RU183847U1

RU183847U1 - Sectioned Piezoelectric Generator

Info

Publication number: RU183847U1
Application number: RU2018118666U
Authority: RU
Inventors: Валерий Михайлович Цаплев; Борис Черсуевич И; Сергей Ильич Коновалов; Роман Сергеевич Коновалов
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2018-05-21
Publication date: 2018-10-05

Abstract

Секционированный пьезоэлектрический генератор относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к пьезоэлектрическим генераторам, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использован в любой области техники в качестве источника тока. Генератор содержит пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде плоской круглой биморфной секционированной пластины с грузом в центре для снижения частоты собственного резонанса и состоящей из набора поляризованных плоских пьезоэлементов, объединенных в секции. Пластина разрезана на неравные друг другу сектора, тем самым пьезогенератор работает в нерезонансном режиме. Пьезоэлементы внутри каждой секции, а также секции между собой электрически соединяются последовательно, либо параллельно. Генератор содержит резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор, схему, управляющую зарядом конденсатора и аккумулятор. Достигаемый технический результат - расширение полосы пропускания пьезоэлектрического генератора.

Sectioned piezoelectric generator refers to electromechanical energy converters, namely to piezoelectric generators operating on the basis of the use of piezoelectric materials, and can be used in any field of technology as a current source. The generator contains a piezoelectric transducer made in the form of a flat round bimorph sectional plate with a load in the center to reduce the frequency of its own resonance and consisting of a set of polarized flat piezoelectric elements combined in sections. The plate is cut into sectors unequal to each other, thereby the piezoelectric generator operates in a non-resonant mode. Piezoelectric elements inside each section, as well as sections between themselves, are electrically connected in series or in parallel. The generator contains a resistor, a rectifier, a storage capacitor, a circuit that controls the charge of the capacitor and a battery. Achievable technical result - the expansion of the passband of the piezoelectric generator.

Description

Полезная модель относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к пьезоэлектрическим генераторам, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использован в любой области техники в качестве источника тока.The utility model relates to electromechanical energy converters, namely to piezoelectric generators operating on the basis of the use of piezoelectric 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 5801475, containing a cantilever-mounted bimorph piezoelectric element that oscillates under the influence of external vibrations, as a result of which, due to the direct piezoelectric effect, a variable potential difference arises, a resistor, a rectifying element, a storage capacitor, and an output regulatory electronic circuit.

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.

Известен также пьезоэлектрический генератор, например RU 155155, содержащий пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде плоской круглой биморфной секционированной пластины с грузом в центре для снижения частоты собственного резонанса и состоящей из набора поляризованных плоских пьезоэлементов, объединенных в секции. Пьезоэлементы внутри каждой секции, а также секции между собой электрически соединяются последовательно, либо параллельно. Генератор содержит резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор, схему, управляющую зарядом конденсатора и аккумулятор. Весь генератор помещен в плоский прочный корпус, который крепится к объектам, подверженным вибрации, и вырабатывает электрическую энергию за счет энергии вибрации объекта, к которому он прикреплен.Also known is a piezoelectric generator, for example RU 155155, containing a piezoelectric transducer made in the form of a flat round bimorph sectioned plate with a load in the center to reduce the natural resonance frequency and consisting of a set of polarized flat piezoelectric elements combined in sections. The piezoelectric elements inside each section, as well as the sections between themselves, are electrically connected in series or in parallel. The generator contains a resistor, a rectifier, a storage capacitor, a circuit that controls the charge of the capacitor and a battery. The entire generator is placed in a flat, robust housing that attaches to objects subject to vibration and generates electrical energy due to the vibration energy of the object to which it is attached.

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.

Недостатком этого генератора является ограниченная частотная полоса пропускания, как следствие, малая выходная мощность на нерезонансных частотах колебаний. Этот недостаток приводит к необходимости использования такого генератора лишь в определенной полосе частот вибрации объектов, к которым он прикреплен.The disadvantage of this generator is the limited frequency bandwidth, as a result, the low output power at non-resonant vibration frequencies. This drawback leads to the need to use such a generator only in a certain frequency band of vibration of the objects to which it is attached.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является расширение полосы пропускания пьезогенератора при использовании даровой энергии вибрации различных промышленных, строительных, дорожных и бытовых конструкций.The problem solved by the proposed utility model is to expand the bandwidth of the piezoelectric generator when using the 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, включенный в цепь, содержащую: резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор и выходную регулирующая электронную цепь. Также как и в известном, в предлагаемом генераторе пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде дискового плоского биморфного секционированного преобразователя, снабженного грузом для снижения частоты собственного резонанса, размещенного в прочном жестком корпусе, причем секции преобразователя электрически соединены друг с другом, а каждая секция состоит из нескольких пьезоэлементов, склеенных друг с другом и электрически соединенных друг с другом. В отличие от известного пьезогенератора, в предлагаемом решении биморфная пластина состоит из набора неравных друг другу секторов.The problem is solved due to the fact that the proposed utility model, like the well-known piezoelectric generator, contains a bimorph piezoelectric transducer included in a circuit containing: a resistor, a rectifier, a storage capacitor and an output regulatory electronic circuit. As in the known one, in the proposed generator, the piezoelectric transducer is made in the form of a disk flat bimorph sectioned transducer, equipped with a load to reduce the frequency of its own resonance, placed in a strong rigid case, the transducer sections are electrically connected to each other, and each section consists of several piezoelectric elements glued together and electrically connected to each other. In contrast to the known piezoelectric generator, in the proposed solution, the bimorph plate consists of a set of sectors unequal to each other.

