RU220239U1

RU220239U1 - Piezoelectric generator with bimorph beam type transducer

Info

Publication number: RU220239U1
Application number: RU2023108592U
Authority: RU
Inventors: Валерий Михайлович Цаплев; Роман Сергеевич Коновалов; Сергей Ильич Коновалов; Алина Дмитриевна Соловьева; Борис Черсуевич И; Джесон И
Filing date: 2023-04-05
Publication date: 2023-09-04

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к электромеханическим преобразователям энергии, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использована в качестве источника тока или напряжения. Технический результат заключается в увеличении мощности пьезоэлектрического генератора с биморфным преобразователем балочного типа и расширении его полосы пропускания. Пьезоэлектрический генератор с биморфным преобразователем балочного типа размещен в корпусе и представляет собой цепь, состоящую из резистора, выпрямителя, накопительного конденсатора, аккумулятора со схемой, управляющей зарядом аккумулятора, и биморфного преобразователя балочного типа. Биморфный преобразователь балочного типа имеет несущую раму, на которой ортогонально друг другу расположены секции с набором биморфных пьезопреобразователей, электрически соединенных друг с другом и содержащих по несколько склеенных и электрически соединенных между собой пьезоэлементов. Биморфные пьезопреобразователи сделаны различной длины, а не закрепленные к несущей раме концы их упругих балок выполнены в виде клина, толщина которого уменьшается до нуля по степенному закону. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. The utility model relates to electrical engineering, namely to electromechanical energy converters based on the use of piezoceramic materials, and can be used as a source of current or voltage. The technical result consists in increasing the power of a piezoelectric generator with a beam-type bimorph converter and expanding its bandwidth. A piezoelectric generator with a beam-type bimorph converter is housed in a housing and consists of a circuit consisting of a resistor, a rectifier, a storage capacitor, a battery with a circuit that controls the battery charge, and a beam-type bimorph converter. A beam-type bimorph transducer has a supporting frame on which sections with a set of bimorph piezoelectric transducers are located orthogonally to each other, electrically connected to each other and containing several piezoelements glued and electrically connected to each other. Bimorphic piezoelectric transducers are made of different lengths, and the ends of their elastic beams, which are not fixed to the supporting frame, are made in the form of a wedge, the thickness of which decreases to zero according to a power law. 2 salary f-ly, 3 ill.

Description

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

Известен пьезоэлектрический генератор, например US 5801475, содержащий консольно-закрепленный биморфный пьезопреобразователь, 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 known, for example US 5801475, containing a cantilever-mounted bimorph piezoelectric transducer, which oscillates under the influence of external vibrations, as a result of which a variable potential difference arises on its plates, due to the direct piezoelectric effect; resistor; rectifier element; storage capacitor and output control electronic circuit.

К недостаткам этого генератора относятся его малые размеры, как следствие, малая выходная мощность. Биморфный пьезопреобразователь, являясь резонансным устройством, может эффективно работать в узкой полосе частот вибраций.The disadvantages of this generator include its small size, which results in low output power. A bimorph piezoelectric transducer, being a resonant device, can operate effectively in a narrow vibration frequency band.

Известен также пьезоэлектрический генератор, например US 7649305B2, содержащий биморфный преобразователь балочного типа с набором разноразмерных консольно-закрепленных биморфных пьезопреобразователей, ортогонально расположенных друг другу, которые под действием внешних вибраций колеблются, вследствие чего на их обкладках, благодаря прямому пьезоэффекту, возникает переменная разность потенциалов. Пьезоэлектрический генератор содержит выпрямительные элементы, схему преобразования сигналов и накопительную батарею.A piezoelectric generator is also known, for example US 7649305B2, containing a beam-type bimorph transducer with a set of different-sized cantilever-mounted bimorph piezoelectric transducers, orthogonally located to each other, which oscillate under the influence of external vibrations, as a result of which a variable potential difference arises on their plates, due to the direct piezoelectric effect. The piezoelectric generator contains rectifier elements, a signal conversion circuit and a storage battery.

