RU124459U1

RU124459U1 - PIEZOELECTRIC DEVICE FOR ENERGY CONVERSION

Info

Publication number: RU124459U1
Application number: RU2012133833/07U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Аверкиевич Шляхин; Анатолий Петрович Литиков
Original assignee: Дмитрий Аверкиевич Шляхин; Анатолий Петрович Литиков
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2013-01-20

Abstract

Пьезоэлектрическое устройство для преобразования энергии, содержащее статор на котором закреплен пьезоэлемент, имеющий форму вращения, и ротор, на котором расположены деформирующие ролики, отличающееся тем, что в нем пьезоэлемент выполнен в виде жестко закрепленной с неподвижным основанием толстой полой пьезокерамической пластины, имеющей сплошное секционное электродное покрытие на ее торцевых поверхностях.A piezoelectric device for energy conversion, containing a stator on which a piezoelectric element having the form of rotation is fixed, and a rotor on which deforming rollers are located, characterized in that the piezoelectric element is made in the form of a thick hollow piezoceramic plate rigidly fixed with a fixed base having a continuous sectional electrode coating on its end surfaces.

Description

Полезная модель относится к области электроэнергетики и является достаточно простым пьезокерамическим генератором напряжения, в котором используется принцип прямого пьезоэффекта.The utility model relates to the field of electric power industry and is a fairly simple piezoelectric ceramic voltage generator, which uses the principle of direct piezoelectric effect.

Наиболее близким известным устройством того же назначения является изобретение для преобразования механической энергии в электрическую и связанное с изгибными колебаниями тонкостенных биморфных пластин (патент RU 2113757), которое принято за прототип.The closest known device for the same purpose is the invention for converting mechanical energy into electrical energy and associated with bending vibrations of thin-walled bimorph plates (patent RU 2113757), which is taken as a prototype.

В качестве недостатков данной модели, которые характерны для всех биморфных преобразователей, можно отметить:As the disadvantages of this model, which are characteristic of all bimorph converters, it can be noted:

1) Сложность преобразующего устройства, которое состоит из нескольких тонкостенных круглых пластин, закрепленных на жесткой подложке;1) The complexity of the conversion device, which consists of several thin-walled round plates mounted on a rigid substrate;

2) Большая чувствительность к внешним факторам не связанным с работой устройства, в частности, к вибрации и акустическому давлению;2) Great sensitivity to external factors not related to the operation of the device, in particular, to vibration and acoustic pressure;

3) Температурная нестабильность пьезокерамики, которая наиболее ярко проявляется в тонкостенных элементах и приводит к изменению параметров преобразования.3) The temperature instability of piezoceramics, which is most pronounced in thin-walled elements and leads to a change in the transformation parameters.

В заявляемой полезной модели данные недостатки отсутствуют за счет использования в качестве основного рабочего элемента полой толстой пьезокерамической пластины с аксиальной поляризацией материала, которая используется для генерирования электрической энергии.In the claimed utility model, these drawbacks are absent due to the use of a hollow thick piezoceramic plate with axial polarization of the material, which is used to generate electrical energy, as the main working element.

Указанный технический результат достигается тем, что пьезоэлектрическое устройство, включающее статор, состоящим из неподвижного основания и жестко закрепленного пьезокерамического элемента, и ротор, включающим массивное цилиндрическое тело и систему роликов, особенностью является то, для генерирования электрической энергии используется толстая полая пьезокерамическая пластина. Ее деформирование осуществляется с помощью механической нагрузки действующей на ее торцевой поверхности.The indicated technical result is achieved in that the piezoelectric device comprising a stator, consisting of a fixed base and a rigidly fixed piezoceramic element, and a rotor including a massive cylindrical body and a system of rollers, a feature is that a thick hollow piezoceramic plate is used to generate electrical energy. Its deformation is carried out by means of a mechanical load acting on its end surface.