Приведенное техническое решение доказывает достигаемый технический результат, а именно - увеличение ширины полосы пропускания преобразователя, поскольку каждый сектор биморфной пластины обладает разными размерами и массой, частоты их собственных колебаний будут различными, поэтому полоса частот работы пьезогенератора становится широкой.The technical solution presented here proves the technical result achieved, namely, an increase in the bandwidth of the transducer, since each sector of the bimorph plate has different sizes and masses, the frequencies of their own vibrations will be different, so the frequency band of the piezoelectric generator becomes wide.

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.

Дополнительным достигаемым техническим результатом является увеличение выходного напряжения пьезоэлектрического генератора и снижение собственной электрической емкости генератора.An additional 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.

Дополнительным достигаемым техническим результатом является увеличение электрического заряда, вырабатываемого пьезоэлектрическим генератором.An additional achievable technical result 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 (фиг. 2), 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 (Fig. 2), 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 пьезоэлементов, объединенных в секции 7-10 при помощи склейки или пайки. Пьезоэлементы внутри каждой секции, а также секции между собой электрически соединяются последовательно, либо параллельно, в зависимости от того, какое напряжение и какую мощность требуется получить от пьезогенератора. В приведенном примере выполнения преобразователя (фиг. 2) верхняя часть состоит из четырех секций 7-10 по три элемента в каждой, соединенных последовательно. Все секции соединены параллельно. Аналогичное устройство имеет нижняя часть, которая также состоит из четырех секций по три элемента в каждой. К электродам верхней и нижней частей припаяны выводы 11, 12, с которых снимается переменное напряжение и поступает дальше на выпрямитель. Верхняя и нижняя части наклеены на базовую металлическую упругую круглую пластину 13, разрезанную на неравные сектора. Для снижения собственной частоты преобразователь снабжен грузом 14, закрепленным в центре пластины. Секции зажаты по периметру и соединяются друг с другом только в центре - в месте размещения груза.The piezoelectric transducer (Fig. 2) is made in the form of a flat bimorph round circular sectioned plate, clamped around the perimeter, consisting of a set of flat piezoelectric elements combined in sections 7-10 by gluing or soldering. 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 piezoelectric generator. In the above example, the converter (Fig. 2), the upper part consists of four sections 7-10 with three elements in each, connected in series. All sections are connected in parallel. A similar device has a lower part, which also consists of four sections of three elements each. The electrodes of the upper and lower parts are soldered to leads 11, 12, 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 13, cut into unequal sectors. To reduce the natural frequency, the converter is equipped with a load 14 fixed in the center of the plate. The sections are clamped around the perimeter and are connected to each other only in the center - at the place of cargo placement.

Преобразователь в целом опирается на пластину 15, плотно закрепленную на колеблющейся поверхности. Таким образом, пьезогенератор может выдерживать без разрушения большие статические и динамические нагрузки.The transducer generally rests on a plate 15 tightly mounted on an oscillating surface. Thus, the piezoelectric generator 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.

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 частотах изгибных резонансов каждого из секторов под действием внешней возбуждающей силы f. При этом за счет того, что каждый сектор обладает разными размерами и массой, частоты их собственных колебаний будут различными, поэтому полоса частот работы генератора становится широкой. Амплитуда переменного напряжения на выходе преобразователя в таком случае максимальна. При вибрации в результате прямого пьезоэффекта на выходе преобразователя возникает переменное напряжение, которое поступает на резистор 2, а затем на выпрямитель 3. После выпрямления электрический заряд накапливается на накопительном конденсаторе 4, затем поступает на схему 5, управляющую зарядом аккумулятора. Энергия заряженного аккумулятора используется потребителем. Таким образом, используется даровая энергия вибрации различных объектов.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 frequencies of the bending resonances of each of the sectors under the action of an external exciting force f. Moreover, due to the fact that each sector has different sizes and masses, the frequencies of their own vibrations will be different, so the frequency band of the generator becomes wide. The amplitude of the alternating voltage at the output of the converter in this case is maximum. 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 - расширение полосы пропускания пьезоэлектрического генератора.Achievable technical result - the expansion of the passband of the piezoelectric generator.

Claims

1. A partitioned piezoelectric generator comprising a piezoelectric transducer housed in a sturdy flat casing and made in the form of a multilayer flat round circular sectioned bimorph transducer, the sections of which are electrically connected to each other and contain several glued and electrically interconnected piezoelectric elements, with a load in the center, included in a circuit consisting of a resistor, a rectifier, a storage capacitor and a battery with a charge current regulator, characterized I mean that the sizes of the sections of the piezoelectric transducer are not the same sizes and are mechanically separated from each other.

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.