ВСТРОЕННЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ СВОБОДНОВРАЩАЮЩИХСЯ ИНЕРЦИОННЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ТЕЛ Российский патент 2015 года по МПК H02N2/00 H01L41/04 

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

Изобретение может быть использовано в качестве источника переменного тока для внутренних потребителей свободновращающихся инерционных тел при проектировании космической и военной техники.

Аналогом большинства известных в настоящее время преобразователей является электромагнитный механизм.

Благодаря длительной истории развития и эксплуатации эти механизмы доведены до конструктивного совершенства. В то же время недостатки электромагнитных преобразователей известны: это относительно большая масса, использование 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 устройствами [1]. При этом удается существенно улучшить многие качественные показатели. Так, достигаются большая надежность, технологичность и на базе этого более низкая стоимость, высокий КПД преобразования.

Одним из таких устройств является пьезокерамический генератор постоянного тока, выбранный в качестве прототипа [2].

Этот генератор имеет цилиндрический тонкостенный 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.

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 прототипа являются:

- сложность конструкции;

- большие массогабаритные характеристики устройства;

- малая электрическая мощность генератора;

- сравнительно малая надежность вследствие того, что тонкослойное покрытие (электроды пьезоэлемента) подвержено быстрому износу катящимися нажимными и токосъемными роликами.

Техническим результатом, получаемым при внедрении изобретения, является устранение перечислимых недостатков прототипа, то есть уменьшение массогабаритных характеристик и упрощение конструкции устройства, и, как следствие этого, повышение надежности и электрической мощности пьезоэлектрического источника тока.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном пьезоэлектрическом источнике тока, содержащем статор, выполненный в виде тела вращения с закрепленным на нем пьезоэлементом с токоотводами, и ротор, выполненный в виде деформирующих пьезоэлемент грузов, образующих осесимметричное статору тело вращения, и изолирующую прокладку, расположенную между статором и ротором, пьезоэлемент выполнен в виде тонкостенного цилиндра, закрепленного на внутренней поверхности статора, при этом деформирующие пьезоэлемент грузы расположены внутри этого цилиндра.

Причем деформирующие пьезоэлемент грузы выполнены в форме призм с внешними радиальными основаниями, повторяющими внутреннюю поверхность тонкостенного цилиндра.

Внешнюю поверхность цилиндрического пьезоэлемента покрывают диэлектриком, а токоотводы прикрепляют к внешней и внутренней поверхности пьезоэлемента и выводят наружу через диэлектрическое покрытие.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 схематически представлено осесимметричное инерционное тело, вращающееся с угловой скоростью ω; на фиг.2 - схема генератора; на фиг.3 - схема источника тока по дополнительному пункту формулы изобретения.

Для пояснения сущности изобретения на фиг.1 схематически изображено осесимметричное инерционное тело, вращающееся с угловой скоростью ω. Характер вращательного движения инерционного тела усложнен возникающими в процессе вращения явлениями прецессии и нутации.

Генератор (фиг.2) состоит из цилиндрического тонкостенного пьезоэлемента 1, закрепленного на внутренней поверхности корпуса (статор) 2, выполненного в виде тела вращения, и ротора 3, выполненного в виде деформирующих пьезоэлемент 1 грузов и расположенных внутри пьезоэлемента 1, образующих при этом осесимметричное статору 2 тело вращения. Деформирующие грузы (ротор) 3 имеют форму призм с внешним радиальным основанием, повторяющим сопрягаемую радиальную форму внутренней поверхности пьезоэлемента. Форма грузов 3 позволяет достигать равномерного нагружения пьезоэлемента при возникновении центробежных ускорений.

Грузы 3 между собой механически не связаны и могут перемещаться в радиальном направлении относительно продольной оси корпуса (статора) 2 в пределах линейной радиальной деформации пьезоэлемента 1.

Между корпусом (статором) 2 и ротором 3 расположена изолирующая прокладка (не показана).

Для электрической изоляции и возможности отбора напряжения на внутренней и внешней цилиндрических поверхностях пьезоэлемента 1 монтируются электроды 4 с прикрепленными проводниками-токоотводами 5 и устанавливается внешний диэлектрик 6 (фиг.3).

