ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1998 года по МПК H02N2/18 

Изобретение относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезокерамических материалов.

Изобретение может быть использовано в качестве маломощного источника постоянного тока в устройствах с приводом от энергии ветра, пара, воды, мускульной силы и др. в промышленности, сельском хозяйстве, быту.

Базовым элементом большинства известных в нестоящее время преобразователей является электромагнитный механизм.

Благодаря длительной истории развития и эксплуатации они доведены до конструктивного совершенства. В то же время недостатки электромагнитных преобразователей известны: это относительно большая масса, применение дорогих дефицитных материалов, сложность устройства, содержащего катушку, магнит или обмотку возбуждения, зависимость генерируемого напряжения от скорости вращения ротора, наводки от искрения и электромагнитных полей и др.

Практика проектирования преобразователей показывает, что в настоящее время многие электромагнитные механизмы могут быть заменены твердотельными, пьезокерамическими, при этом удается существенно улучшить многие качественные показатели. Так, достигаются большая надежность, снижение массогабаритных показателей, технологичность и на базе этого более низкая стоимость, высокий КПД преобразования.

Одним из таких устройств является пьезокерамический генератор постоянного тока, выбранный в качестве прототипа. Этот генератор имеет цилиндрический тонкостенный пьезоэлемент, два деформирующих ролика и два токосъемника.

При деформации роликами поляризованного в радиальном направлении пьезоэлемента на электродах, которыми являются металлизированные поверхности, возникают вследствие прямого пьезоэффекта заряды, которые передаются в виде напряжения потребителю через токосъемные ролики.

Недостатками этого устройства являются
малая надежность вследствие того, что тонкослойное покрытие - электроды пьезоэлемента - быстро будет выведено из строя катящимися нажимными и токосъемными роликами;
сложность конструкции;
малая эффективность преобразования вследствие того, что при деформации цилиндра в нем имеются зоны сжатия и расширения, в которых при односторонней радиальной поляризации будут возникать одновременно положительные и отрицательные заряды на одном электроде, что приведет к их частичному суммированию, при этом снижается эффективность преобразования.

Эти недостатки отсутствуют в заявленном устройстве пьезоэлектрического генератора постоянного тока, в котором пьезоэлемент выполнен в виде плоского биморфного диска, закрепленного в центре диска и деформируемого в осевом направлении двумя установленными на роторе роликами через гибкую изолирующую прокладку. При этом достигаются существенное упрощение устройства, повышение технологичности, надежности и эффективности преобразования.

Так, при деформации в одном направлении плоского биморфного диска, пластины которого поляризованы, на электродах генерируются заряды, при этом на электродах в зонах сжатия пьезоматериала - потенциал одного знака, на электродах в зонах растяжения - другого. Зоны сжатия и растяжения находятся на разных сторонах диска пьезоэлемента, и поэтому заряды "+" и "-" разделены. Это позволяет снимать напряжение без контактных роликов, прямо с электродов пьезоэлемента.

Для повышения надежности, уменьшения износа деформация пьезоэлемента нажимными роликами производится через гибкую прокладку, закрепленную по краю биморфного диска.

Эта прокладка может быть выполнена в виде мембраны, разделяющей зону привода деформирующих роликов и зону пьезоэлемента. При необходимости разделения зон, например, воздуха и вакуума, воздуха и воды прокладка будет выполнять функцию разделительной мембраны.

Преимущество плоского дискового элемента заключается еще и в том, что легко реализуется путем применения множества элементов увеличение мощности, получение различных уровней напряжения и уменьшение синфазной составляющей постоянного напряжения. Это достигается путем установки двух и более биморфных дисковых элементов, закрепленных в центре соосно, с возможностью поворота в месте закрепления. При этом генерируемые напряжения в различных пьезоэлементах могут быть суммированы с противофазой по синфазной составляющей напряжения при повороте одного из элементов с последующим его закреплением.

Возникновение синфазной составляющей связано с погрешностями в пьезоматериале, поляризации, эксцентриситетом установки диска пьезоэлемента и деформирующих роликов.

В многоэлементом пьезоэлектрическом генераторе могут быть получены различные уровни напряжений путем соединения электродов пьезоэлементов в электрическую цепь последовательно и параллельно.

Указанные признаки изобретения являются существенными, т.е. влияющими непосредственно на результат, который может быть получен при осуществлении изобретения.