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

Недостатком этого пьезоэлектрического генератора является консольное закрепление биморфных пьезопреобразователей, как следствие, малая выходная мощность и повышенная хрупкость за счет наличия пассивных грузов в биморфных пьезопреобразователях. Эти недостатки ограничивают использование такого пьезоэлектрического генератора лишь устройствами микроэлектроники.The disadvantage of this piezoelectric generator is the cantilever mounting of the bimorph piezoelectric transducers, which results in low output power and increased fragility due to the presence of passive loads in the bimorphic piezoelectric transducers. These disadvantages limit the use of such a piezoelectric generator only to microelectronic devices.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является увеличение электрической мощности пьезоэлектрического генератора, 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 electrical power of a piezoelectric generator, as well as to use the free vibration energy of various industrial, construction, road and household structures.

Поставленная задача решается за счёт того, что предлагаемая полезная модель так же, как и известный пьезоэлектрический генератор, содержит набор биморфных пьезопреобразователей, включенных в цепь, содержащую: резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор, схему, управляющую зарядом аккумулятора, и аккумулятор. Также, как и в известном, в предлагаемом пьезоэлектрическом генераторе биморфный преобразователь балочного типа имеет несущую раму, на которой ортогонально друг другу расположены секции с набором биморфных пьезопреобразователей, электрически соединенных друг с другом и содержащих по несколько склеенных и электрически соединенных между собой пьезоэлементов.The problem is solved due to the fact that the proposed utility model, just like the well-known piezoelectric generator, contains a set of bimorph piezoelectric transducers connected to a circuit containing: a resistor, a rectifier, a storage capacitor, a circuit that controls the battery charge, and a battery. Also, as in the known one, in the proposed piezoelectric generator the bimorph beam-type transducer has a supporting frame on which sections with a set of bimorph piezoelectric transducers are located orthogonally to each other, electrically connected to each other and containing several glued and electrically connected piezoelements.

В отличие от известного, в предлагаемом решении биморфные пьезопреобразователи сделаны различной длины, а не закрепленные к несущей раме концы их упругой балки содержат клин, толщина которого уменьшается до нуля по степенному закону. Это приводит к увеличению полосы пропускания биморфного пьезопреобразователя, поскольку каждый из пьезоэлементов обладает собственной резонансной частотой. В качестве инерционных элементов в предлагаемом решении выступают пьезоэлементы, а балка, на которой они размещены, имеет неоднородность, характеризуемую изменением геометрических свойств (хотя возможны и материальные вариации) в соответствии с пространственным степенным профилем (акустическая черная дыра). Локальное снижение жесткости, обусловленное степенным изменением толщины стенки балки, приводит к значительному снижению скоростей, возбуждаемых в результате вибрации в балке волн, и заметному повышению затухания свойств. Скорость набегающей волны может исчезнуть внутри акустической черной дыры, поэтому она ведет себя как «волновая ловушка», которая извлекает энергию из внешней среды и не высвобождает ее.Unlike the known one, in the proposed solution the bimorph piezoelectric transducers are made of different lengths, and the ends of their elastic beam, which are not fixed to the supporting frame, contain a wedge, the thickness of which decreases to zero according to a power law. This leads to an increase in the bandwidth of the bimorph piezoelectric transducer, since each of the piezoelements has its own resonant frequency. Piezoelements act as inertial elements in the proposed solution, and the beam on which they are placed has inhomogeneity, characterized by a change in geometric properties (although material variations are possible) in accordance with the spatial power-law profile (acoustic black hole). A local decrease in stiffness caused by a power-law change in the thickness of the beam wall leads to a significant decrease in the velocities generated by vibration waves in the beam and a noticeable increase in the damping properties. The speed of the oncoming wave can disappear inside the acoustic black hole, so it behaves like a “wave trap” that extracts energy from the external environment and does not release it.