Генератор работает следующим образом.

При вращении корпуса инерционного тела (статора) (вид А-А на фиг.1) относительно продольной оси с собственной угловой скоростью ω, возникает сила центробежного ускорения F_Ц, с которой деформирующие грузы (ротор) 3 воздействуют на внутреннюю цилиндрическую поверхность пьезоэлемента 1. На внешнюю цилиндрическую поверхность пьезоэлемента 1 действует сила реакции F_Р корпуса (статора) 2. При постоянной угловой скорости вращения корпуса (статора) 2 возникающая в результате общая равнодействующая сила вызывает радиальную деформацию пьезоэлемента 1. При радиальной деформации пьезоэлемента на его электродах, вследствие прямого пьезоэффекта, возникают заряды, образующие разности потенциалов на его внутренней и внешней цилиндрических поверхностях. Разность потенциалов определяется угловой скоростью вращения корпуса (ротора) и, как следствие, пропорциональна величине радиальной деформации пьезоэлемента. Вследствие нутации, возникающей в результате вращения корпуса (ротора) 2, изменение величины разности потенциалов будет иметь переменный синусоидальный характер. Для исключения электрических потерь пьезоэлемента и токоведущих элементов в конструкции генератора предусмотрено применение диэлектрического изолятора.

Данный источник питания позволяет достичь поставленный технический результат и применить разработанный источник для свободновращающихся инерционных тел.

Источники информации

1. Ерофеев А.А. и др. Пьезоэлектрические трансформаторы и их применение в радиоэлектронике. - М., 1988, с.10-12, рис.1.1.2.ж. SU 320839 A, 17.02.1972. JP 51-31155 A, 04.09.1976. JP 51-43756 A, 24.11.1976.

2. Самойлов Валерий Михайлович; Черняев Виктор Николаевич. Пьезоэлектрический генератор постоянного тока. - М. 1993.03.19. Патент Российской Федерации RU 2113757 - прототип.

3. Козлов В.И. Конструкции ВУ. ЦНИИНТИ, 1983.

4. Гольдин А.С. Вибрация роторных машин. - М.: Машиностроение, 1999. - 344 с.

Изобретение относится к преобразователям энергии, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использовано в любой области техники в качестве маломощного источника переменного тока для свободновращающихся осесимметричных инерционных тел. Генератор содержит тонкостенный цилиндрический пьезоэлемент, внешней стороной прикрепленный к внутренней поверхности тела вращения, и прикрепленные к нему с внутренней стороны нескольких симметрично расположенных грузов. При вращении тела относительно его продольной оси грузы под воздействием центробежной силы осуществляют круговую деформацию пьезоэлемента, генерирующего электрическое напряжение. Техническим результатом является уменьшение массогабаритных характеристик и повышение надежности и мощности пьезоэлектрического источника тока. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Встроенный пьезоэлектрический источник переменного тока для свободновращающихся инерционных осесимметричных тел, содержащий статор в виде тела вращения с закрепленным на нем пьезоэлементом с токоотводами и ротор в виде деформирующих пьезоэлемент грузов, образующих осесимметричное статору тело вращения, и изолирующую прокладку, расположенную между статором и ротором, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен в виде тонкостенного цилиндра, закрепленного на внутренней поверхности статора, при этом деформирующие пьезоэлемент грузы расположены внутри этого цилиндра.

2. Встроенный пьезоэлектрический источник переменного тока для свободновращающихся инерционных осесимметричных тел по п.1, отличающийся тем, что деформирующие пьезоэлемент грузы выполнены в форме призм с внешними радиальными основаниями, повторяющими внутреннюю поверхность тонкостенного цилиндра.

3. Встроенный пьезоэлектрический источник переменного тока для свободновращающихся инерционных осесимметричных тел по п.1, отличающийся тем, что внешнюю поверхность цилиндрического пьезоэлемента покрывают диэлектриком, а токоотводы прикрепляют к внешней и внутренней поверхности пьезоэлемента и выводят наружу через диэлектрическое покрытие.