Электростатический преобразователь Российский патент 2023 года по МПК H02N1/08 

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к электромеханическим емкостным преобразователям механической энергии в электрическую. Устройство может использоваться для преобразования возобновляемой механической энергии в виде механических колебаний, которые появляются в окружающей человека среде (движение транспорта, вибрация работающих механизмов, акустические колебания, сейсмическая активность, колебания поверхности воды и других видов природных явлений и промышленной деятельности человека). Устройство может также выполнять обратную функцию - двигателя. При подаче электрической энергии (электрического напряжения) устройство является двигателем, осуществляет перемещение объекта, т.е. выполняет механическую работу.

В настоящее время известны только два способа прямого преобразования механической энергии в электрическую: это индуктивный и емкостной. В индуктивных преобразователях электромеханическое преобразование происходит за счет изменения индуктивностей, токов и напряжений, а в емкостных - за счет изменения емкостей, напряжений и токов (Копылов И.П. Электрические машины. - М. Энергоатомиздат, 1986. с. 351-353.).

Известно устройство, в которых изменение емкости происходит за счет вращения подвижных пластин, закрепленных на роторе относительно неподвижных пластин статора, которые и являют собой рабочую емкость (Патент США №4127804, "Electrostatic energy conversion system", МПК H02N 1/00, H02N 1/08 опубликован 28.11.1978 г.). При изменении емкости конденсаторов между неподвижной обкладкой одного конденсатора и неподвижной обкладкой другого возникает разность потенциалов. Когда эти две потенциальные точки подключены к нагрузке, заряд передается от одного конденсатора к другому в виде тока, протекающего через нагрузку. Общий заряд не уменьшается, энергия, передаваемая нагрузке, является энергией, увеличивающейся при перемещении перекрытия пластин. Недостатком данного устройство является низкая эффективность преобразования энергии.

Как известно энергия электрического конденсатора выражается формулой E=CU²/2, где Е - энергия запасенная в электрическом конденсаторе; С - электрическая емкость конденсатора; U - электрическое напряжение, приложенное к конденсатору. Как видно из формулы зависимость запасенной энергии от величины емкости линейная, а от напряжения - квадратичная. Таким образом при увеличении емкости в два раза энергия увеличивается тоже в два раза, а при увеличении напряжения в два раза, запасенная энергия увеличивается в четыре. Это означает, что изменение напряжения более эффективное воздействие.

Известно техническое решение, которое преобразуют возвратно-поступательное движение во вращательное движение оси (Патент США №20130008157, "High - efficiency energy generator for harnessing mechanical vibration power", МПК F03B 13/18, опубликован 10.01.2013 г.]. Предложенная конструкция по существу является преобразователем одного вида движения (возвратно-поступательного) в другой вид (вращательное), а преобразователем вращательного движения в электрическую энергию может служить любой классический генератор. Такие устройства являются аналогами только по области применения. Кроме того у данного устройства усложняется конструкция и уменьшается надежность за счет появления дополнительных элементов. Для работы новых элементов требуется энергия, что уменьшает коэффициент полезного действия механизма.

Известно устройство, в котором электроды конденсатора, рабочие поверхности которых выполнены из материалов с разной электронной проводимостью (Патент РФ №2344537, "Способ преобразования механической энергии в электрическую и устройство для осуществления этого способа (варианты)", МПК H02N 1/100, опубликована 20.01.2009). Техническое решение заключается в периодическом своде и разводе электродов и в подключении к ним нагрузки в момент развода, причем при сближении электродов образуется электрический контакт между их рабочими поверхностями, а свод электродов осуществляют до возникновения электрического контакта между их рабочими поверхностями. Один преобразователь для осуществления способа содержит электроды, рабочие поверхности которых выполнены из материалов с разной электронной проводимостью. В другом - каждый электрод содержит электропроводящий слой с электронной проводимостью, отличной от электронной проводимости слоя другого электрода.

В устройстве необходимым условием для работы требуется физический контакт между движущимися поверхностями. Надежный контакт между подвижными твердыми телами обеспечивается рядом условий (достаточное усилие сжатия, постоянство этого усилия в ходе циклической работы, достаточное время действия усилия вовремя контактирования и т.д.). Все эти условия могут легко быть созданы искусственным путем, но практически не выполнимы в условиях естественных механических колебаний (меняющиеся амплитуда и частота вибраций почвы при движении транспорта т.д.), что приводит к сбоям в работе и уменьшает надежность работы.

