ITPG20100022A1 - NON-LINEAR ELECTRIC GENERATOR - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo: accompanying a patent application for an industrial invention entitled:
"Generatore elettrico non-lineare" "Non-linear electric generator"
La presente invenzione riguarda un generatore di energia elettrica non-lineare. The present invention relates to a non-linear electric power generator.
Più dettagliatamente, l'invenzione generatore di energia elettrica basato sulla conversione di energia meccanica in energia elettrica mediante il moto non-lineare di elementi materiali. Tali elementi sono costituiti di materiale piezoelettrico, magnetico o elettrico e sono atti a produrre elettricità mediante il loro movimento per mezzo di effetti piezoelettrici, elettromagnetici induttivi e capacitivi. More specifically, the invention is an electrical energy generator based on the conversion of mechanical energy into electrical energy by means of the non-linear motion of material elements. These elements are made of piezoelectric, magnetic or electrical material and are able to produce electricity by their movement by means of piezoelectric, electromagnetic inductive and capacitive effects.
E' noto come i generatori di elettricità che si basano sulla conversione di energia cinetica o di movimento in energia elettrica siano comunemente utilizzati in diversi settori dell'attività umana per fornire corrente elettrica a tutta una serie di dispositivi sia su grande che su piccola scala. It is well known that electricity generators which rely on the conversion of kinetic or motion energy into electrical energy are commonly used in different sectors of human activity to supply electrical current to a whole range of devices both on a large and small scale.
Sulle piccole scale la limitata quantità di energia elettrica messa a disposizione dai generatori convenzionali che sfruttano la suddetta conversione di energia cinetica tende a limitarne l’impiego a vantaggio delle batterie tradizionali. On small scales, the limited amount of electricity made available by conventional generators that exploit the aforementioned conversion of kinetic energy tends to limit its use to the advantage of traditional batteries.
Negli ultimi anni sono emersi alcuni studi che tendono a sfruttare la generazione di energia da materiale piezoelettrico per l'alimentazione di mini e micro dispositivi elettronici portatili. Infatti, questi dispositivi hanno bisogno per il loro funzionamento di limitate quantità di potenza elettrica, giustificando il ricorso a micro generatori di energia, che costituiscono un'interessante alternativa alle consuete batterie. In recent years, some studies have emerged that tend to exploit the generation of energy from piezoelectric material to power mini and micro portable electronic devices. In fact, these devices need limited quantities of electrical power for their operation, justifying the use of micro energy generators, which constitute an interesting alternative to the usual batteries.
In questa ottica sono stati proposti micro generatori di energia che possono essere collegati ad oggetti e strutture soggette a movimento (vibrazioni di tavoli, banchi o strutture meccaniche, moti oscillatori di macchinari o automobili, moto degli esseri umani o animali, moto di strutture attivate da eventi atmosferici o sismici). With this in mind, micro energy generators have been proposed that can be connected to objects and structures subject to movement (vibrations of tables, benches or mechanical structures, oscillating motions of machinery or cars, motion of humans or animals, motion of structures activated by atmospheric or seismic events).
Tali dispositivi convertono energia presente nell'ambiente in energia elettrica per l'alimentazione di micro dispositivi elettronici. Il principale limite di questi dispositivi, tuttavia, è costituito dalla loro intrinseca incapacità di sfruttare l'ampio spettro di energia disponibile, poiché il loro principio di funzionamento tende a selezionare solo una piccola frazione di questa energia. These devices convert energy present in the environment into electrical energy for powering micro electronic devices. The main limitation of these devices, however, is their inherent inability to exploit the wide spectrum of energy available, since their principle of operation tends to select only a small fraction of this energy.
L'energia di movimento, disponibile nell'ambiente (vibrazioni da eventi naturali, da macchinari o da movimento umano o animale) è solitamente distribuita in una ampia banda di frequenze, che va da pochi Hz ad alcune centinaia di KHz. I generatori esistenti si basano sulle oscillazioni lineari di strutture meccaniche piezoelettriche. Poiché tali strutture, per motivi costruttivi, oscillano solo alla loro propria frequenza di risonanza, esse riescono ad utilizzare l'energia ambientale solo in una ristretta banda di frequenze attorno alla loro frequenza di risonanza. The energy of movement, available in the environment (vibrations from natural events, from machinery or from human or animal movement) is usually distributed in a wide band of frequencies, ranging from a few Hz to a few hundred KHz. Existing generators are based on the linear oscillations of piezoelectric mechanical structures. Since these structures, for constructive reasons, oscillate only at their own resonant frequency, they are able to use the ambient energy only in a narrow band of frequencies around their resonant frequency.
E’ altresì noto che un oscillatore non lineare è un sistema oscillante che, a differenza di un oscillatore lineare, può presentare più posizioni di equilibrio stabile come ad esempio più punti di equilibrio separati da regioni di non equilibrio (multistabilità) ovvero regioni di equilibrio estese (monostabilità). Nel caso di un oscillatore lineare, le oscillazioni del sistema sono costituite da escursioni periodiche centrate attorno al punto di equilibrio, mentre nel caso di un oscillatore non lineare, il moto oscillatorio risulta molto più complesso. Nel caso multistabile oltre a presentare oscillazioni attorno a ciascuno dei punti di equilibrio, in analogia con l'oscillatore lineare, presenta anche ampie escursioni che prevedono il passaggio da un punto di equilibrio ad un altro. Nel caso invece di un oscillatore non lineare con un’ampia regione di equilibrio (monostabile) il moto risulta libero nella regione stessa e l’oscillatore in essa si muove solo per inerzia. It is also known that a non-linear oscillator is an oscillating system which, unlike a linear oscillator, can have several positions of stable equilibrium such as, for example, multiple equilibrium points separated by regions of non-equilibrium (multistability) or extended equilibrium regions (monostability). In the case of a linear oscillator, the oscillations of the system consist of periodic excursions centered around the equilibrium point, while in the case of a non-linear oscillator, the oscillatory motion is much more complex. In the multistable case, in addition to presenting oscillations around each of the equilibrium points, in analogy with the linear oscillator, it also presents wide excursions which involve the passage from one equilibrium point to another. In the case of a non-linear oscillator with a wide region of equilibrium (monostable), the motion is free in the region itself and the oscillator in it moves only by inertia.
Alla luce di quanto sopra, la Richiedente ha ideato e disegnato generatori non lineari piezoelettrici, capacitivi od induttivi in grado di risolvere i summenzionati inconvenienti. In light of the above, the Applicant has devised and designed non-linear piezoelectric, capacitive or inductive generators capable of overcoming the aforementioned drawbacks.