На фиг.1, 2 изображена схема пьезоэлектрического устройства и его сечение по I-I, на которых принято следующее обозначение: 1 - неподвижное основание; 2 - толстая полая пьезокерамическая пластина; 3 - сплошные секционные электроды (8 штук на каждой торцевой поверхности пьезокерамического элемента); 4 - токосъемное устройство; 5 - ротор; 6 - система спаренных роликов из диэлектрического материала; 7 - крепление роликов; 8 - ось вращения ротора.Figure 1, 2 shows a diagram of a piezoelectric device and its cross section according to I-I, which adopted the following designation: 1 - fixed base; 2 - a thick hollow piezoceramic plate; 3 - continuous sectional electrodes (8 pieces on each end surface of the piezoceramic element); 4 - current collector; 5 - rotor; 6 - a system of twin rolls of dielectric material; 7 - mounting of the rollers; 8 - axis of rotation of the rotor.

Предлагаемое пьезоэлектрическое устройство работает следующим образом. Вращение массивной части ротора (5) с угловой скоростью ω посредством внешней механической энергии (энергия ветра, пара, воды и т.д.) позволяет с помощью системы четырех спаренных роликов (6) создать нестационарные усилия на торцевой поверхности пьезокерамической пластины (2). В результате механических колебаний одна часть пьезокерамической пластины (2) испытывает сжатие, а другая - растяжение, т.е. на соответствующих областях ее торцевой поверхности появляются свободные электрические заряды разных знаков.The proposed piezoelectric device operates as follows. Rotation of the massive part of the rotor (5) with an angular velocity ω by means of external mechanical energy (energy of wind, steam, water, etc.) makes it possible to create unsteady forces on the end surface of a piezoceramic plate using a system of four paired rollers (6). As a result of mechanical vibrations, one part of the piezoceramic plate (2) undergoes compression, and the other under tension, i.e. free electric charges of different signs appear on the corresponding regions of its end surface.

Принимая во внимание данный факт для эффективной работы преобразователя (2) на его торцевых поверхностях наносится сплошное электродное покрытие в виде восьми несвязанных между собой секторов (3) на каждой стороне. Кроме того, для уменьшения компенсации зарядов разных знаков в пределах каждого секционного электрода (3) конструкция спаренных роликов (6) в виде усеченных конусов подбирается таким образом, чтобы их расположение в середине электрода создавало во всей области сектора усилие сжатия. Данный эффект достигается за счет подбора размеров спаренных конусов, пьезокерамического кольца, а также скорости вращения и массы ротора.Taking this fact into account for the effective operation of the transducer (2), a continuous electrode coating is applied on its end surfaces in the form of eight sectors (3) unconnected to each other on each side. In addition, to reduce the compensation of charges of different signs within each sectional electrode (3), the design of paired rollers (6) in the form of truncated cones is selected so that their location in the middle of the electrode creates a compressive force in the entire region of the sector. This effect is achieved by selecting the dimensions of the paired cones, the piezoceramic ring, as well as the rotation speed and rotor mass.

Наличие свободных зарядов разных знаков на секционных электродах (3) и различное подключение их к токосъемному устройству (4) позволяет получать разнообразные уровни генерируемого электрического напряжения.The presence of free charges of different signs on the sectional electrodes (3) and their different connection to the current collector (4) allows one to obtain various levels of generated electric voltage.

Основным недостатком пьезогенератора является наличие контактирующих поверхностей между рабочей частью пьезокерамического элемента и роликами, выполненными из диэлектрического материала. Для его устранения накладывается ограничение на скорость вращения ротора.The main disadvantage of the piezoelectric generator is the presence of contacting surfaces between the working part of the piezoelectric element and rollers made of dielectric material. To eliminate it, a limitation is placed on the rotor speed.

Claims

A piezoelectric device for energy conversion, containing a stator on which a piezoelectric element having the form of rotation is fixed, and a rotor on which deforming rollers are located, characterized in that the piezoelectric element is made in the form of a thick hollow piezoceramic plate rigidly fixed with a fixed base having a continuous sectional electrode coating on its end surfaces.