RU2623445C1 - Пьезоэлектрический преобразователь кантилеверного типа механической энергии в электрическую - Google Patents
Пьезоэлектрический преобразователь кантилеверного типа механической энергии в электрическую Download PDFInfo
- Publication number
- RU2623445C1 RU2623445C1 RU2015155580A RU2015155580A RU2623445C1 RU 2623445 C1 RU2623445 C1 RU 2623445C1 RU 2015155580 A RU2015155580 A RU 2015155580A RU 2015155580 A RU2015155580 A RU 2015155580A RU 2623445 C1 RU2623445 C1 RU 2623445C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cantilever
- base
- piezoelectric
- additional
- piezoelectric elements
- Prior art date
Links
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 2
- 239000012858 resilient material Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 241001124569 Lycaenidae Species 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 229910000737 Duralumin Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Изобретение относится к электротехнике, к электромеханическим преобразователям энергии, работающим на основе прямого пьезоэлектрического эффекта, и может быть использовано в качестве маломощного источника тока для питания маломощных электронных систем. Технический результат состоит в повышении мощности и эффективности преобразования. Пьезоэлектрический преобразователь кантилеверного типа механической энергии в электрическую содержит кантилевер, представляющий собой консольную балку из упругого материала, на которую наклеены пьезоэлектрические элементы с одной стороны (униморф) или с двух сторон (биморф). Один конец консольной балки закреплен в основании. На свободном конце укреплена дополнительная присоединенная масса. В основании дополнительно установлены четыре пьезоэлемента, два вверху и два внизу относительно балки, имеющие противоположные направления вектора поляризации. Плоскости их электродов прижаты с помощью элементов основания к проводящим слоям тонких металлизированных с одной стороны упругих прокладок. Дополнительные пьезоэлементы могут быть выполнены многослойными и соединены параллельно или последовательно. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к преобразователям механической энергии в электрическую, работающим на основе применения прямого пьезоэлектрического эффекта, которые могут быть использованы в качестве маломощного источника электрического тока для питания маломощных электронных систем.
Из уровня техники известен пьезоэлектрический преобразователь кантилеверного типа механической энергии в электрическую (Liao, Y., & Sodano, Η.Α. Modeling and comparison of bimorph power harvesters with piezoelectric elements connected in parallel and series. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 21(2), (2010), 149-159) [1], который содержит кантилевер, представляющий из себя тонкую консольную балку или пластину из упругого материала, на которую наклеены пьезоэлектрические элементы, один конец которой зажат в основании, другой свободен. Недостатком аналога является его малая мощность и низкая эффективность преобразования (КПД).
Известен пьезоэлектрический генератор кантилеверного типа, принимаемый за прототип, который содержит кантилевер, представляющий из себя консольную балку из упругого материала, на которую наклеены пьезоэлектрические элементы или с одной стороны (униморф), или с двух сторон (биморф), один конец которой закреплен в основании, а на свободном конце укреплена дополнительная присоединенная масса. Присоединенная масса преобразует входное внешнее ускорение в эффективную инерциальную силу, отклоняющую консольную балку, что вызывает повышение механического напряжения в пьезоэлектрическом слое кантилевера, которое преобразуется в дополнительную полезную мощность (Wahied G. Ali, Sutrisno W. Ibrahim. Power Analysis for Piezoelectric Energy Harvester // Energy and Power Engineering, 2012, 4, 496-505, doi:10.4236/epe.2012.46063) [2]. Недостатки прототипа - малая мощность и низкая эффективность преобразования.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение мощности и эффективности преобразователя кантилеверного типа механической энергии в электрическую.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что заявленный пьезоэлектрический преобразователь кантилеверного типа механической энергии в электрическую содержит кантилевер, представляющий из себя консольную балку из упругого материала, на которую наклеены пьезоэлектрические элементы или с одной стороны (униморф), или с двух сторон (биморф), один конец консоли закреплен в основании, а на свободном конце укреплена дополнительная присоединенная масса, согласно изобретению в основании дополнительно установлены четыре пьезоэлемента, два вверху и два внизу относительно консольной балки, имеющие противоположные направления вектора поляризации и плоскости электродов которых прижаты с помощью элементов основания к проводящим слоям тонких металлизированных с одной стороны упругих прокладок.