Sono già stati proposti nel passato alcuni dispositivi realizzati al fine di ottenere gli stessi scopi che sono alla base della presente invenzione. Alcuni esempi si possono trovare nei brevetti U.S. n° 2,081,862 di Alfred L. W. Williams, 4,467,236 di Henry H. Kolm e Eric A. Kolm, 4.510.484 di D.S. Snyder, 4,504,761 di C.G. Triplett, 5,512,795 di Michael Y. Epstein et al, 6.407.484 di John R. Oliver et al, 6,438,193 di W.H. Ko, 7057330 di Steven A. Buhler et al. e PCT/IT2008/000081 di Luca Gammaitoni et al.. Some devices have already been proposed in the past in order to achieve the same purposes which are the basis of the present invention. Some examples can be found in U.S. Pat. No. 2,081,862 by Alfred L. W. Williams, 4,467,236 by Henry H. Kolm and Eric A. Kolm, 4,510,484 by D.S. Snyder, 4,504,761 by C.G. Triplett, 5,512,795 by Michael Y. Epstein et al, 6,407,484 by John R. Oliver et al, 6,438,193 by W.H. Ko, 7057330 by Steven A. Buhler et al. and PCT / IT2008 / 000081 by Luca Gammaitoni et al ..
La soluzione proposta secondo la presente invenzione consente di ottenere un generatore di energia elettrica basato sulla conversione di energia meccanica in energia elettrica ottenuta dal moto non lineare di elementi di materiale piezoelettrico, magnetico od elettrico. Il convertitore secondo l'invenzione può assumere diverse configurazioni geometriche sia nel caso piezoelettrico, che induttivo o capacitivo, tutte basate sullo stesso principio concettuale, ovverosia le oscillazioni non lineari di un sistema dinamico. The solution proposed according to the present invention allows to obtain an electric energy generator based on the conversion of mechanical energy into electric energy obtained from the non-linear motion of elements of piezoelectric, magnetic or electric material. The converter according to the invention can assume different geometric configurations both in the piezoelectric, inductive or capacitive case, all based on the same conceptual principle, ie the non-linear oscillations of a dynamic system.
Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un generatore non lineare di tipo piezoelettrico, induttivo o capacitivo. Therefore, the specific object of the present invention is a non-linear generator of the piezoelectric, inductive or capacitive type.
Nel caso piezoelettrico l’oggetto comprende almeno un elemento in materiale piezoelettrico, avente almeno un'estremità fissata ad una base. Su detto elemento piezoelettrico può essere fissata una massa in grado di farlo oscillare tra più posizioni di equilibrio; per il caso induttivo esso comprende almeno un elemento magnetico che oscilla all'interno di uno o più avvolgimenti elettrici in modo da indurre una differenza di potenziale a causa dell'oscillazione stessa. Nell'ultimo caso di generatore capacitivo esso è costituito da due armature di materiale conduttore la cui mutua distanza varia a causa delle oscillazioni esterne. Detti elementi in tutti i casi essendo sottoposti ad oscillazioni non lineari multistabili o con estese regioni di equilibrio (monostabili), l'energia cinetica delle oscillazioni non lineari essendo convertita in energia elettrica è prelevata e trasformata mediante circuito elettronico per l'alimentazione di dispositivi elettronici e/o elettrici. In the piezoelectric case, the object includes at least one element in piezoelectric material, having at least one end fixed to a base. On said piezoelectric element, a mass capable of making it oscillate between several equilibrium positions can be fixed; for the inductive case it comprises at least one magnetic element which oscillates inside one or more electric windings so as to induce a potential difference due to the oscillation itself. In the last case of capacitive generator it is constituted by two plates of conductive material whose mutual distance varies due to external oscillations. In all cases these elements being subjected to multistable non-linear oscillations or with extended regions of equilibrium (monostable), the kinetic energy of the non-linear oscillations being converted into electrical energy is taken and transformed by means of an electronic circuit for the power supply of electronic devices and / or electrical.
Caso Piezoelettrico: Piezoelectric case:
Preferibilmente, secondo l'invenzione, detto almeno un elemento in materiale piezoelettrico è una barretta di forma sostanzialmente parallelepipeda. Preferably, according to the invention, said at least one element made of piezoelectric material is a bar having a substantially parallelepiped shape.
In una forma di realizzazione del generatore piezoelettrico secondo l'invenzione, suH'estremità di detto elemento in materiale piezoelettrico opposta a quella fissata a detta base è fissato un magnete permanente, essendo prevista una struttura che supporta, a debita distanza da detto magnete permanente, altri magneti permanenti, o elettromagneti, aventi polarità invertita rispetto a detto magnete permanente previsto suH'estremità deH'elemento in materiale piezoelettrico. In an embodiment of the piezoelectric generator according to the invention, a permanent magnet is fixed on the end of said element made of piezoelectric material opposite to that fixed to said base, a structure being provided which supports, at a suitable distance from said permanent magnet, other permanent magnets, or electromagnets, having inverted polarity with respect to said permanent magnet provided on the end of the element made of piezoelectric material.
In un’altra forma di realizzazione del generatore piezoelettrico secondo l’invenzione, può essere previsto a debita distanza da detto elemento piezoelettrico con magnete permanente sull' estremità, un magnete permanente esteso avente polarità invertita rispetto a detto magnete permanente previsto sull'estremità dell'elemento in materiale piezoelettrico. In another embodiment of the piezoelectric generator according to the invention, an extended permanent magnet having an inverted polarity with respect to said permanent magnet provided on the end of the element in piezoelectric material.
In entrambe le configurazione il/i magnete/i opposto/i a quello fissato su detto elemento piezoelettrico possono essere a loro volta fissati su altri elementi piezoelettrici orientati in verso opposto a quello precedente. In both configurations, the magnet (s) opposite to the one fixed on said piezoelectric element can in turn be fixed on other piezoelectric elements oriented in the opposite direction to the previous one.
Sempre secondo l'invenzione, può essere prevista una pluralità di elementi in materiale piezoelettrico con un magnete permanente all'estremità , le varie differenze di potenziale di ciascun elemento in materiale piezoelettrico essendo prelevate e trasformate mediante circuito elettronico per ralimentazione di dispositivi elettronici e/o elettrici. Always according to the invention, a plurality of elements in piezoelectric material with a permanent magnet at the end can be provided, the various potential differences of each element in piezoelectric material being picked up and transformed by means of an electronic circuit for powering electronic devices and / or electrical.
Un’altra forma di realizzazione del generatore piezoelettrico secondo l’invenzione, detto elemento di materiale piezoelettrico fissato a detta base è opposto ad un altro fissato alla base in maniera opposta al precedente. Su detta base è posizionato uno o più magneti permanenti affacciati su una terza base dove sono posizionati uno o altri magneti permanenti aventi polarità invertite rispetto ai precedenti. Another embodiment of the piezoelectric generator according to the invention, said element of piezoelectric material fixed to said base is opposite to another fixed to the base in an opposite way to the previous one. One or more permanent magnets facing onto a third base are positioned on said base where one or other permanent magnets with inverted polarity with respect to the previous ones are positioned.
