Пьезоэлектрический генератор с пьезоэлектрическим преобразователем. Пьезоэлектрический генератор волновой

Пьезоэлектрический генератор с пьезоэлектрическим преобразователем

 

Пьезоэлектрический генератор относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использовано в любой области техники в качестве источника тока. Генератор содержит пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде плоской биморфной секционированной пластины, состоящей из набора поляризованных прямоугольных пьезоэлементов, объединенных в секции. Пьезоэлементы внутри каждой секции, а также секции между собой электрически соединяются последовательно, либо параллельно. Генератор содержит резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор, схему, управляющую зарядом конденсатора и аккумулятор. Преобразователь крепится к объектам, подверженным вибрации, и генератор вырабатывает электрическую энергию за счет энергии вибрации объекта, к которому он прикреплен. Достигаемый технический результат: использование даровой энергии вибрации для получения электроэнергии; увеличение мощности пьезоэлектрического генератора; экономия электрической энергии или ее получение в тех местах, где она отсутствует.

Полезная модель относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использован в любой области техники в качестве источника тока.

Известен пьезоэлектрический генератор постоянного тока, например RU 2113757, содержащий 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. Пьезоэлемент может содержать множество пьезокерамических дисков для увеличения мощности. При вращении ротора от внешнего источника механической энергии ролики, которые установлены относительно дисковых элементов таким образом, что обеспечивается их деформация, прокатываются по прокладке, деформируя пьезоэлементы. При деформации пьезоэлементов 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.

К недостаткам этого генератора относится то, что он приводится во вращение внешним источником энергии, например ветра или воды, т.е. требует дополнительного устройства преобразования энергии. Кроме того, в силу своей конструкции он ограничен размерами пьезоэлемента, и, следовательно, генерируемая энергия также ограничена. Отсутствует накопитель электрической энергии.

Известен также пьезоэлектрический генератор, например US 5801475, содержащий консольно закрепленный биморфный пьезоэлемент, который под действием внешних вибраций колеблется, вследствие чего на его обкладках благодаря прямому пьезоэффекту возникает переменная разность потенциалов, резистор, выпрямительный элемент, накопительный конденсатор и выходную регулирующую электронную цепь.

Рассмотренное решение наиболее близко по совокупности существенных признаков к предлагаемому решению.

К недостаткам этого генератора относятся его малые размеры и консольное закрепление пьезоэлемента, как следствие, малая выходная мощность и повышенная хрупкость. Эти недостатки ограничивают использование такого генератора лишь устройствами микроэлектроники.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является увеличение электрической мощности пьезогенератора, а также использование даровой энергии вибрации различных промышленных, строительных, дорожных и бытовых конструкций.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемая полезная модель так же, как и известный пьезоэлектрический генератор, содержит пьезоэлектрический преобразователь, параллельно которому включен резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор и выходную регулирующую электронную цепь. Но, в отличие от известного, в предлагаемом генераторе пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде плоского секционированного преобразователя, секции которого электрически соединены друг с другом, а каждая секция состоит из одного или более пьезоэлементов, склеенных друг с другом и электрически соединенных друг с другом.

Достигаемым техническим результатом является увеличение мощности пьезоэлектрического генератора и возможность использования даровой энергии.

Совокупность признаков, сформулированных в п. 2 формулы полезной модели, характеризует пьезоэлектрический генератор в котором преобразователи в каждой секции соединены последовательно.

Достигаемым техническим результатом является увеличение выходного напряжения пьезоэлектрического генератора и снижение собственной электрической емкости генератора.

Совокупность признаков, сформулированных в п. 3 формулы полезной модели, характеризует пьезоэлектрический генератор в котором преобразователи в каждой секции соединены параллельно.

Достигаемым техническим результатом является увеличение электрического заряда, вырабатываемого пьезоэлектрическим генератором.

Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:

на фиг. 1 показана схема пьезоэлектрического генератора;

на фиг. 2 изображен схематически пример выполнения составной части пьезоэлектрического генератора - биморфного преобразователя;

на фиг. 3 и 4 приведены примеры установки преобразователя.

Пьезоэлектрический генератор (фиг. 1) имеет биморфный пьезопреобразователь 1, резистор 2, выпрямитель 3, накопительный конденсатор 4, схему, управляющую зарядом аккумулятора 5 и аккумулятор 6.