Приведенное техническое решение доказывает технический результат, а именно – увеличение мощности пьезоэлектрического генератора балочного типа за счет расширения полосы пропускания биморфных пьезопреобразователей, а также повышение их прочности за счет удаления пассивных грузов. The presented technical solution proves the technical result, namely, increasing the power of a beam-type piezoelectric generator by expanding the bandwidth of bimorph piezoelectric transducers, as well as increasing their strength by removing passive loads.

Совокупность признаков, сформулированных в п.2 формулы полезной модели, характеризует пьезоэлектрический генератор балочного типа, в котором биморфные пьезопреобразователи соединены последовательно.The set of features formulated in claim 2 of the utility model formula characterizes a beam-type piezoelectric generator in which bimorph piezoelectric transducers are connected in series.

Достигаемым техническим результатом является увеличение выходного напряжения пьезоэлектрический генератор балочного типа и снижение его собственной электрической емкости.The achieved technical result is an increase in the output voltage of the beam-type piezoelectric generator and a decrease in its own electrical capacitance.

Совокупность признаков, сформулированных в п.3 формулы полезной модели, характеризует пьезоэлектрический генератор балочного типа, в котором биморфные пьезопреобразователи соединены параллельно.The set of features formulated in clause 3 of the utility model formula characterizes a beam-type piezoelectric generator in which bimorph piezoelectric transducers are connected in parallel.

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

Полезная модель иллюстрируется чертежами, гдеThe utility model is illustrated by drawings, where

на фиг.1 показана блок-схема пьезоэлектрического генератора с биморфным преобразователем балочного типа;Fig. 1 shows a block diagram of a piezoelectric generator with a beam-type bimorph transducer;

на фиг.2 схематически изображен пример выполнения составной части биморфного преобразователя балочного типа – биморфного пьезопреобразователя;Fig. 2 schematically shows an example of the implementation of a component of a beam-type bimorph transducer - a bimorph piezoelectric transducer;

на фиг.3 представлена схема биморфного преобразователя балочного типа в сборе из биморфных пьезопреобразователей.Figure 3 shows a diagram of a beam-type bimorph transducer assembled from bimorph piezoelectric transducers.

Пьезоэлектрический генератор (фиг.1) имеет биморфный пьезопреобразователь балочного типа 1, резистор 2, выпрямитель 3, накопительный конденсатор 4, схему, управляющую зарядом аккумулятора 5 и аккумулятор 6. The piezoelectric generator (Fig. 1) has a beam-type 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.

Биморфный пьезопреобразователь (фиг.2) состоит из расположенных на упругой балке 7 набора плоских пьезоэлементов 8, объединенных в секции при помощи склейки или пайки. Упругая балка 7, содержит на не закрепленном к несущей раме конце клин 9, толщина которого уменьшается до нуля по степенному закону (акустическая черная дыра). При этом толщина и ширина балки должны быть много меньше ее длины. Габариты акустической черной дыры определяются по ширине размерами балки, а ее толщина и длина изменяются по степенному закону, который может быть квадратичным или кубичным. Например, стальная балка длиной 200 мм, толщиной и шириной по 10 мм, может содержать акустическую черную дыру длиной 100 мм при квадратичном степенном законе. При этом электрическая мощность генератора прямо пропорциональна значению длины балки. Ширина полосы частот определяется толщиной конца акустической черной дыры. В рассматриваемом примере при добавлении в балку акустической черной дыры, вырабатываемая электрическая мощность может вырасти на 40 %, а ширина полосы частот увеличиться на 5%.The bimorph piezoelectric transducer (Fig. 2) consists of a set of flat piezoelements 8 located on an elastic beam 7, combined into sections by gluing or soldering. The elastic beam 7 contains a wedge 9 at the end that is not attached to the supporting frame, the thickness of which decreases to zero according to a power law (acoustic black hole). In this case, the thickness and width of the beam should be much less than its length. The dimensions of an acoustic black hole are determined by the width of the beam, and its thickness and length vary according to a power law, which can be quadratic or cubic. For example, a steel beam 200 mm long, 10 mm thick and 10 mm wide can contain an acoustic black hole 100 mm long under a quadratic power law. In this case, the electrical power of the generator is directly proportional to the length of the beam. The bandwidth is determined by the thickness of the end of the acoustic black hole. In this example, by adding an acoustic black hole to the beam, the generated electrical power can increase by 40% and the frequency bandwidth can increase by 5%.