Sempre secondo l'invenzione, può essere prevista una pluralità di elementi in materiale piezoelettrico opposti gli uni agli altri, le varie differenze di potenziale di ciascun elemento in materiale piezoelettrico essendo prelevate e trasformate mediante circuito elettronico per ralimentazione di dispositivi elettronici e/o elettrici. Always according to the invention, a plurality of elements in piezoelectric material can be provided opposite each other, the various potential differences of each element in piezoelectric material being picked up and transformed by means of an electronic circuit for powering electronic and / or electrical devices.
Un’altra realizzazione del detto generatore prevede che detto elemento in materiale piezoelettrico con un magnete permanente all'estremità abbia ai lati due magneti orientati in maniera tale da attirare il magnete posizionato sopra l'elemento piezoelettrico da entrambe le parti. Another embodiment of said generator provides that said element in piezoelectric material with a permanent magnet at the end has two magnets on the sides oriented in such a way as to attract the magnet positioned above the piezoelectric element on both sides.
Sempre secondo l'invenzione, può essere prevista una pluralità di elementi in materiale piezoelettrico con una estremità fissata ad una rispettiva base, e con un magnete fissato all’estremità opposta, le varie differenze di potenziale di ciascun elemento in materiale piezo-elettrico essendo prelevate e trasformate mediante circuito elettronico per ralimentazione di dispositivi elettronici e/o elettrici. Always according to the invention, a plurality of elements in piezoelectric material can be provided with one end fixed to a respective base, and with a magnet fixed to the opposite end, the various potential differences of each element in piezoelectric material being taken. and transformed by means of an electronic circuit for powering electronic and / or electrical devices.
Una ulteriore realizzazione del generatore prevede che detto almeno un ele-mento in materiale piezoelettrico avendo entrambe le estremità fissate ad una rispettiva base, una massa magnetica essendo prevista su detto elemento in materiale piezoelettrico in posizione sostanzialmente centrale. Tale massa magnetica è opposta da entrambe le parti ad altri due magneti orientati in modo tale da respingere la massa verso il magnete opposto. A further embodiment of the generator provides that said at least one element made of piezoelectric material having both ends fixed to a respective base, a magnetic mass being provided on said element made of piezoelectric material in a substantially central position. This magnetic mass is opposite on both sides to two other magnets oriented in such a way as to repel the mass towards the opposite magnet.
Sempre secondo l'invenzione, può essere prevista una pluralità di elementi in materiale piezoelettrico con entrambe le estremità fissate ad una rispettiva base, e con la rispettiva massa prevista in posizione sostanzialmente centrale , le varie differenze di potenziale di ciascun elemento in materiale piezo-elettrico essendo prelevate e trasformate mediante circuito elettronico per l'alimentazione di disposi-tivi elettronici e/o elettrici. Always according to the invention, a plurality of elements in piezoelectric material can be provided with both ends fixed to a respective base, and with the respective mass provided in a substantially central position, the various potential differences of each element in piezoelectric material being taken and transformed by means of an electronic circuit for the power supply of electronic and / or electrical devices.
In particolare, secondo l'invenzione, è prevista una pluralità di elementi in materiale piezoelettrico, orientati in modo ordinato o arbitrario ed elettricamente collegati in serie o in parallelo con l'elemento adiacente. In particular, according to the invention, a plurality of elements made of piezoelectric material is provided, oriented in an ordered or arbitrary way and electrically connected in series or in parallel with the adjacent element.
Secondo l'invenzione, detto generatore piezoelettrico multistabile o con stabilità estesa è basato sullo sfruttamento delle oscillazioni multistabili o estese del sistema dinamico costituito dagli elementi in materiale piezoelettrico. According to the invention, said multistable or extended stability piezoelectric generator is based on the exploitation of the multistable or extended oscillations of the dynamic system constituted by the elements in piezoelectric material.
Caso Induttivo: Inductive case:
Preferibilmente, secondo l'invenzione, detto almeno un elemento induttivo è una o più spire di materiale conduttore di forma sostanzialmente cilindrica. Preferably, according to the invention, said at least one inductive element is one or more turns of conductive material having a substantially cylindrical shape.
In una forma di realizzazione del generatore induttivo secondo l'invenzione, un magnete permanente è posizionato internamente alla spira conduttrice, essendo prevista una struttura che supporta, a debita distanza da detto magnete permanente ed esternamente alla spira, altri magneti permanenti, aventi polarità invertita rispetto a detto magnete permanente. In an embodiment of the inductive generator according to the invention, a permanent magnet is positioned inside the conducting loop, a structure being provided which supports, at a suitable distance from said permanent magnet and outside the loop, other permanent magnets, having inverted polarity with respect to to said permanent magnet.
In un’altra forma di realizzazione del generatore induttivo secondo l’invenzione, può essere previsto a debita distanza da detto magnete permanente posizionato internamente alla spira conduttrice, un magnete permanente esteso avente polarità invertita rispetto a detto magnete permanente. In another embodiment of the inductive generator according to the invention, an extended permanent magnet with inverted polarity with respect to said permanent magnet can be provided at a suitable distance from said permanent magnet positioned inside the conducting loop.
Sempre secondo l'invenzione, può essere prevista una pluralità di elementi magneti permanenti interni a detta spira ed una pluralità di spire esterne ad uno o più magneti permanenti. Always according to the invention, a plurality of permanent magnet elements inside said turn and a plurality of turns outside one or more permanent magnets can be provided.
Una ulteriore realizzazione del generatore induttivo prevede che detto almeno un elemento elastico a formare una membrana avendo entrambe le estremità fissate ad una rispettiva base, una massa magnetica essendo prevista su detto elemento in posizione sostanzialmente centrale. Tale massa magnetica è opposta da entrambe le parti ad altri due magneti orientati in modo tale da respingere la massa verso il magnete opposto. La massa magnetica posizionata suH'elemento elastico si muove internamente a due bobine conduttrici posizionate lateralmente alla membrana stessa. A further embodiment of the inductive generator provides that said at least one elastic element to form a membrane having both ends fixed to a respective base, a magnetic mass being provided on said element in a substantially central position. This magnetic mass is opposite on both sides to two other magnets oriented in such a way as to repel the mass towards the opposite magnet. The magnetic mass positioned on the elastic element moves internally to two conductive coils positioned laterally to the membrane itself.
Sempre secondo l'invenzione, può essere prevista una pluralità di elementi elastici con entrambe le estremità fissate ad una rispettiva base, e con la rispettiva massa prevista in posizione sostanzialmente centrale, ed una pluralità di spire esterne ad uno o più magneti permanenti, le varie differenze di potenziale di ciascuna bobina essendo prelevate e trasformate mediante circuito elettronico per l'alimentazione di dispositivi elettronici e/o elettrici. Always according to the invention, a plurality of elastic elements can be provided with both ends fixed to a respective base, and with the respective mass provided in a substantially central position, and a plurality of external coils to one or more permanent magnets, the various potential differences of each coil being taken and transformed by means of an electronic circuit for powering electronic and / or electrical devices.