Другие отличия состоят в следующем.
Дополнительные пьезоэлементы могут быть выполнены многослойными и соединены параллельно.
Дополнительные пьезоэлементы могут быть выполнены многослойными и соединены последовательно.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение мощности и эффективности пьезоэлектрического преобразователя кантилеверного типа, который может быть использован для получения электроэнергии от различных механических источников энергии.
Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3. На фиг. 1 схематически изображен заявляемый пьезоэлектрический преобразователь кантилеверного типа механической энергии в электрическую. На фиг. 2 представлена фотография макета заявляемого пьезоэлектрического преобразователя кантилеверного типа механической энергии в электрическую. На фиг. 3 представлены графики зависимостей выходного напряжения пьезоэлемента кантилевера Uвых и выходного напряжения Uвых нижнего дополнительного пьезоэлемента от величины напряжения на вибраторе Uвx. На фиг. 1 пьезоэлектрический преобразователь кантилеверного типа механической энергии в электрическую содержит кантилевер, представляющий из себя консольную балку из упругого материала 4, на которую наклеены пьезоэлектрические элементы 5 или с одной стороны (униформ), или с двух сторон (биморф), один конец консоли 4 закреплен в основании 1, а на свободном конце укреплена дополнительная присоединенная масса 6, согласно изобретению в основании 1 дополнительно установлены четыре пьезоэлемента 7, два вверху и два внизу относительно консольной балки 4, имеющие противоположные направления вектора поляризации и плоскости электродов которых прижаты с помощью элементов основания 2, 3 к проводящим слоям тонких металлизированных с одной стороны упругих прокладок 8. На фотографии фиг. 2 видны жестко закрепленный в основании 1 с помощью элементов 2, 3 кантилевер, представляющий из себя консольную балку из упругого материала 4, на которую с двух сторон наклеены пластинчатые пьезоэлектрические элементы 5, образуя биморф, на свободном конце которого закреплена присоединенная масса 6, а другой конец зажат между дополнительно установленными пьезоэлементами 7, имеющие противоположные направления вектора поляризации и плоскости электродов которых прижаты к проводящим слоям тонких металлизированных с одной стороны упругих прокладок 8.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При воздействии внешних механических сил типа ударов и вибраций на основание пьезогенератора 1 в консольной балке 4 возникают колебания, и она работает как рычаг Архимеда, действуя на дополнительные пьезоэлементы 7, в которых возникают деформации сжатия за счет сил реакции опор с частотой внешних сил ударов и вибраций, а вследствие прямого пьезоэффекта на электродах дополнительных пьезоэлементов 7 генерируется переменное электрическое напряжение и, следовательно, дополнительная электрическая энергия, тем самым повышается мощность и эффективность преобразования КПД преобразователя. Это переменное напряжение и дополнительная электрическая энергия могут быть преобразованы с помощью мостовых выпрямителей в постоянное, которое накапливается в аккумуляторах с помощью систем накопления и хранения энергии. Возбуждение колебаний в консольной балке может производиться механическим воздействием как на основание 1, в котором защемлена консольная балка 4, так и на свободный конец консольной балки 4, при этом максимальная выходная мощность достигается, когда частота внешнего механического действия совпадает с собственной частотой слоистого кантилевера, т.е. на резонансе.
Пьезоэлектрические элементы могут быть соединены параллельно или последовательно. Выбор между этими двумя видами соединения элементов зависит от устройства, которое необходимо запитать: если требуется большее выходное напряжение, то следует выбирать последовательное соединение, а если необходим больший выходной ток, то параллельное соединение.