Пьезоэлементы внутри каждой секции биморфного пьезопреобразователя, а также секции между собой электрически соединяются последовательно, либо параллельно, в зависимости от того, какое напряжение и какую мощность требуется получить от биморфного пьезопреобразователя. К электродам пьезоэлементов припаяны выводы 10, 11, с которых снимается переменное напряжение и через согласующую RL-цепь, подбираемую в зависимости от размеров, массы и свойств пьезоэлементов, поступает дальше на выпрямитель. Из биморфных пьезопреобразователей (фиг. 2) собирается биморфный преобразователь балочного типа пьезоэлектрического генератора. The piezoelements inside each section of the bimorph piezoelectric transducer, as well as the sections among themselves, are electrically connected in series or in parallel, depending on what voltage and what power is required to be obtained from the bimorphic piezoelectric transducer. Terminals 10, 11 are soldered to the electrodes of the piezoelements, from which the alternating voltage is removed and, through a matching RL circuit, selected depending on the size, mass and properties of the piezoelements, it goes further to the rectifier. A bimorph transducer of a beam type piezoelectric generator is assembled from bimorph piezoelectric transducers (Fig. 2).

В приведенном на фиг. 3 примере выполнения биморфный преобразователь балочного типа состоит из трех секций 12, размещенных ортогонально друг другу. В каждой секции по восемь биморфных пьезопреобразователей, соединенных последовательно. Все секции соединены параллельно. Количество секций может меняться, образуя единый пакет, закрепленный на основании 13. Для расширения полосы пропускания биморфный преобразователь балочного типа все биморфные пьезопреобразователи 14 имеют различную длину. Все секции биморфного преобразователя балочного типа находятся в прочном корпусе и плотно закреплены на колеблющейся за счет внешних сил f поверхности. Таким образом, биморфный преобразователь балочного типа может выдерживать без разрушения большие статические и динамические нагрузки. In FIG. In the example shown in Figure 3, a beam-type bimorph transducer consists of three sections 12 placed orthogonally to each other. Each section has eight bimorph piezoelectric transducers connected in series. All sections are connected in parallel. The number of sections can vary, forming a single package fixed to the base 13. To expand the bandwidth of the beam-type bimorph transducer, all bimorph piezoelectric transducers 14 have different lengths. All sections of the beam-type bimorph transducer are in a durable housing and tightly mounted on a surface that vibrates due to external forces f. Thus, a beam-type bimorph transducer can withstand large static and dynamic loads without destruction.

Выходное напряжение биморфного преобразователя балочного типа через согласующий резистор 2 (фиг. 1) поступает на вход выпрямителя 3, а затем выпрямленное напряжение поступает на вход накопительного конденсатора 4. После накопительного конденсатора (фиг. 1) через схему, управляющую зарядом аккумулятора 5, напряжение поступает на вход аккумулятора 6.The output voltage of the bimorph beam-type converter through the matching resistor 2 (Fig. 1) is supplied to the input of the rectifier 3, and then the rectified voltage is supplied to the input of the storage capacitor 4. After the storage capacitor (Fig. 1) through the circuit that controls the charge of the battery 5, the voltage is supplied to battery input 6.

Указанные признаки полезной модели являются существенными, т.е. влияющими непосредственно на результат, который может быть получен при осуществлении изобретения.The specified features of a utility model are essential, i.e. directly influencing the result that can be obtained when implementing the invention.

Пьезоэлектрический генератор с биморфным преобразователем балочного типа работает следующим образом.A piezoelectric generator with a beam-type bimorph converter operates as follows.