Известно техническое решение, представленное устройстве с применением фторированного полиэтиленпропиленового сегнетоэлектрика с заполненной воздухом концентрической туннельной структурой ("Fluorinated Polyethylene Propylene Ferroelectrics with an Air - Filled Concentric Tunnel Structure: Preparation, Characterization, and Application in Energy Harvesting" // Xi Zuo, Li Chen, Winjun Pan, Xingchen Ma, Tongqing Yang and Xiaoqing Zhang. - Micromachines 2020, 11, 1072), выбранного в качестве прототипа. Для изготовления устройства использовались специально приготовленные методом термопластического формования с помощью жесткого шаблона и контактной поляризации биполярные сегнетоэлектрические пленки фторированного полиэтиленпропилена (ФЭП) со специально разработанной концентрической туннельной структурой, на одну поверхность пленки наносился слой металлизации. Для ограничения деформации пленок во всех направлениях, кроме вертикального, одну пленку закрепляли на нижней пластине металлизированной поверхностью. Вторая пленка размещалась на первой так, чтобы диэлектрические поверхности пленок были обращены друг к другу. Плоские участки пленок должны совпадать друг с другом, а изогнутые находиться друг над другом. Пленки склеивались своими плоскими участками, а изогнутые образовывали концентрические полости (туннели) заполненные воздухом. Верхняя пленка крепилась ко второй пластине (геометрические размеры пластин и пленок одинаковы) своей металлизированной поверхностью. Когда к устройству прикладывается внешняя сила, верхняя пластина помогала равномерно распределять ее по каждому туннелю, деформируя таким образом туннели. Во время вибрации происходило синусоидальное изменение толщины воздушного зазора, что приводило к изменению плотности индуцированного заряда и, следовательно, тока во внешней цепи. Таким образом механическая энергия колебаний преобразуется в электрическую.

Недостатком известного устройства является невозможность использовать главное преимущество емкостных преобразователей, возможность работать со сверхмалыми зазорами. В замкнутом объеме, заполненном воздухом, воздух приобретает свойства газовой пружины и при любом, даже очень большом давление, остается в зазоре между поверхностями подвижных элементов, не позволяя получить максимально возможное изменение емкости, это уменьшает эффективность преобразования. Кроме того, сложность конструкции будет ограничивать количество слоев подвижных элементов, так как совмещение нескольких элементов такой конфигурации является очень трудной технической задачей. А в отсутствие точного совмещения будет резко падать эффективность преобразования.

Перед авторами стояла задача разработать электростатический преобразователь повышенной энергоемкости, позволяющий более эффективно преобразовывать механическую энергию в электрическую.

Поставленная задача решается те, что используются размерные эффекты, позволяющие существенно повысить электрическую прочность как воздушных зазоров, так и диэлектрических полимерных пленок.

Детальный анализ работы емкостных электростатических микрогенераторов представлен в работе (Багинский И.Л., Косцов Э.Г., Соколов А.А. «Электростатические микрогенераторы энергии с высокой удельной мощностью» // Автометрия 2010, Т. 46, N 6, с. 90-105). Авторы делают вывод, что микрогенераторы электрической энергии, основанные на использовании многослойной структуры электрод - тонкий диэлектрик - (сегнетоэлектрик) со встроенным зарядом - воздушный зазор с переменной во времени толщиной, изменяющейся под действием механических сил - подвижный электрод, совершающий колебательные движения относительно поверхности диэлектрика в режиме низкочастотных колебаний могут использоваться источники энергонезависимого питания и способны развивать без применения источников напряжения мощность от 1 до 10 мВт/см² и более. Установлено, что основным параметром, определяющем эффективность работы является отношение величины заряда, сформированного в диэлектрическом слое к его геометрической емкости: Vp=Qp/CF. Основными факторами, обеспечивающими высокую энергоемкость таких микрогенераторов, являются более высокие значения Cmax и допустимой напряженности электрического поля в зазоре объекта.

Авторы [Пленочная электромеханика / В.Л. Дятлов, В.В. Коняшкин, Б.С. Потапов, С.И. Фадеев. - Новосибирск: Наука, сиб. отд-ние, 1991. с. 67-76], показывают, что использовании размерных эффектов, таких как:

1. Значительное увеличение пробивной напряженности электрического поля в газовом промежутке между металлическими электродами по мере уменьшения этого промежутка в М-Г-М (металл - газ - металл) структурах.

2. Увеличения пробивной напряженности электрического поля и электрической долговечности диэлектрических пленок с уменьшением их толщины.

3. Увеличение пробивной напряженности электрического поля в М-Г-Д-М (металл - газ - диэлектрик - металл) структурах при уменьшении толщины диэлектрических пленок.

4. Увеличение кривизны изгибной деформации и механической долговечности металлических и диэлектрических пленок с уменьшением их толщины.

