RU154688U1

RU154688U1 - BIMORPHIC PIEZOELECTRIC GENERATOR

Info

Publication number: RU154688U1
Application number: RU2014150739/07U
Authority: RU
Inventors: Константин Евгеньевич Аббакумов; Валерий Михайлович Цаплев; Сергей Ильич Коновалов; Роман Сергеевич Коновалов
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2015-08-27

Abstract

1. Биморфный пьезоэлектрический генератор, содержащий пьезоэлектрический преобразователь, параллельно которому включен резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор и аккумулятор с регулятором зарядного тока, отличающийся тем, что пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде плоского круглого секционированного биморфного преобразователя с грузом в центре, секции которого электрически соединены друг с другом, а каждая секция состоит из одного или более пьезоэлементов, склеенных друг с другом и электрически соединенных друг с другом, причем весь преобразователь размещен в прочном плоском корпусе.2. Пьезоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что преобразователи в каждой секции соединены последовательно.3. Пьезоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что преобразователи в каждой секции соединены параллельно.1. A bimorphic piezoelectric generator containing a piezoelectric transducer, in parallel with which is connected a resistor, a rectifier, a storage capacitor and a battery with a charge current regulator, characterized in that the piezoelectric transducer is made in the form of a flat round sectioned bimorph transducer with a load in the center, the sections of which are electrically connected to each other with each other, and each section consists of one or more piezoelectric elements glued together and electrically connected to each other with one another, wherein the entire transducer is placed in a robust flat korpuse.2. The piezoelectric generator according to claim 1, characterized in that the transducers in each section are connected in series. The piezoelectric generator according to claim 1, characterized in that the transducers in each section are connected in parallel.

Description

Полезная модель относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использован в любой области техники в качестве источника тока.The utility model relates to electromechanical energy converters, namely to converters operating on the basis of the use of piezoceramic materials, and can be used in any field of technology as a current source.

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.A known piezoelectric direct current generator, for example RU 2113757, containing a piezoelectric element made in the form of a flat bimorph disk mounted in the center of the disk, and axially deformed by two rollers mounted on the rotor through a flexible insulating gasket. The piezoelectric element may contain many piezoceramic discs to increase power. When the rotor rotates from an external source of mechanical energy, the rollers that are mounted relative to the disk elements in such a way that their deformation is ensured are rolled along the gasket, deforming the piezoelectric elements. When the piezoelectric elements are deformed on the electrodes due to the direct piezoelectric effect, charges arise, while on the external electrodes of the piezoelectric element - charges of the opposite sign, which make up the potential difference.

При вращении ротора и круговой деформации пьезоэлемента на электродах возникает постоянная разность потенциалов, соответствующая величине деформации.During the rotation of the rotor and the circular deformation of the piezoelectric element on the electrodes, a constant potential difference arises, corresponding to the strain value.

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.The disadvantages of this generator are that it is driven by an external energy source, such as wind or water, i.e. requires an additional energy conversion device. In addition, by virtue of its design, it is limited by the size of the piezoelectric element, and therefore, the generated energy is also limited. There is no electrical energy storage.

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.A piezoelectric generator is also known, for example, US Pat. No. 5,801,475, which contains a cantilever-mounted bimorph piezoelectric element that oscillates under the influence of external vibrations, as a result of which a variable potential difference, a resistor, a rectifier element, a storage capacitor, and an output regulating electronic circuit are generated on its plates by a direct piezoelectric effect.

Рассмотренное решение наиболее близко по совокупности существенных признаков к предлагаемому решению.The considered solution is the closest in the aggregate of essential features to the proposed solution.

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.The disadvantages of this generator include its small size and cantilever fixing of the piezoelectric element, as a result, low output power and increased fragility. These disadvantages limit the use of such a generator only to microelectronic devices.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является увеличение электрической мощности пьезогенератора, а также использование даровой энергии вибрации различных промышленных, строительных, дорожных и бытовых конструкций.The problem solved by the proposed utility model is to increase the electric power of the piezoelectric generator, as well as the use of free vibration energy of various industrial, construction, road and household structures.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемая полезная модель так же, как и известный пьезоэлектрический генератор, содержит биморфный пьезоэлектрический преобразователь, параллельно которому включен резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор и выходную регулирующую электронную цепь. Но, в отличие от известного, 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 одного или более пьезоэлементов, склеенных друг с другом и электрически соединенных друг с другом.The problem is solved due to the fact that the proposed utility model, like the well-known piezoelectric generator, contains a bimorph piezoelectric transducer, in parallel with which a resistor, a rectifier, a storage capacitor and an output regulatory electronic circuit are connected. But, unlike the known one, in the proposed generator the piezoelectric transducer is made in the form of a disk flat bimorph sectional transducer equipped with a load to reduce the frequency of its own resonance, placed in a strong rigid case, and the transducer sections are electrically connected to each other, and each section consists of one or more piezoelectric elements glued together and electrically connected to each other.

Достигаемым техническим результатом является увеличение мощности пьезоэлектрического генератора.Achievable technical result is an increase in the power of the piezoelectric generator.

Совокупность признаков, сформулированных в п. 2 формулы полезной модели, характеризует пьезоэлектрический генератор, в котором преобразователи в каждой секции соединены последовательно.The set of features formulated in paragraph 2 of the utility model formula characterizes a piezoelectric generator in which the transducers in each section are connected in series.

Достигаемым техническим результатом является увеличение выходного напряжения пьезоэлектрического генератора и снижение собственной электрической емкости генератора.The technical result achieved is an increase in the output voltage of the piezoelectric generator and a decrease in the generator’s own electric capacity.

