß
positiver Ladung von der Elektrode 14 auf die Elektrode 16 und einen Stromfluß negativer Ladung von der
Elektrode 16 auf die Elektrode 14 leitend ist. Für die entgegengesetzte Nutzphase ist die Diode dann
sperrend und es tritt an den Elektroden 14, 16 die volle piezoelektrisch erzeugte Spannung auf, die dann zur
Verwertung, z. B. zum Zünden der Zündkerze 18, ungemindert zur Verfügung steht. Diese auszuwertende.
zwischen den Elektroden 14. 16 liegende elektrische Spannung ist in Polarisationsrichtung 12 des Körpers 10
gerichtet und unterstützt sogar die Aufrechlerhaltung der eingeprägten Ausrichtung der permanenten Polarisation.
Der erfindungsgemäße Hochspannungsgenerator eignet sich insbesondere für die Zündung von
Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kleinmotoren, wo es auf besondere Einfachheit des Zündmechanismus
ankommt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Mechanisch zu betreibender Hochspannungsgenerator mit einem ausgerichtet permanent polarisierten
piezokeramischen Körper und mit einer Betätigungseinrichtung zur Druckbeaufschlagung
dieses Körpers, wobei der Körper infolge der ausgerichteten Polarisation parallel zur Richtung
derselben uniaxial gestreckt ist und der piezokeramische Körper in dem Generator mit seiner Richtung
der Polarisation im wesentlichen quer zu oer auf den Körper einwirkenden Druckrichtung der Betätigungseinrichtung
angeordnet ist, nach Patent 24 45 837, gekennzeichnet dadurch, daß
die Elektroden (14, 16) im Nebenschluß zum Nufzstromkreis (14, 18, 16) über eine Diode (17)
miteinander verbunden sind, wobei die Diode (17) bezogen auf die Richtung der Polarisation (12)
derart gerichtet ist, daß sie diejenige in einer Betriebsphase auftretende piezoelektrisch erzeugte
Spannung kurzschließt, die auf die Polarisation des Körpers (10) depolarisierend wirken würde.
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am piezokeramischen Körper
vorgesehenen Elektroden (14, 16) zur Abnahme der piezoelektrische Spannung an dem Körper (10) quer
zur Richtung der Polarisation angebracht sind.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007059179A1 (de) * | 2007-12-06 | 2009-06-10 | Helmut Obieglo | Einrichtung mit Druckwandler |
DE102009033403B4 (de) | 2008-08-14 | 2018-07-26 | Manfred Rennings | Piezo-Scheiben-Generator zur Stromerzeugung |
Families Citing this family (2)
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DE10054398A1 (de) * | 2000-11-02 | 2002-05-08 | Peter Heller | Netzunabhängiges Energieversorgungssystem |
DE102012106376B4 (de) | 2012-07-16 | 2016-09-08 | Gsi Helmholtzzentrum Für Schwerionenforschung Gmbh | Vorrichtung zur Energieerzeugung mit Piezoelementen |
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1976
- 1976-03-22 DE DE2612099A patent/DE2612099C2/de not_active Expired
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