5. Обратимый электростатический накат.

Позволяют создавать емкостные преобразователи конкурентные индуктивными.

Там же (с. 14-15) авторы приводят сравнение энергоемкостей различных электромеханических преобразователей энергии в зависимости от их массы (индуктивных преобразователей, пьезоэлектрических вибрационных двигателей на основе керамики ЦТС, электромеханических емкостных структур в виде пленочного шагового двигателя, пьезоэлектрических двигателей на основе керамики ЦТС при питании от знакопостоянного напряжения) и показывают, что многослойные пленочные структуры (электрические емкостные среды) конкурируют по энергоемкости с известными преобразователями, имея более высокую энергоемкость при одинаковой массе.

Заявляемый электростатический преобразователь, представлен на фиг. 1, где 1 - нижняя жесткая пластина, 2 - электрические контакты на нижней пластине, 3 - металлизация тонких полимерных электретных пленок, 4 - тонкие полимерные электретные пленки, 5 - упругие прокладки с отверстиями, 6 - верхняя жесткая пластина, 7 - упругая прокладка, 8 - отверстие для выхода воздуха, 9 - блок управления, 10 – корпус.

Технический результат увеличения эффективности преобразования энергии предлагаемого устройства достигается за счет того, что подвижные элементы преобразователя выполнены в виде пакета (по крайней мере две пленки), собранного из предварительно натянутых полимерных электретных металлизированных с одной стороны пленок, расположенных в пакете таким образом, чтобы металлизированная поверхность одной пленки была обращена к диэлектрической поверхности другой и скрепленных между собой через упругую прокладку с отверстиями для выхода воздуха, закрепленную по краям периметра пленок. Первая пленка закреплена к нижней жесткой пластине, на которой расположены две контактных площадки, с одной из них электрически соединена металлизация четных пленок, а со второй - металлизация нечетных. Последняя пленка пакета крепится к поверхности другой упругой прокладки, закрепленной на внешней жесткой пластине, которая по размеру немного меньше размера подвижной части пленок и позволяет равномерно распределять механическое давление по всей поверхности подвижных пленок. К контактным площадкам также подсоединен блок управления для отбора или подачи электрической энергии: когда емкость пакета увеличивается - схема отключает нагрузку, а при уменьшении емкости включает. В случае подачи электрического напряжения на пакет-устройство может использоваться как двигатель возвратно-поступательного движения, т.е. преобразовывать электрическую энергию в механическую. Геометрическая форма пленок (квадрат, треугольник, круг и т.д.) и размеры могут быть выбраны любыми, исходя из удобства применения и способа изготовления, также как и количество подвижных элементов. Принцип работы преобразователя очень прост: при механическом воздействии на верхнюю пленку пакет сжимается, изменяется емкость, что приводит к изменению плотности индуцированного заряда и, следовательно, тока во внешней цепи. После снятия механического усилия пакет возвращается в исходное состояние за счет сил упругости, возникающих при деформации натянутой пленки и упругих прокладок.

Для защиты устройства от негативных воздействий окружающей среды (влага, пыль и т.д.) пакет помещается в эластичный герметичный корпус (например - сильфон), а пластины закрепляются на противоположных концах корпуса. В необходимых случаях для повышения пробивной прочности газовых промежутков корпус можно заполнить «элегазом» (SF6) или другими газами, или откачать до высокого вакуума.

Пример использования (экспериментальные данные)

Для эксперимента были выбраны металлизированные с одной стороны пленки полиэтилентерефталата - ПЭТФ - двух толщин - 8⋅10^-6 м и 5⋅10^-6 м, толщина металлизации, пленка алюминия Al=0,1⋅10^-6 м Пленки ПЭТФ были выбраны для эксперимента из-за подходящих физико-технических характеристик и широкого использования его в различных областях науки и технике [Лущейкин Г.А. Полимерные электреты. М., Химия, 1976. С. 204-212.]. Образцы для эксперимента готовились следующим образом: пленки в свободном состоянии, без предварительного натяга, укладывались на жесткую пластину, так чтобы диэлектрическая поверхность одной была обращена к металлизированной поверхности следующей, металлизация нечетных пленок присоединялась к одной контактной площадке, а металлизация четных ко второй, упругие прокладки между пленками в эксперименте не использовались. Таким образом у нас появлялась цепочка параллельно соединенных конденсаторов, количество конденсаторов в пакете будет равно количеству пленок минус единица. На верхнюю пленку помещалась вторая жесткая пластина, к которой прикладывалась механическая нагрузка. Величина нагрузки составляла приблизительно 1,3 кг/см², что соответствует давлению на грунт четырех колес легкового автомобиля или двух ног человека. Емкость набора пленок измерялась измерителем иммитанса Е7-20 в зависимости от внешней нагрузки, также фиксировалось время возвращения пакета в начальное состояние.

