Пьезоэлектрический преобразователь кантилеверного типа механической энергии в электрическую

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 R_н = 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.