In particolare, secondo l'invenzione, è prevista una pluralità di spire conduttrici, orientate in modo ordinato o arbitrario ed elettricamente collegati in serie o in parallelo con l'elemento adiacente. In particular, according to the invention, a plurality of conductive turns are provided, oriented in an orderly or arbitrary way and electrically connected in series or in parallel with the adjacent element.
Secondo l'invenzione, detto generatore induttivo multistabile o con stabilità estesa (monostabile) è basato sullo sfruttamento delle oscillazioni multistabili o estese (monostabili) del sistema dinamico costituito dagli elementi magnetici interni ad una o più spire. According to the invention, said multistable inductive generator or with extended stability (monostable) is based on the exploitation of the multistable or extended (monostable) oscillations of the dynamic system consisting of the magnetic elements inside one or more turns.
Caso Capacitivo: Capacitive Case:
Preferibilmente, secondo l'invenzione, detto almeno un elemento capacitivo è costituito da due armature di materiale conduttore affacciate una sull'altra poste ad una certa distanza una dall'altra di forma sostanzialmente parallelepipeda. Preferably, according to the invention, said at least one capacitive element is constituted by two plates of conductive material facing each other and placed at a certain distance from each other with a substantially parallelepiped shape.
In una forma di realizzazione del generatore capacitivo secondo l'invenzione, un magnete permanente è posizionato su un supporto perpendicolare ad una delle armature del condensatore ed attaccato ad essa, essendo prevista una struttura che supporta, a debita distanza da detto magnete permanente altri magneti permanenti, aventi polarità invertita rispetto a detto magnete permanente. In an embodiment of the capacitive generator according to the invention, a permanent magnet is positioned on a support perpendicular to one of the plates of the capacitor and attached to it, a structure being provided which supports, at a suitable distance from said permanent magnet, other permanent magnets , having reversed polarity with respect to said permanent magnet.
In un’altra forma di realizzazione del generatore capacitivo secondo l’invenzione, può essere previsto a debita distanza da detto magnete permanente posizionato su un supporto perpendicolare ad una delle armature del condensatore ed attaccato ad essa, un magnete permanente esteso avente polarità invertita rispetto a detto magnete permanente. In another embodiment of the capacitive generator according to the invention, an extended permanent magnet having an inverted polarity with respect to called permanent magnet.
In un’altra forma di realizzazione la struttura con i magneti attaccata perpendicolarmente ad un'armatura del condensatore può essere duplicata anche sull'altra armatura. In another embodiment, the structure with the magnets attached perpendicularly to one armature of the capacitor can also be duplicated on the other armature.
Sempre secondo l'invenzione, può essere prevista una pluralità di detti elementi capacitivi con magneti permanenti posizionati su un supporto perpendicolare ad una delle armature del condensatore attaccato ad essa, ad uno o più magneti permanenti. Always according to the invention, a plurality of said capacitive elements with permanent magnets positioned on a support perpendicular to one of the plates of the capacitor attached to it, to one or more permanent magnets, can be provided.
In particolare, secondo l'invenzione, è prevista una pluralità di elementi capacitivi, orientati in modo ordinato o arbitrario ed elettricamente collegati in serie o in parallelo con l'elemento adiacente. In particular, according to the invention, a plurality of capacitive elements is provided, oriented in an orderly or arbitrary way and electrically connected in series or in parallel with the adjacent element.
Secondo l'invenzione, detto generatore capacitivo multistabile o con stabilità estesa (monostabile) è basato sullo sfruttamento delle oscillazioni multistabili o estese (monostabile) del sistema dinamico costituito dagli elementi conduttori che formano le due armature del condensatore. According to the invention, said multistable or extended stability (monostable) capacitive generator is based on the exploitation of the multistable or extended (monostable) oscillations of the dynamic system consisting of the conductive elements which form the two plates of the capacitor.
La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui: The present invention will now be described, for illustrative but not limitative purposes, according to its preferred embodiments, with particular reference to the figures of the attached drawings, in which:
le figure 1÷6 mostrano sei differenti forme di realizzazione di un generatore piezoelettrico con punto di equilibrio esteso secondo l'invenzione; Figures 1 ÷ 6 show six different embodiments of a piezoelectric generator with extended equilibrium point according to the invention;
le figure 7÷11 mostrano sei forme differenti di realizzazione di un generatore piezoelettrico con vari punti di equilibrio secondo l'invenzione; Figures 7-11 show six different embodiments of a piezoelectric generator with various equilibrium points according to the invention;
la figura 12 mostra una forma di realizzazione di un generatore induttivo con punto di equilibrio esteso (monostabile) secondo l'invenzione; figure 12 shows an embodiment of an inductive generator with extended equilibrium point (monostable) according to the invention;
la figura 13 mostra una seconda forma di realizzazione di un generatore induttivo multistabile secondo l'invenzione; figure 13 shows a second embodiment of a multistable inductive generator according to the invention;
la figura 14 mostra una terza forma di realizzazione di un generatore induttivo con punto di equilibrio esteso (monostabile) secondo l'invenzione; figure 14 shows a third embodiment of an inductive generator with extended equilibrium point (monostable) according to the invention;
le figure 15 e 16 mostrano due forme di realizzazione di un generatore capacitivo con punto di equilibrio esteso; Figures 15 and 16 show two embodiments of a capacitive generator with an extended equilibrium point;
le figure 17 e 18 mostrano due forme di realizzazione di un generatore capacitivo con vari punti di equilibrio; Figures 17 and 18 show two embodiments of a capacitive generator with various equilibrium points;
Osservando le figure dei disegni allegati, si evidenzierà come i generatori piezoelettrici induttivi o capacitivi di energia elettrica secondo l'invenzione possano assumere diverse configurazioni geometriche sempre basate sullo stesso principio inventivo di utilizzazione delle oscillazioni nonlineari multistabili o monostabili con stabilità estesa di un sistema dinamico. By observing the figures of the attached drawings, it will be highlighted how the inductive or capacitive piezoelectric generators of electric energy according to the invention can assume different geometric configurations always based on the same inventive principle of use of multistable or monostable nonlinear oscillations with extended stability of a dynamic system.
Osservando inizialmente la figura 1, una barretta B di forma approssimativamente parallelepipeda di materiale piezoelettrico viene tenuta ferma ad una estremità collegata ad una base fissa A. All'altra estremità della barretta B è fissato un piccolo magnete permanente C (NS). In corrispondenza del magnete permanente C, a debita distanza da questo, è collocato un altro magnete permanente D con polarità invertita (SN). Observing initially Figure 1, a rod B having an approximately parallelepiped shape of piezoelectric material is held firmly at one end connected to a fixed base A. A small permanent magnet C (NS) is fixed to the other end of the rod B. In correspondence with the permanent magnet C, at a suitable distance from it, there is another permanent magnet D with inverted polarity (SN).