Пакет 1,1 - толщина пленки - d=8 мкм,

- площадь перекрытия - S=6×6 мм²,

- количество пленок - n=2,

- начальная емкость - Со=9,2 pF

| - максимальная емкость при нагрузке - Р=1,3 кг/см²-Cmax=82,3 pF

- время возвращения в исходное состояние, без нагрузки - Тот<10 мс.

Пакет 1,2 - d=8 мкм,

- S=6×6 мм²,

- n=8,

- Co=78,7 pF,

- Cmax=694 pF,

- Тот=меньше 15 мс.

Пакет 2,1 - d=5 мкм,

- S=25×47 мм²,

- n=2,

- Со=484,5 pF,

- Cmax=3145,7 pF,

- Тот<500 мс.

Пакет 2,2 - d=5 мкм,

- S=25×47 мм²,

- n=4,

- Со=1327,6 pF,

- Cmax=10700 pF,

- Тот<900 мс.

Анализируя полученные данные, видим, что во всех случаях емкость увеличивается при нагрузке практически в десять раз, увеличение количества пленок, изменение толщины и геометрических размеров приводит к ожидаемому результату. Сравнительно большое время возвращения пакета к исходному состоянию подтверждает необходимость предварительного натяга пленок и наличия упругих прокладок для увеличения возвращающих упругих сил. Результаты показывают возможность технической реализации предлагаемого устройства.

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к электростатическому преобразователю механической энергии с твердым подвижным токопроводящим носителем зарядов с использованием металлизированной электретной пленки, и может быть использовано для преобразования механической энергии в емкость тонкопленочных конденсаторов. Повышение эффективности преобразования механической энергии является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что устройство содержит пакет из по меньшей мере двух плоских предварительно натянутых полимерных электретных пленок металлизированных с одной стороны толщиной 5-8 мкм, скрепленных между собой через упругую прокладку, с отверстиями для выхода воздуха, при этом первая пленка закреплена на жесткой пластине, на которой расположены две контактные площадки, к которым подсоединен блок управления для коммутации электрической энергии, когда емкость пакета увеличивается. При механическом воздействии на верхнюю пластину пакет сжимается, что приводит к изменению электрической емкости преобразователя, которая увеличивается. После снятия механического усилия пакет возвращается в исходное состояние за счет сил упругости, возникающих при деформации натянутой пленки и упругих прокладок, что приводит к снижению емкости. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Электростатический преобразователь механической энергии в электрическую, состоящий из корпуса, в котором между двумя жесткими пластинами размещен пакет из полимерных металлизированных пленок, расположенных друг над другом и скрепленных между собой с воздушным зазором, при этом одна пленка закреплена на нижней пластине, а вторая пленка закреплена на верхней пластине, блока управления, отличающийся тем, что пакет выполнен из плоских металлизированных предварительно натянутых электретных пленок из полиэтилентерефталата (ПЭТФ), металлизированных с одной стороны алюминием, толщиной 5-8 мкм, расположенных последовательно друг над другом так, чтобы металлизированная поверхность следующей плоской металлизированной предварительно натянутой электретной пленки была обращена к диэлектрической поверхности предыдущей плоской металлизированной предварительно натянутой электретной пленки и скрепленных между собой посредством упругой прокладки, выполненной с отверстиями для выхода воздуха, которая расположена по краям периметра плоской металлизированной предварительно натянутой электретной пленки, при этом первая плоская металлизированная предварительно натянутая электретная пленка закреплена на нижней жесткой пластине, которая оснащена двумя контактными площадками для электрического соединения металлизации плоских металлизированных предварительно натянутых электретных пленок, при этом первая металлизация соединена с одной контактной площадкой, а вторая металлизация соединена с другой контактной площадкой, которые соединены с блоком управления, на который подается электрическое напряжение, при этом верхняя плоская металлизированная предварительно натянутая электретная пленка пакета закреплена на упругой прокладке, соединенной с верхней жесткой пластиной, к которой прикладывается равномерное распределение механической нагрузки величиной 1,3 кг/см².

2. Электростатический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что количество плоских металлизированных предварительно натянутых электретных пленок, образующих пакет, может быть выбрано из двух, четырех или восьми пленок.

3. Электростатический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что к контактным площадкам подсоединен блок управления, который подключает источник питания и отключает накопитель энергии, когда емкость пакета увеличивается, а также подключает к накопителю энергии, когда емкость пакета уменьшается.