Совокупность признаков, сформулированных в п. 3 формулы полезной модели, характеризует пьезоэлектрический генератор в котором преобразователи в каждой секции соединены параллельно.The set of features formulated in paragraph 3 of the utility model formula characterizes a piezoelectric generator in which the transducers in each section are connected in parallel.

Достигаемым техническим результатом является увеличение электрического заряда, вырабатываемого пьезоэлектрическим генератором.The technical result achieved is an increase in the electric charge generated by the piezoelectric generator.

Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:The utility model is illustrated by drawings, where:

на фиг. 1 показана схема пьезоэлектрического генератора;in FIG. 1 shows a diagram of a piezoelectric generator;

на фиг. 2 изображен схематически пример выполнения составной части пьезоэлектрического генератора - биморфного преобразователя;in FIG. 2 is a schematic illustration of an embodiment of a component of a piezoelectric generator — a bimorph transducer;

Пьезоэлектрический генератор (фиг. 1) имеет биморфный пьезопреобразователь 1, резистор 2, выпрямитель 3, накопительный конденсатор 4, схему, управляющую зарядом аккумулятора 5 и аккумулятор 6.The piezoelectric generator (Fig. 1) has a bimorph piezoelectric transducer 1, a resistor 2, a rectifier 3, a storage capacitor 4, a circuit that controls the charge of the battery 5 and the battery 6.

Пьезоэлектрический преобразователь (фиг. 2) выполнен в виде плоской биморфной круглой секционированной пластины, зажатой по периметру, состоящей из набора плоских прямоугольных пьезоэлементов, объединенных в секции 7-14. 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 преобразователя. В приведенном примере выполнения преобразователя (фиг. 2) верхняя часть состоит из восьми секций 7-14 по три элементов в каждой, соединенных последовательно. Все секции соединены параллельно. Аналогичное устройство имеет нижняя часть, которая также состоит из шести секций по три элементов в каждой. К электродам верхней и нижней частей припаяны выводы 15, 16, с которых снимается переменное напряжение и поступает дальше на выпрямитель. Верхняя и нижняя части наклеены на базовую металлическую упругую круглую пластину 17. Для снижения собственной частоты преобразователь снабжен грузом 18, закрепленным в центре пластины.The piezoelectric transducer (Fig. 2) is made in the form of a flat bimorphic circular sectioned plate clamped around the perimeter, consisting of a set of flat rectangular piezoelectric elements combined in sections 7-14. The piezoelectric elements inside each section, as well as the sections between themselves, are electrically connected in series or in parallel, depending on what voltage and what power is required from the converter. In the above example, the converter (Fig. 2), the upper part consists of eight sections 7-14, three elements in each, connected in series. All sections are connected in parallel. A similar device has a lower part, which also consists of six sections of three elements each. The electrodes of the upper and lower parts are soldered to terminals 15, 16, from which the alternating voltage is removed and then goes to the rectifier. The upper and lower parts are glued to the base metal elastic round plate 17. To reduce the natural frequency, the converter is equipped with a load 18 fixed in the center of the plate.

Преобразователь в целом опирается на пластину 19, плотно закрепленную на колеблющейся поверхности. Таким образом преобразователь может выдерживать без разрушения большие статические и динамические нагрузки.The transducer as a whole rests on a plate 19 tightly mounted on an oscillating surface. In this way, the converter can withstand large static and dynamic loads without breaking.

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.The output voltage of the converter through the matching resistor 2 is fed to the input of the rectifier 3, and then the rectified voltage is fed to the input of the storage capacitor 4. After the storage capacitor through the electronic control circuit 5, the voltage is supplied to the input of the battery 6.

Указанные признаки полезной модели являются существенными, т.е. влияющими непосредственно на результат, который может быть получен при осуществлении изобретения.The indicated features of the utility model are significant, i.e. directly affecting the result that can be obtained by carrying out the invention.

Генератор работает следующим образом.The generator operates as follows.

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 частоте основного изгибного резонанса под действием внешней возбуждающей силы f. Амплитуда переменного напряжения на выходе преобразователя в таком случае максимальна. Преобразователь может также колебаться на частоте вибрирующего элемента, которая может не совпадать с частотой резонанса преобразователя. В этом случае на выходе преобразователя вырабатывается несколько меньшее напряжение. 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.The bimorph converter 1 is attached to a vibrating element of a building, industrial, domestic or road structure, for example, to the floor, or to a road or railway track. In this case, the converter can oscillate at the frequency of the main bending resonance under the action of an external exciting force f. The amplitude of the alternating voltage at the output of the converter in this case is maximum. The converter may also oscillate at a frequency of the vibrating element, which may not coincide with the resonance frequency of the converter. In this case, a slightly lower voltage is generated at the converter output. During vibration, as a result of the direct piezoelectric effect, an alternating voltage arises at the output of the converter, which is supplied to resistor 2, and then to rectifier 3. After rectification, the electric charge is accumulated on the storage capacitor 4, then fed to circuit 5, which controls the battery charge. The energy of a charged battery is used by the consumer. Thus, the free energy of vibration of various objects is used.

Достигаемый технический результат - увеличение мощности пьезоэлектрического генератора.Technical result achieved is an increase in the power of the piezoelectric generator.

Claims

1. A bimorphic piezoelectric generator containing a piezoelectric transducer, in parallel with which is connected a resistor, a rectifier, a storage capacitor and a battery with a charge current regulator, characterized in that the piezoelectric transducer is made in the form of a flat round sectioned bimorph transducer with a load in the center, the sections of which are electrically connected to each other with each other, and each section consists of one or more piezoelectric elements glued together and electrically connected to each other with one another, wherein the entire transducer is placed in a robust flat housing.

2. The piezoelectric generator according to claim 1, characterized in that the transducers in each section are connected in series.

3. The piezoelectric generator according to claim 1, characterized in that the transducers in each section are connected in parallel.