Биморфный преобразователь балочного типа (фиг. 3) прикрепляется к вибрирующему элементу строительной, промышленной, бытовой или дорожной конструкции, например, к полу, либо к дорожному или к железнодорожному полотну. В этом случае биморфный преобразователь балочного типа может колебаться на частотах изгибных резонансов каждого из биморфных пьезопреобразователей (фиг. 2) под действием внешней возбуждающей силы f. При этом за счет того, что каждый биморфный пьезопреобразователь обладает разной длиной и массой, частоты их собственных колебаний будут различными, поэтому полоса частот пьезоэлектрического генератора с биморфным преобразователем балочного типа расширяется. Помимо этого, амплитуда переменного напряжения на выходе биморфного преобразователя балочного типа в таком случае максимальна, поскольку пьезоэлементы биморфных пьезопреобразователей находятся под влиянием больших механических напряжений, вызванных наличием в упругой балке 7 (фиг.2) акустических черных дыр. Это приводит к локальному увеличению демпфирования, а также за счет отсутствия пассивных масс к снижению хрупкости преобразователя.A beam-type bimorph transducer (Fig. 3) is attached to a vibrating element of a building, industrial, household or road structure, for example, to a floor, or to a road or railway track. In this case, the beam-type bimorph transducer can oscillate at the frequencies of the bending resonances of each of the bimorph piezoelectric transducers (Fig. 2) under the action of an external exciting force f. Moreover, due to the fact that each bimorph piezoelectric transducer has a different length and mass, the frequencies of their natural oscillations will be different, therefore the frequency band of the piezoelectric generator with a bimorphic beam-type transducer is expanded. In addition, the amplitude of the alternating voltage at the output of the bimorph beam-type transducer in this case is maximum, since the piezoelements of the bimorph piezotransducers are under the influence of large mechanical stresses caused by the presence of acoustic black holes in the elastic beam 7 (Fig. 2). This leads to a local increase in damping, and also, due to the absence of passive masses, to a decrease in the fragility of the converter.

При вибрации в результате прямого пьезоэффекта на выходе биморфного преобразователя балочного типа возникает переменное напряжение, которое поступает на резистор 2 (фиг. 1), а затем на выпрямитель 3. После выпрямления электрический заряд накапливается на накопительном конденсаторе 4 (фиг. 1), затем поступает на схему 5, управляющую зарядом аккумулятора. Энергия заряженного аккумулятора используется потребителем. Таким образом, используется даровая энергия вибрации различных объектов.When vibration occurs as a result of the direct piezoelectric effect, an alternating voltage appears at the output of the beam-type bimorph converter, which is supplied to resistor 2 (Fig. 1), and then to rectifier 3. After rectification, the electric charge accumulates on storage capacitor 4 (Fig. 1), then enters to circuit 5, which controls the battery charge. The energy from the charged battery is used by the consumer. In this way, the free energy of vibration of various objects is used.

Достигаемый технический результат – увеличение мощности пьезоэлектрического генератора с биморфным преобразователем балочного типа и расширение его полосы пропускания. The achieved technical result is an increase in the power of a piezoelectric generator with a beam-type bimorph converter and an expansion of its bandwidth.

Claims

1. Piezoelectric generator with a bimorph beam-type converter, housed in a housing and representing a circuit consisting of a resistor, rectifier, storage capacitor, battery with a circuit that controls the battery charge, and a bimorph beam-type converter having a supporting frame on which orthogonal to each other sections are located with a set of bimorph piezoelectric transducers, electrically connected to each other and containing several glued and electrically interconnected piezoelements, characterized in that the bimorphic piezoelectric transducers are made of different lengths, and the ends of their elastic beams not fixed to the supporting frame are made in the form of a wedge, thickness which decreases to zero according to a power law.

2. Piezoelectric generator with a beam-type bimorph transducer according to claim 1, characterized in that the bimorph piezo transducers are connected in series.

3. Piezoelectric generator with a beam-type bimorph transducer according to claim 1, characterized in that the bimorph piezo transducers are connected in parallel.