Questo magnete D è di lunghezza molto maggiore rispetto al magnete C fissato sulla barretta piezoelettrica, e la sua magnetizzazione non è costante lungo tutta la sua lunghezza. Tale magnetizzazione infatti cambia muovendosi dal punto centrale del magnete in modo da esercitare sul magnete collegato alla barretta una forza che si oppone alla forza di richiamo dovuta alla piegatura della stessa, in una regione il più ampia possibile a partire dal punto centrale. Il magnete D è posto su di una struttura fissata solidalmente alla base fissa A. La forza esercitata tra i magneti C e D induce il piegamento parziale della barretta B. La variazione di magnetizzazione del magnete D serve a compensare la forza di richiamo della barretta B (che aumenta all’aumentare della sua piegatura) e la distanza tra i magneti C e D. Tutto ciò fa si che la barretta abbia una regione dove la forza risultante è quasi nulla per ampie oscillazioni attorno alla posizione verticale. This magnet D is much longer than the magnet C fixed on the piezoelectric rod, and its magnetization is not constant along its entire length. In fact, this magnetization changes moving from the central point of the magnet so as to exert on the magnet connected to the bar a force that opposes the return force due to the bending of the same, in a region as wide as possible starting from the central point. The magnet D is placed on a structure fixed integrally to the fixed base A. The force exerted between the magnets C and D induces the partial bending of the bar B. The variation in magnetization of the magnet D serves to compensate the return force of the bar B (which increases as its bending increases) and the distance between the magnets C and D. All this means that the bar has a region where the resulting force is almost zero for large oscillations around the vertical position.
Vibrazioni od oscillazioni indotte nella base A producono l'oscillazione della massa (in questo caso il magnete C) fissata all'estremità libera della barretta B, facendo effettuare a questa ampie escursioni intorno alla posizione verticale, nella regione estesa di equilibrio. Il piegamento ripetuto della barretta B piezoelettrica produce ai capi di questa una differenza di potenziale V che può essere convertita in flusso di elettricità mediante apposita elettronica standard, che non verrà descritta ulteriormente, non essendo oggetto specifico della presente invenzione. Vibrations or oscillations induced in the base A produce the oscillation of the mass (in this case the magnet C) fixed to the free end of the bar B, causing this to carry out wide excursions around the vertical position, in the extended region of equilibrium. The repeated bending of the piezoelectric bar B produces at its ends a potential difference V which can be converted into electricity flow by means of suitable standard electronics, which will not be described further, as it is not a specific object of the present invention.
La corrente così generata può essere impiegata per ralimentazione di dispositivi elettronici. The current thus generated can be used to power electronic devices.
Per poter espandere la regione di equilibrio, si può prevedere di avere il magnete D non più con una variazione di magnetizzazione, ma con una variazione di curvatura ed eventualmente di spessore tale da compensare la forza di richiamo elastica della barretta piezoelettrica B. Questa configurazione è visibile in figura 2. In order to expand the region of equilibrium, it can be envisaged to have the magnet D no longer with a variation of magnetization, but with a variation of curvature and possibly of such thickness as to compensate for the elastic return force of the piezoelectric bar B. This configuration is visible in figure 2.
Queste forme di realizzazione possono prevedere un numero arbitrario di barrette B piezoelettriche collegate una accanto all'altra. These embodiments can provide an arbitrary number of piezoelectric bars B connected next to each other.
Come si può osservare nella figura 3 la regione di equilibrio può essere estesa posizionando il magnete C, fissato all'estremità libera della barretta piezoelettrica B, in posizione trasversale rispetto ai casi precedenti. Due magneti DI e D2 posizionati a debita distanza da questo, aventi la stessa polarità (NS) contrastano anche in questo caso la forza di richiamo elastica della barretta B. As can be seen in Figure 3, the region of equilibrium can be extended by positioning the magnet C, fixed to the free end of the piezoelectric rod B, in a transverse position with respect to the previous cases. Two magnets DI and D2 positioned at a suitable distance from this, having the same polarity (NS), also in this case contrast the elastic return force of the bar B.
Anche questa forma di realizzazione può prevedere un numero arbitrario di barrette B piezoelettriche collegate una accanto all'altra separate da un magnete verticale. Also this embodiment can provide an arbitrary number of piezoelectric bars B connected next to each other separated by a vertical magnet.
In figura 4 è mostrata una quarta forma di realizzazione del generatore secondo l'invenzione, che prevede una barretta B, di forma approssimativamente parallelepipeda di materiale piezoelettrico, che è tenuta ferma ad entrambe le estremità, collegate ad una struttura fissa A A' in modo tale che la barretta B risulti curvata da un lato. Figure 4 shows a fourth embodiment of the generator according to the invention, which provides a bar B, approximately parallelepiped in shape of piezoelectric material, which is held firm at both ends, connected to a fixed structure A A 'in such a way that the bar B is curved on one side.
Al centro della barretta B è fissato un magnete permanente C. Due magneti DI e D2 posizionati a debita distanza da questo, aventi la polarità invertita rispetto a C tendono a respingere il magnete verso la posizione intermedia tra i due espandendo la regione di equilibrio della barretta B. A permanent magnet C is fixed to the center of the bar B. Two magnets DI and D2 positioned at a suitable distance from it, with the polarity reversed with respect to C, tend to repel the magnet towards the intermediate position between the two, expanding the equilibrium region of the bar B.
Vibrazioni od oscillazioni indotte nella struttura producono l'oscillazione della massa C fissata al centro della barretta B, facendo effettuare a questa ampie escursioni intorno alla regione di equilibrio in un moto che risulta così nonlineare. Vibrations or oscillations induced in the structure produce the oscillation of the mass C fixed to the center of the bar B, causing this to carry out wide excursions around the region of equilibrium in a motion that is thus nonlinear.
Il piegamento ripetuto della barretta B piezoelettrica produce ai suoi capi una differenza di potenziale V che può essere convertita in flusso di elettricità, mediante apposita elettronica standard, che non verrà descritta ulteriormente, non essendo oggetto specifico della presente invenzione. The repeated bending of the piezoelectric bar B produces at its ends a potential difference V which can be converted into electricity flow, by means of suitable standard electronics, which will not be described further, as it is not a specific object of the present invention.
Anche questa forma di realizzazione può prevedere un numero arbitrario di barrette B piezoelettriche collegate una accanto all'altra separate da un magnete verticale. Also this embodiment can provide an arbitrary number of piezoelectric bars B connected next to each other separated by a vertical magnet.
Nelle figure 5 e 6 sono mostrate due realizzazioni alternative di generatori piezoelettrici. In queste delle barrette B, di forma approssimativamente parallelepipede di materiale piezoelettrico sono attaccate, in una configurazione 'a pettine', ad una estremità su una struttura in grado di oscillare in direzione perpendicolare alle barrette grazie a delle molle SI ed S2. Altre barrette sono attaccate alle estremità opposte alla struttura esterna A, nel caso della figura 5, oppure ad un'altra struttura oscillante agganciata ad altre molle SI' ed S2', nel caso della figura 6. Figures 5 and 6 show two alternative embodiments of piezoelectric generators. In these bars B, approximately parallelepiped in shape of piezoelectric material, are attached, in a 'comb' configuration, to one end on a structure capable of oscillating in a direction perpendicular to the bars thanks to springs S1 and S2. Other bars are attached to the opposite ends to the external structure A, in the case of figure 5, or to another oscillating structure hooked to other springs S 'and S2', in the case of figure 6.
