Пьезоэлектрический преобразователь энергии Советский патент 1990 года по МПК H04R17/00 

Изобретение относится к пьезоэлектрическим преобразованиям и может быть использовано в различных областях техники для оценки изгибных деформаций, возникающих при качении, например, в автомобилестроении,при оценки нагрузки на колеса в зависимости от состояния дороги, скорости передвижения по ней и массы перевозимого груза.

Целью изобретения является повыше- ние надежности работы пьезоэлектрического преобразователя энергии при одновременном упрощении технологии

его изготовления, повышение эффективности ,

На фиг.1 представлен пьезоэлектрический преобразователь, общий вид; на фиг.2 - пакет пьезоэлектрической пленки, общий вид; на фиг.З - вкладыш, общий вид; на фиг.4 - устройство пакета пьезоэлектрической пленки; на фиг.5 - диаграмма распределения электрических зарядов в пьезоэлектрической пленке при работе преобразователя (1 при снятии заряда в одной нижней точке А; 2 при снятии заряда в двух точках А и В).

31534758

Пьезоэлектрический преобразователь энергии конструктивно состоит из шины 1, камеры 2 и тупицы 3, Между шиной 1 и камерой 2 размещен пакет 4 s - набранный из пьезоэлектрической поляризованной пленки. Между пакетом4 и шиной 1 установлен вкладыш 5 (фиг.З). На ступице 3 (фиг,1) выпол

нен коллектор б с ячейками 7. Каждая ю ячейка 7 электрически соединена с соответствующей секцией пакета. На оси колеса с возможностью вращения вокруг нее установлен статор 9 с токосъемниками 10, контактирующими4 с 15 ячейками 7 коллектора 6.

Пакет 4 представляет собой набор пьезоэлектрических пленок 11 (фиг,2) запечатанный герметично в мягкий чехол 12, например, из резины или этиленовой пленки. Из пакета 4 выходят монтажные провода 8, один из которых имеет минусовую полярность, а остальные « плюсовую. Количество последних соответствует количеству 25 секций пьезоэлектрической пленки,набранной в пакет 4, При этом, провода 8, идущие от параллельных секций пленки, соединены вместе. Таким образом, секции 15 пленки объединены в 30 рабочие секторы 16, Длина и ширина пакета 4 выбираются в зависимости от ширины шины 1 и ее диаметра,

В качестве пьезоэлектрической пленки может быть использована, на- 35 пример, пьезоиолимериая пленка на основе поливинилинденхлорида. Электроды выполнены путем напыления алюминия,

В предлагаемом примере исполнения 40 приведена конструкция плоского пакета 4; провода в нем выходят в конце пакета в виде жгута. Посла установки пакета в шицу он принимает вид разомкнутого кольца; расстояние меж- 45 ду его концами должно быть наименьшим.

Возможны другие конструктивные исполнения подобного пакета, например, в виде цилиндра, навитого из пьезо- 50 электрической пленки, В пакет может быть вмонтирован вкладыш 5, Провода могут выходить из пакета равномерно по его длине.

Пьезоэлектрическая пленка 11 «55 (фиг,4) выполнена из поляризованной ленты, у которой один электрод нанесен с промежутками (без металлического покрытия). Таким образом, пленка

разделена на секции 15. Длина 16 каждой секции пьезопленки (фиг.4) составляет 1/16 длины ее окружности,а ее ширина соответствует диаметру поперечного сечения камеры 2 (фиг.1). От каждой секции 15 выходит электрический вывод 17, к которому присоединен монтажный привод 8,

Пакет 4 (фиг,2) набран из нескольких сложенных друг на друга пленок 11с совмещением по высоте всех секций 15,находящихся друг над другом; они электрически объединяются, образуя сектор. Каждый провод 8 с положительной полярностью, выведенный от сектора, соединен с ячейкой 7 коллек тора 6 с соблюдением порядка секторов в пакете 4, Отрицательный провод 8, выведенный из сплошных электродов пленки 11, соединен с ячейкой коллектора 6, предназначенной для отрицательной полярности.

Таким образом, каждый сектор пьезоэлектрического пакета 4 объединяет расположенные друг над другом секции 15 пьезоэлектрической пленки 11 и выведен на коллектор 6 с соблюдением порядка расположения секторов в пакете 4, Это представляется возможным выполнить потому, что все секции 15, расположенные в одном секторе пакета 4, работают в одинаковых условиях, подвергаются одинаковым деформациям и выделяют одинаковый заряд.

Вкладыш 5 (фиг.З) выполнен в виде упругого элемента, например из жесткой резины. По его длине выполнены выступы 13, образующие впадины 14, Длина и ширина вкладыша определяются параметрами пакета 4 (фиг,2), а количество и глубина образованных впадин в том числе и их форма - количеством секций в пакете 4, его толщиной и другими параметрами колеса. Количество впадин 14 должно быть не менее количества секций в пакете 4,

I

В предлагаемой конструкции преобрзователя пакет 4 из -пьезоэлектрических пленок, работающих параллельно и имеющих следующую последовательность полярности поляризации по высоте: требует специальной электрической изоляции между слоями пленок В этом случае между пленками приходится прокладывать

изолятор (бумагу 18 или полиэтиленовую пленку и т.п.).

Возможен и другой порядок набора пакета, например, при следующей последовательности полярности ее поля- ризации: -++--++-, В этом случае между одинаковыми полярностями изолятор прокладывать не обязательно.

Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.