На Фиг. 3 приведены графики зависимости выходных электрических напряжений Uвых пьезоэлементов кантилевера 5 и дополнительного пьезоэлемента 7 от величины воздействующих на них внешних сил. Внешние силы создаются в данном случае с помощью вибратора, величина которых зависит от величины напряжения Uвx на вибраторе. Для этого основание 1 укреплено на рабочем столе вибратора. Из графиков видно, что при воздействии вибратора на основание пьезопреобразователя появляется выходное электрическое напряжение Uвых на дополнительных пьезоэлементах 7, пропорциональное величине механических сил воздействия Uвx вибратора, следовательно, появляется дополнительная выходная мощность и повышается КПД преобразователя. Графики получены при следующих параметрах пьезопреобразователя: сопротивление электрической нагрузки Rн = 360 кОм, присоединенная масса m = 22.6 г, кантилевер представляет собой консольную балку с биморфом из пьезокерамики ЦТСМ-19 размером 50×10×0.5 мм и пьезомодулем d33=750 пК/Н, пьезоэлементы наклеены и сверху, и снизу консоли и соединены параллельно, длина консоли L=140 мм, выполненной из дюрали Д16, толщина консоли = 1.7 мм и ширина консоли = 13 мм, резонансная частота 
кантилевера 
=2.617 кГц. Выходное электрическое напряжение каждой точки графика снималось на частоте резонанса колебаний кантилевера. Из графиков видно, что на дополнительных пьезоэлементах появляется выходное напряжение и, следовательно, повышается мощность и эффективность КПД преобразователя кантилеверного типа преобразования механической энергии в электрическую.
Источники информации
1. Liao, Y., & Sodano, Н. A. Modeling and comparison of bimorph power harvesters with piezoelectric elements connected in parallel and series. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 21(2), (2010), 149-159.
2. Wahied G. AH, Sutrisno W. Ibrahim. Power Analysis for Piezoelectric Energy Harvester // Energy and Power Engineering, 2012, 4, 496-505, doi:10.4236/epe.2012.46063.
Claims (3)
1. Пьезоэлектрический преобразователь кантилеверного типа механической энергии в электрическую содержит кантилевер, представляющий из себя консольную балку из упругого материала, на которую наклеены пьезоэлектрические элементы или с одной стороны (униморф), или с двух сторон (биморф), один конец консольной балки закреплен в основании, а на свободном конце укреплена дополнительная присоединенная масса, отличающий тем, что в основании дополнительно установлены четыре пьезоэлемента, два вверху и два внизу относительно консольной балки, имеющие противоположные направления вектора поляризации и плоскости электродов которых прижаты с помощью элементов основания к проводящим слоям тонких металлизированных с одной стороны упругих прокладок.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительные пьезоэлементы могут быть выполнены многослойными и соединены параллельно.
3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что дополнительные пьезоэлементы могут быть выполнены многослойными и соединены последовательно.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015155580A RU2623445C1 (ru) | 2015-12-23 | 2015-12-23 | Пьезоэлектрический преобразователь кантилеверного типа механической энергии в электрическую |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015155580A RU2623445C1 (ru) | 2015-12-23 | 2015-12-23 | Пьезоэлектрический преобразователь кантилеверного типа механической энергии в электрическую |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2623445C1 true RU2623445C1 (ru) | 2017-06-26 |
Family
ID=59241526