Un magnete (C in figura 5, o C e C’ in figura 6) è attaccato alle strutture oscillanti dalla parte opposta rispetto a dove sono agganciate le barrette piezoelettriche. Alla struttura esterna, a debita distanza dai magneti precedenti sono posizionati altri magneti (D in figura 5, o D e D' in figura 6) con polarità opposta rispetto ai magneti precedenti. La magnetizzazione di detti magneti D, o D e D’, non è costante secondo la lunghezza del magnete ma è variabile in maniera tale da poter contrastare in una regione la più ampia possibile la forza di richiamo delle molle SI e S2, o SI, S2, S3 e S4. In questa maniera le strutture oscillanti hanno una zona di equilibrio estesa intorno alla posizione centrale. A magnet (C in figure 5, or C and C 'in figure 6) is attached to the oscillating structures on the opposite side from where the piezoelectric bars are attached. Other magnets (D in figure 5, or D and D 'in figure 6) are positioned on the external structure, at a suitable distance from the previous magnets, with opposite polarity with respect to the previous magnets. The magnetization of said magnets D, or D and D ', is not constant according to the length of the magnet but is variable in such a way as to be able to contrast the return force of the springs SI and S2, or SI, in a region as wide as possible. S2, S3 and S4. In this way, the oscillating structures have an area of equilibrium extended around the central position.
Le vibrazioni esterne fanno sì che le strutture oscillanti si muovano intorno alle regioni estese di equilibrio facendo strusciare le barrette piezoelettriche di una parte contro quelle della parte opposta facendole piegare. In questa maniera si genera ai capi di ogni singola barretta per effetto piezoelettrico una differenza di potenziale che può essere accumulata utilizzando un’elettronica standard. The external vibrations cause the oscillating structures to move around the extended regions of equilibrium, making the piezoelectric bars of one side rub against those of the opposite side, causing them to bend. In this way, a potential difference is generated at the ends of each individual bar due to the piezoelectric effect, which can be accumulated using standard electronics.
In figura 7 è mostrata la versione multistabile del generatore piezoelettrico descritto in figura 1. In questo caso il magnete D è stato sostituito con molti magneti più piccoli disposti sempre in maniera tale che la polarizzazione sia inversa rispetto al magnete C. La magnetizzazione dei magneti D anche in questo caso varia da magnete a magnete in maniera tale da contrastare la forza di richiamo della barretta B. Figure 7 shows the multistable version of the piezoelectric generator described in figure 1. In this case the magnet D has been replaced with many smaller magnets always arranged in such a way that the polarization is inverse with respect to the magnet C. The magnetization of the magnets D also in this case it varies from magnet to magnet in such a way as to counteract the return force of the bar B.
Le vibrazioni esterne in questo caso fanno sì che la barretta B oscilli intorno ai molti punti di equilibrio che si generano nelle regioni in cui il magnete C si trovi tra due magneti della struttura superiore. Oscillazioni di ampiezza maggiore si hanno anche per passaggi della barretta tra più punti di equilibrio. Si ottiene in questo modo un oscillatore non lineare multistabile. The external vibrations in this case cause the bar B to oscillate around the many points of equilibrium that are generated in the regions where the magnet C is between two magnets of the upper structure. Oscillations of greater amplitude also occur due to the passage of the bar between several points of equilibrium. In this way, a multistable non-linear oscillator is obtained.
Anche in questo caso il piegamento ripetuto della barretta B piezoelettrica produce ai capi di questa una differenza di potenziale V che può essere convertita in flusso di elettricità mediante apposita elettronica standard. Also in this case the repeated bending of the piezoelectric bar B produces a potential difference V at its ends which can be converted into electricity flow by means of special standard electronics.
Allo stesso modo una ulteriore versione di tale generatore secondo l'invenzione è mostrato in figura 8 dove la posizione dei molti magneti D è variata in maniera tale da contrastare la forza di richiamo elastica della barretta B non più variando la magnetizzazione, ma posizionando i magneti ad opportune distanze dal magnete C. Similarly, a further version of this generator according to the invention is shown in figure 8 where the position of the many magnets D is varied in such a way as to counteract the elastic return force of the bar B no longer by varying the magnetization, but by positioning the magnets at suitable distances from the magnet C.
Un’altra versione del caso precedente è mostrata in figura 9 dove ogni magnete D viene a sua volta collocato su altre barrette di materiale piezoelettrico. La vibrazione esterna in questo caso produce una oscillazione multistabile della barretta B non più in punti di equilibrio fissi, ma variabili a causa delle oscillazioni delle singole barrette piezoelettriche superiori. Another version of the previous case is shown in figure 9 where each magnet D is in turn placed on other bars of piezoelectric material. The external vibration in this case produces a multistable oscillation of the bar B no longer in fixed equilibrium points, but variable due to the oscillations of the single upper piezoelectric bars.
Anche in questi tre ultimi casi queste forme di realizzazione possono prevedere un numero arbitrario di barrette B piezoelettriche collegate una accanto all’altra. Also in these last three cases these embodiments can provide an arbitrary number of piezoelectric bars B connected next to each other.
Nelle figure 10 e 11 sono mostrati gli analoghi multistabili rispetto a quelli già descritti nelle figure 5 e 6. Anche in questi casi i magneti singoli sono stati sostituiti da magneti multipli sia sulle strutture oscillanti (magneti C in figura 10, o C e C' in figura 11), che sulle strutture fisse (magneti D in figura 10, o D e D’ in figura 11). Figures 10 and 11 show the multistable analogs with respect to those already described in Figures 5 and 6. Also in these cases the single magnets have been replaced by multiple magnets both on the oscillating structures (magnets C in figure 10, or C and C ' in figure 11), and on fixed structures (magnets D in figure 10, or D and D 'in figure 11).
La vibrazione esterna in questo caso fa sì che la struttura oscilli intorno ai molti punti di equilibrio che si generano nelle regioni in cui i magneti C (e C’ in figura 11) si trovino tra due magneti della struttura superiore (e inferiore in figura 11). Oscillazioni di ampiezza maggiore si hanno anche per passaggi della barretta tra più punti di equilibrio. Si ottiene anche in questo modo un oscillatore non lineare multistabile. The external vibration in this case causes the structure to oscillate around the many points of equilibrium that are generated in the regions where the magnets C (and C 'in figure 11) are between two magnets of the upper structure (and lower in figure 11) ). Oscillations of greater amplitude also occur due to the passage of the bar between several points of equilibrium. A multistable non-linear oscillator is also obtained in this way.