На фиг.1 изображен схематически пьезоэлектрический генератор постоянного тока с одним элементом; на фиг.2 - то же с несколькими пьезоэлементами.

Генератор (фиг. 1) имеет ротор 1 с деформирующими роликами 2, биморфный дисковый пьезоэлемент 3, закрепленный с помощью полого штыря 4 на статоре 5. Знаками "+" и "-" на фигурах показано направление поляризации пластин пьезоэлемента. В креплении пьезоэлемента 3 имеются изолирующие шайбы 6, по краю диска пьезоэлемента 3 закреплена гибкая изолирующая прокладка 7, которая, как уже указано выше, может быть выполнена в виде герметизирующей мембраны. В многоэлементном варианте генератора (фиг. 2) пьезоэлементы закреплены на штыре и отделены друг от друга изолирующими шайбами 6, по краю каждого элемента закреплены гибкие прокладки 7.

Генератор работает следующим образом.

При вращении ротора 1 от внешнего источника механической энергии ролики 2, которые установлены относительно дисковых пьезоэлементов таким образом, что обеспечивается их деформация, прокатываются по прокладке 7. При деформации пьезоэлемента на электродах вследствие прямого пьезоэффекта возникают заряды, при этом на внешних электродах пьезоэлемента - заряды противоположного знака, которые составляют разности потенциалов.

При вращении ротора и круговой деформации пьезоэлемента на электродах возникает постоянная разность потенциалов, соответствующая величине деформации. Ролики 2 прокатываются по поверхности гибкой прокладки 7. В генераторе могут быть получены два уровня напряжения:
1 - между внешними электродами;
2 - между одним из внешних электродов и средним электродом пьезоэлемента, потенциал которого равен нулю.

В одноэлементном генераторе и в многоэлементом прокладка 7 первого элемента имеет функции защиты электрода пьезоэлемента от воздействия со стороны деформирующих роликов 2, изоляции электрода от замыкания через ролики и благодаря гибкости уменьшения потерь энергии на деформацию.

Прокладки второго и других элементов в многоэлементном генераторе имеют функции изоляции электродов соседних элементов и передачи деформирующего усилия без существенного, благодаря гибкости прокладки, увеличения потерь мощности на ее деформацию. Электроды разных пьезоэлементов можно соединять в электрическую цепь последовательно и параллельно, получая различные уровни генерируемого напряжения. Благодаря закреплению пьезоэлементов 3 с возможностью поворота в значительной степени компенсируется синфазная составляющая генерируемого напряжения. Возможность осуществления изобретения подтверждается макетированием с применением дискового диморфного элемента, склеенного из двух пьезокерамических пластин толщиной 0,3 мм, диаметром 65 мм на металлической подложке. Практически осуществимо изготовление дисковых пьезоэлементов для изготовления генератора большой мощности. Проведены проектные работы по созданию многоэлементного генератора для ветроэнергетической силовой установки.

Изобретение относится к преобразователям энергии, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использовано в любой области техники в качестве маломощного источника тока. Сущность: генератор содержит ротор, который приводится в движение от механической энергии, и статор, на котором закреплены один или несколько дисковых биморфных пьезоэлементов. С помощью закрепленных на роторе роликов осуществляется круговая деформация пьезоэлемента. В результате вследствие прямого пьезоэффекта на электродах пьезоэлемента генерируется постоянное напряжение. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пьезоэлектрический генератор постоянного тока, содержащий статор, на котором закреплен пьезоэлемент, имеющий форму тела вращения, и ротор, выполненный в виде вала, на котором закреплены два деформирующих пьезоэлемент ролика, отличающийся тем, что в нем пьезоэлемент выполнен в виде закрепленного в центре биморфного диска, по краю которого, в зоне контакта с деформирующими роликами, имеется гибкая изолирующая прокладка. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в нем на статоре соосно установлены дополнительные один или несколько биморфных дисковых пьезоэлементов, закрепленных в центре с возможностью поворота и отделенных друг от друга в центре изолирующими шайбами, а по краю гибкими изолирующими прокладками. 3. Генератор по п. 2, отличающийся тем, что в нем электроды пьезоэлементов соединены последовательно. 4. Генератор по п. 2, отличающийся тем, что в нем электроды пьезоэлементов соединены параллельно.