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015155580A RU2623445C1 (ru) | 2015-12-23 | 2015-12-23 | Пьезоэлектрический преобразователь кантилеверного типа механической энергии в электрическую |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2623445C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107870350A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-04-03 | 中国地质大学（武汉） | 一种差动式双压电片地震检波器芯体及压电地震检波器 |
| CN110090022A (zh) * | 2019-05-07 | 2019-08-06 | 传世未来（北京）信息科技有限公司 | 生物振动信号监测装置及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU78368U1 (ru) * | 2008-04-10 | 2008-11-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)" | Устройство перемещений для нанотехнологии |
| CN103178746A (zh) * | 2013-04-22 | 2013-06-26 | 苏州科技学院 | 一种悬臂杠杆式压电发电组件 |
| CN203225679U (zh) * | 2013-04-22 | 2013-10-02 | 苏州科技学院 | 一种悬臂杠杆式压电发电组件 |
| CN203968013U (zh) * | 2014-08-06 | 2014-11-26 | 苏州科技学院 | 等形变悬臂杠杆式压电发电组件 |
| CN204119085U (zh) * | 2014-10-09 | 2015-01-21 | 吉林大学 | 一种自适应压电发电悬臂梁 |
| CN204206024U (zh) * | 2014-10-20 | 2015-03-11 | 吉林大学 | 一种曲面压电发电悬臂梁 |
-
2015
- 2015-12-23 RU RU2015155580A patent/RU2623445C1/ru active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU78368U1 (ru) * | 2008-04-10 | 2008-11-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)" | Устройство перемещений для нанотехнологии |
| CN103178746A (zh) * | 2013-04-22 | 2013-06-26 | 苏州科技学院 | 一种悬臂杠杆式压电发电组件 |
| CN203225679U (zh) * | 2013-04-22 | 2013-10-02 | 苏州科技学院 | 一种悬臂杠杆式压电发电组件 |
| CN203968013U (zh) * | 2014-08-06 | 2014-11-26 | 苏州科技学院 | 等形变悬臂杠杆式压电发电组件 |
| CN204119085U (zh) * | 2014-10-09 | 2015-01-21 | 吉林大学 | 一种自适应压电发电悬臂梁 |
| CN204206024U (zh) * | 2014-10-20 | 2015-03-11 | 吉林大学 | 一种曲面压电发电悬臂梁 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107870350A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-04-03 | 中国地质大学（武汉） | 一种差动式双压电片地震检波器芯体及压电地震检波器 |
| CN107870350B (zh) * | 2017-12-13 | 2023-12-15 | 中国地质大学（武汉） | 一种差动式双压电片地震检波器芯体及压电地震检波器 |
| CN110090022A (zh) * | 2019-05-07 | 2019-08-06 | 传世未来（北京）信息科技有限公司 | 生物振动信号监测装置及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | Introducing arc-shaped piezoelectric elements into energy harvesters | |
| Kim et al. | Energy harvesting using a piezoelectric “cymbal” transducer in dynamic environment | |
| Yang et al. | High-efficiency compressive-mode energy harvester enhanced by a multi-stage force amplification mechanism | |
| JP5474564B2 (ja) | 圧電素子 | |
| US9508917B2 (en) | Piezoelectric energy harvesting device or actuator | |
| JP2011152004A (ja) | 発電ユニットおよび発電装置 | |
| JP5549164B2 (ja) | 圧電発電機 | |
| RU2623445C1 (ru) | Пьезоэлектрический преобразователь кантилеверного типа механической энергии в электрическую | |
| JP5760561B2 (ja) | 圧電発電装置、および圧電発電装置を備えた電子機器 | |
| KR101060667B1 (ko) | 압전발전장치 | |
| Wang et al. | Finite element analysis of a unimorph cantilever for piezoelectric energy harvesting | |
| JP4826660B2 (ja) | 圧電発電装置 | |
| KR101061591B1 (ko) | 에너지 수확장치 | |
| RU136937U1 (ru) | Пьезоэлектрический генератор | |
| JP6309698B1 (ja) | 発電装置と発電素子 | |
| WO2018189545A1 (en) | A vibration-based energy harvester comprising a proof mass surrounding a central anchor | |
| RU183847U1 (ru) | Секционированный пьезоэлектрический генератор | |
| Ghoni et al. | The Cutting Edge of Vibration Energy Harvesting Technology | |
| Kim | Impedance adaptation methods of the piezoelectric energy harvesting | |
| RU195757U1 (ru) | Балочный пьезоэлектрический генератор | |
| JPH03253267A (ja) | 超音波モータ | |
| Kholid et al. | Modelling and Analysis of Piezoelectric Cantilever for Ambient Kinetic Energy Harvesting | |
| RU220239U1 (ru) | Пьезоэлектрический генератор с биморфным преобразователем балочного типа | |
| RU154688U1 (ru) | Биморфный пьезоэлектрический генератор | |
| CHILIBON | Piezoelectric Structures and Low Power Generation Devices |