In figura 12 è descritto un generatore di tipo induttivo. In questo caso la vibrazione della struttura esterna A induce una oscillazione di una massa oscillante, determinata dai magneti perpendicolari C, attaccati alla struttura esterna tramite delle molle SI ed S2. Figure 12 describes an inductive type generator. In this case, the vibration of the external structure A induces an oscillation of an oscillating mass, determined by the perpendicular magnets C, attached to the external structure by means of the springs S1 and S2.
L’oscillazione del magnete all’interno e tra le bobine elettriche E determina un’induzione elettrica (una differenza di potenziale) ai capi delle bobine stesse. Tale differenza di potenziale può essere convertita in flusso di elettricità mediante apposita elettronica standard, che non verrà descritta ulteriormente, non essendo oggetto specifico della presente invenzione. The oscillation of the magnet inside and between the electric coils E determines an electric induction (a potential difference) at the ends of the coils themselves. This potential difference can be converted into electricity flow by means of suitable standard electronics, which will not be described further, as it is not a specific object of the present invention.
Grazie alla presenza dei magneti D e D' posizionati ad una distanza oppurtuna dai magneti C e con magnetizzazione opposta rispetto alla magnetizzazione del magnete verticale in C, e con magnetizzazione variabile al variare della lunghezza orizzontale degli stessi (così da contrastare la forza elastica delle molle) l’oscillazione diventa non lineare con una estesa regione di equilibrio intorno al punto centrale. La magnetizzazione dei magneti D e D' ha un valore variabile (in maniera opportuna) con l’aumentare della distanza dal centro dei magneti stessi. Thanks to the presence of the magnets D and D 'positioned at an appropriate distance from the magnets C and with opposite magnetization with respect to the magnetization of the vertical magnet in C, and with variable magnetization as the horizontal length of the same varies (so as to counteract the elastic force of the springs ) the oscillation becomes non-linear with an extended region of equilibrium around the central point. The magnetization of magnets D and D 'has a variable value (appropriately) with increasing distance from the center of the magnets themselves.
In figura 13 si ha la versione multistabile del caso precedente, in cui, anche in questo caso, i magneti D e D' sono stati sostituiti da molti (tre in questo caso) magneti singoli. Figure 13 shows the multistable version of the previous case, in which, also in this case, the magnets D and D 'have been replaced by many (three in this case) single magnets.
L’oscillazione in questo caso e di tipo multistabile in cui i punti di stabilità sono quelli in cui il magnete verticale in C risulta posizionato (sempre sul suo piano di oscillazione) tra i magneti agganciati alla struttura esterna A. The oscillation in this case is of the multistable type in which the points of stability are those in which the vertical magnet in C is positioned (always on its oscillation plane) between the magnets attached to the external structure A.
L’oscillazione della struttura oscillante risulta pertanto una oscillazione intorno alla regione di equilibrio nel caso della figura 12, e in questo caso (figura 13) si ha una oscillazione intorno alle singole posizioni di equilibrio combinata ad un’oscillazione più ampia tra le varie posizioni di equilibrio. The oscillation of the oscillating structure therefore results in an oscillation around the equilibrium region in the case of figure 12, and in this case (figure 13) there is an oscillation around the individual equilibrium positions combined with a wider oscillation between the various positions of balance.
In figura 14 è mostrata una terza forma di realizzazione del generatore induttivo secondo l’invenzione, che prevede una barretta B, di forma approssimativamente parallelepipeda di materiale elastico a costituire una membrana, tenuta ferma ad entrambe le estremità, collegate ad una struttura fissa A A' in modo tale che la barretta B risulti piegata da un lato. Figure 14 shows a third embodiment of the inductive generator according to the invention, which provides a bar B, approximately parallelepiped in shape of elastic material to form a membrane, held firm at both ends, connected to a fixed structure A A ' in such a way that the bar B is bent on one side.
Al centro della barretta B è fissato un magnete permanente C. Due magneti DI e D2 posizionati a debita distanza da questo, aventi la polarità invertita rispetto a C tendono a respingere il magnete nella posizione centrale espandendo la regione di equilibrio della barretta B. A permanent magnet C is fixed to the center of the bar B. Two magnets DI and D2 positioned at a suitable distance from it, having the reverse polarity with respect to C, tend to repel the magnet in the central position, expanding the region of equilibrium of the bar B.
A debita distanza dal magnete centrale sono posizionate due bobine elettriche E1 ed E2 in modo tale che il magnete nelle posizioni estreme possa entrare al loro interno. At a suitable distance from the central magnet, two electric coils E1 and E2 are positioned so that the magnet in the extreme positions can enter them.
Vibrazioni od oscillazioni indotte nella struttura producono roscillazione della massa C fissata al centro della barretta B, facendo effettuare a questa ampie escursioni intorno alla regione di equilibrio in un moto che risulta così nonlineare. Vibrations or oscillations induced in the structure produce oscillation of the mass C fixed to the center of the bar B, causing this to carry out wide excursions around the region of equilibrium in a motion that is thus nonlinear.
Il piegamento ripetuto della barretta B elastica fa si che il magnete oscillando dentro e fuori dalle rispettive bobine induca sulle bobine stesse una differenza di potenziale V che può essere convertita in flusso di elettricità mediante apposita elettronica standard, che non verrà descritta ulteriormente, non essendo oggetto specifico della presente invenzione. The repeated bending of the elastic bar B causes the magnet, oscillating in and out of the respective coils, to induce on the coils themselves a potential difference V which can be converted into electricity flow by means of special standard electronics, which will not be described further, as it is not subject specific to the present invention.
Anche questa forma di realizzazione può prevedere un numero arbitrario di barrette B elastiche collegate una accanto all'altra separate da un magnete verticale e da rispettive bobine elettriche. Also this embodiment can provide an arbitrary number of elastic bars B connected one next to the other separated by a vertical magnet and by respective electric coils.
Per quanto riguarda i casi mostrati nelle figure 15÷18 si tratta di generatori di tipo capacitivo. In tutte le figure si hanno due armature di un condensatore piano B1 e B2, collegate tra loro (in maniera non conduttiva) da due molle, SI ed S2 che fanno sì che la loro mutua distanza possa variare a causa della vibrazione della struttura esterna A. Nel caso delle figure 15 e 17 una delle due armature è ancorata alla struttura esterna in maniera tale che una sola armatura possa oscillare, negli altri due casi (figure 16 e 18) entrambe le armature sono libere di oscillare. Alle armature libere è agganciata una barra orizzontale su cui è posizionato un magnete permanente C, ad una distanza opportuna da questo è posizionato un altro magnete D nel caso delle figure 15 e 16, od un certo numero di altri magneti nei casi delle figure 17 e 18. 1 magneti D hanno polarizzazione invertita rispetto al magnete C. As far as the cases shown in figures 15 ÷ 18 are concerned, they are capacitive type generators. In all the figures there are two plates of a flat capacitor B1 and B2, connected to each other (in a non-conductive way) by two springs, SI and S2 which allow their mutual distance to vary due to the vibration of the external structure A In the case of figures 15 and 17 one of the two reinforcements is anchored to the external structure in such a way that only one reinforcement can oscillate, in the other two cases (figures 16 and 18) both reinforcements are free to oscillate. A horizontal bar is attached to the free armatures on which a permanent magnet C is positioned, at a suitable distance from this another magnet D is positioned in the case of figures 15 and 16, or a certain number of other magnets in the cases of figures 17 and 18. Magnets D have reverse polarization with respect to magnet C.