При вращении преобразователя в нижней его части происходит деформация шины 1 (фиг.1). Это влечет за собой прогиб в этом месте пакета 4. Вследствие этого на рабочем секторе пакета 4 выделяется электрический заряд, который нарастает и достигает максимума в точке А (фиг.5). В этот момент через коллектор 6 и токосъемник 10 он снимается. Далее нагрузка на шину спадает, что приводит к уменьшению деформации пакета, в результате на этой секции (секторе) возникает

153

о1534758

генерирует электрической энергии: электрический заряд, однажды возник- нув в пленке при нажатии на нее, при вращении преобразователя перетекает с одного участка пленки на другие участки, где возникает обратный заряд. В результате заряд нейтрализуется.

g Согласно предлагаемому техническому решению пьезоэлектрическая пленк-а разделена электрически на секции за счет несплошности нанесения хотя бы ее одного электрода в каждом слое

пленки. При этом длина 16 каждой секции (фиг.4) не должна превышать 1/16 длины всей пленки (длины ее окружности). Последнее обусловлено тем,что в автомобильных колесах изгиб шины :

при езде автомобиля обычно не превышает 10-15 от общей окружности колеса. Поэтому пьезопленку желательно расположить в этом районе. В таком случае по мере вращения преобразова

Изобретение относится к области пьезоэлектрических преобразователей. Целью изобретения является увеличение надежности преобразователя энергии при одновременном упрощении технологии его изготовления, а также повышение эффективности его работы за счет того, что в преобразователе энергии, содержащем цилиндр с пьезоэлементами, разделенными на секции, а также коллектор, электрические ячейки которого соединены с электродами секций пьезоэлементов, и статор, установленный с возможностью свободного вращения вокруг оси цилиндра, электросъемники которого контактируют с коллектором, на цилиндре установлены камера с шиной, а пьезоэлементы выполнены из пьезоэлектрической пленки, размещенной между камерой и шиной, при этом на секции разделен по крайней мере один электрод каждого слоя пленки, а длина секции пьезопленки составляет не более 1/16 длины его окружности. С этой же целью между пьезопленкой и шиной установлен упругий элемент, в котором со стороны пьезопленки выполнены уступы, шаг между которыми равен не более одной секции пьезопленки. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

электрический заряд обратной полярное-25 теля каждый сектор пленки поворачивати, чем в предыдущий момент. Заряд достигает максимума в точке Б. В этот момент он также снимается.

Таким образом, отдают свои заряды и все секторы. Следовательно, по мере вращения преобразователя на статор 9 подается генерируемый электрический заряд.

На фиг.5 приведена диаграмма распределения электрического заряда в пьезоэлектрической пленке при вращении преобразователя под нагрузкой. Из нее следует, что наибольший заряд возникает в нижней части преобразователя (точка А). Если снимать заряд именно в той точке, диаграмма несколько изменится: в этом случае выгодно снимать заряд дважды: в точках А и Б. Именно такой режим работы преобразователя энергии является оптимальным,

Установка между шиной и камерон пьезоэлектрической пленки позволяет решить поставленную задачу значительно проще, с меньшими затратами, при меньшей массе, а самое главное, с более высокой надежностью.

Кроме того, такой преобразователь не ухудшает ни ходовых, ни надежностных качеств обычных автомобильных колес, что позволяет использовать его с большой надежностью в автомобиле.

Однако, при простой установке пьезоэлектрической пленки между шиной и камерой преобразователь не

ется и ставится в разные условия деформации, В нижней части преобразователя примерно на 1/16-его длины окружности деформация наибольшая, и каждый раз, когда на этот участок попадает сектор пленки, в нем возникает электрический заряд. Так заряд попадает через токосъемник на выводы статора, а оттуда - по назначению. Для увеличения эффективности процесса генерации энергии пьезопленок может быть несколько (т.е. она может быть уложена в несколько слоев).

С этой же целью предусматривается

между шиной и пьезоэлектрической пленкой устанавливать упругий элемент-вкладыш с выступами, которые придают пленке большую изгибкую де- . формацию, следовательно, способствуют появлению большего электрического заряда при прочих равных условиях. Подобные выступы могут быть выполнены непосредственно на внутренней поверхности шины, но тогда такие

шины имеют специальное назначение, а введение вкладыша позволяет использовать шины обычных автомобильных колес.

Введение вкладышей, шаг между которыми не превышает длину секции пленки, позволяет реализовать изгибные деформации активного элемента, что значительно эффективнее, чем реализация поперечного или продольного пьезомодуля.

Эффективность предлагаемого устройства состоит в том, что с его помо- щью легко, просто, надежно можно преобразовать энергию качения в электрическую энергию, а выделенный на выводах статора заряд может быть использован по своему прямому назначе- нйю: например, он может быть использован для измерения нагрузки, приходящейся на колеса автомобиля в зависимости от его скорости, состояния дороги и массы груза. Надежность авто- Нобиля при использовании предлагаемого преобразователя не снижается,

Формула изобретения

1, Пьезоэлектрический преобразователь энергии, содержащий цилиндр, п ъезоэлементы, разделенные на секции, коллектор, электрические ячейки которого соединены с электродами секций

Фие.1

Q 5

0

5

пьеэоэлементов, и статор, установленный с возможностью свободного вращения вокруг оси цилиндра, при этом электросъемники статора контактируют с коллектором, отличающий- с я тем, что, с целью повышения надежности и эффективности при одновременном упрощении изготовления, в него введена установленная на цилиндре камера с шиной, а пьезоэлементы выполнены из пьезоэлектрической пленки, расположенной между камерой и шиной, причем на секции-разделен по крайней мере один электрод каждого слоя пленки, а длина секции составляет не более 1/16 длины ее окружности,

Фиг. 2

00 tn

го 1Л

«о

+ 1 +1+1-Н

Составитель В.Кудрявцев Редактор А.Шандор Техред М.Дидык Корректор С.Черни

Заказ 57

Тираж 517

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Подписное