Per quanto riguarda le figure 15 e 16, trattandosi di un solo magnete D, la magnetizzazione dello stesso, analogamente ai casi visti in precedenza aumenta in maniera simmetrica lungo la lunghezza dello stesso, avendo il valore minimo al centro. Questo per compensare la forza di richiamo elastica delle molle e far sì che la zona di equilibrio sia estesa intorno alla posizione centrale. Una vibrazione dunque della struttura esterna produce in questi casi un'ampia oscillazione non lineare intorno alla regione di equilibrio estesa. As far as figures 15 and 16 are concerned, being a single magnet D, its magnetization, similarly to the cases seen above, increases symmetrically along its length, having the minimum value in the center. This is to compensate for the elastic return force of the springs and to ensure that the balance zone is extended around the central position. A vibration of the external structure therefore produces in these cases a large non-linear oscillation around the extended equilibrium region.
Nei casi delle figure 17 e 18 i magneti D sono molteplici, si ha pertanto che il sistema presenta varie posizioni di equilibrio laddove il magnete C si trovi in una posizione intermedia rispetto ai magneti superiori. In questi casi, una oscillazione della struttura esterna genera un’oscillazione non lineare multistabile, con oscillazioni di piccola ampiezza intorno ai punti di equilibrio, ed oscillazioni di più grande ampiezza per passaggi da una posizione di equilibrio ad un'altra. In the cases of figures 17 and 18 the magnets D are numerous, therefore the system has various equilibrium positions where the magnet C is in an intermediate position with respect to the upper magnets. In these cases, an oscillation of the external structure generates a multistable non-linear oscillation, with oscillations of small amplitude around the points of equilibrium, and oscillations of greater amplitude for passages from one position of equilibrium to another.
Per i generatori capacitivi descritti nelle figure 15÷18 si ha inizialmente una carica elettrica fissa Q sulle armature del condensatore. L'oscillazione, variando la distanza delle armature, varia la capacità del condensatore stessa, la quale determina una variazione di differenza di potenziale tra le armature. Tale differenza di potenziale può essere convertita in flusso di elettricità mediante apposita elettronica standard, che non verrà descritta ulteriormente, non essendo oggetto specifico della presente invenzione. For the capacitive generators described in figures 15 ÷ 18 there is initially a fixed electric charge Q on the plates of the capacitor. The oscillation, by varying the distance of the plates, varies the capacitance of the capacitor itself, which determines a variation of the potential difference between the plates. This potential difference can be converted into electricity flow by means of appropriate standard electronics, which will not be described further, as it is not a specific object of the present invention.
Alla base dei generatori piezoelettrici, induttivi e capacitivi secondo l'invenzione vi è la conversione di energia meccanica in energia elettrica mediante effetto piezoelettrico, induzione elettromagnetica o induzione elettrica. La corrente prodotta ai capi delle barrette B piezoelettriche, ai capi delle bobine E o ai capi delle armature dei condensatori B1 e B2 a parità di altre condizioni, è tanto maggiore quanto maggiore è il moto di tali sistemi. At the basis of the piezoelectric, inductive and capacitive generators according to the invention there is the conversion of mechanical energy into electrical energy by means of the piezoelectric effect, electromagnetic induction or electrical induction. The current produced at the ends of the piezoelectric bars B, at the ends of the coils E or at the ends of the armatures of the capacitors B1 and B2, other conditions being equal, is the greater the greater the motion of these systems.
La corrente generata dai generatori in questione secondo l'invenzione è quindi una funzione del moto delle barrette piezoelettriche, dei magneti o delle armature dei condensatori, che a loro volta è una funzione del moto dei supporti esterni A. A parità di moto dei supporti esterni A, e a parità dei fattori di conversione piezoelettrico, elettromagnetico od elettrostatico, dati due generatori, risulta più efficiente quel generatore che è capace di rispondere con maggiore ampiezza al moto della struttura A su cui è fissato. La capacità di rispondere a tale moto viene quantificata mediante il concetto di funzione di risposta. La funzione di risposta di una struttura meccanica, determina quanta della energia fornita dall'ambiente viene trasferita alla struttura meccanica. The current generated by the generators in question according to the invention is therefore a function of the motion of the piezoelectric bars, of the magnets or of the armatures of the capacitors, which in turn is a function of the motion of the external supports A. With the same motion of the external supports. A, and with the same piezoelectric, electromagnetic or electrostatic conversion factors, given two generators, the generator that is capable of responding with greater amplitude to the motion of the structure A on which it is fixed is more efficient. The ability to respond to this motion is quantified through the concept of response function. The response function of a mechanical structure determines how much of the energy supplied by the environment is transferred to the mechanical structure.
I generatori di questo tipo noti hanno una funzione di risposta di tipo risonante, ovvero il massimo dell'energia trasferita si ottiene per una specifica frequenza, tipica della struttura meccanica. Lontano da questa frequenza di risonanza, l'energia trasferita diminuisce rapidamente e risulta praticamente nulla già a frequenze dell'ordine di due, tre volte (o un mezzo, un terzo) la frequenza di risonanza. Known generators of this type have a response function of the resonant type, ie the maximum of the transferred energy is obtained for a specific frequency, typical of the mechanical structure. Away from this resonant frequency, the transferred energy decreases rapidly and is practically zero already at frequencies of the order of two, three times (or one half, one third) the resonant frequency.
Al contrario, i generatori oggetti della presente invenzione impiegano una funzione di risposta di tipo NONrisonante. In altre parole, non esiste un'unica frequenza di risonanza, come negli oscillatori lineari, ma la dinamica è caratterizzata da una funzione di risposta nonlineare, com'è tipico per l'oscillatore multistabile o con una vasta regione di stabilità (monostabile non-lineare) che caratterizza questi generatori. On the contrary, the generators object of the present invention employ a response function of the NON-resonant type. In other words, there is no single resonant frequency, as in linear oscillators, but the dynamics is characterized by a nonlinear response function, as is typical for the multistable oscillator or with a wide region of stability (monostable non- linear) that characterizes these generators.
La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate. The present invention has been described by way of illustration, but not of limitation, according to its preferred embodiments, but it is to be understood that variations and / or modifications may be made by those skilled in the art without thereby departing from the relative scope of protection, as defined from the attached claims.
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