Пьезоэлектрический преобразователь 1 (фиг. 2) выполнен в виде плоской биморфной секционированной пластины, состоящей из набора поляризованных прямоугольных пьезоэлементов, объединенных в секции 7-12. Пьезоэлементы внутри каждой секции, а также секции между собой электрически соединяются последовательно, либо параллельно, в зависимости от того, какое напряжение и какую мощность требуется получить от преобразователя. В приведенном примере выполнения преобразователя (фиг. 2) верхняя часть состоит из шести секций 7-12 по пяти элементов в каждой, соединенных последовательно. Все секции соединены параллельно. Аналогичное устройство имеет нижняя часть, которая также состоит из шести секций по пяти элементов в каждой. К электродам верхней и нижней частей припаяны выводы 13, 14, с которых снимается переменное напряжение и поступает дальше на выпрямитель. Верхняя и нижняя части для увеличения прочности могут быть наклеены на базовую металлическую упругую пластину 15.

Преобразователь в целом может опираться на опоры 16, расположенные по ее концам (т.е. в узлах смещений колеблющейся пластины) (фиг. 3), либо плотно лежать на колеблющейся плоскости 17 (фиг. 4). Таким образом, биморфный преобразователь может выдерживать без разрушения большие статические и динамические нагрузки.

Выходное напряжение преобразователя через согласующий резистор 2 поступает на вход выпрямителя 3, а затем выпрямленное напряжение поступает на вход накопительного конденсатора 4. После накопительного конденсатора через электронную схему регулирования 5 напряжение поступает на вход аккумулятора 6.

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

Генератор работает следующим образом.

Биморфный преобразователь 1 прикрепляется к вибрирующему элементу строительной, промышленной, бытовой или дорожной конструкции. Преобразователь может крепиться либо на опорах 16 (фиг. 3), которые размещаются по концам преобразователя, в узловых сечениях, либо плотно прилегать к вибрирующей поверхности (17), например, к элементу строительной конструкции, либо к полу, либо к дорожному полотну. В первом случае, преобразователь может колебаться на частоте основного изгибного резонанса под действием внешней возбуждающей силы f. Амплитуда переменного напряжения на выходе преобразователя в этом случае максимальна. Во втором случае преобразователь может колебаться на частоте вибрирующего элемента, которая может не совпадать с частотой резонанса преобразователя. В этом случае на выходе преобразователя вырабатывается несколько меньшее напряжение, но за счет плотного контакта с вибрирующей поверхностью достигается значительно большая прочность преобразователя по сравнению с предыдущим случаем. При вибрации в результате прямого пьезоэффекта на выходе преобразователя возникает переменное напряжение, которое поступает на резистор 2, а затем на выпрямитель 3. После выпрямления электрический заряд накапливается на накопительном конденсаторе 4, затем поступает на схему 5, управляющую зарядом аккумулятора. Энергия заряженного аккумулятора используется потребителем. Таким образом, используется даровая энергия вибрации различных объектов.

Достигаемый технический результат:

1. Использование даровой энергии вибрации для получения электроэнергии;

2. Увеличение мощности пьезоэлектрического генератора;

3. Экономия электрической энергии или ее получение в тех местах, где она отсутствует.

1. Пьезоэлектрический генератор, содержащий пьезоэлектрический преобразователь, параллельно которому включен резистор, выпрямитель, накопительный конденсатор и аккумулятор с регулятором зарядного тока, отличающийся тем, что пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде плоского секционированного преобразователя, секции которого электрически соединены друг с другом, а каждая секция состоит из одного или более пьезоэлементов, склеенных друг с другом и электрически соединенных друг с другом.

2. Пьезоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что преобразователи в каждой секции соединены последовательно.

3. Пьезоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что преобразователи в каждой секции соединены параллельно.

poleznayamodel.ru

Пьезоэлемент

Пьезоэлемент - электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной формы и ориентации относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект).

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.

Сменить цвет

Колебания пьезоэлементаДиаметр: 10 ммТолщина: 1 ммМатериал: ЦТС-26Напряжение: 5ВЧастота возбуждения: 1МГцМасштаб колебаний: 30000:1

Посмотреть колебания

Остановить колебания

Рисунок - Колебание свободного пьезоэлемента под действием напряжения (обратный пьезоэффект)

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

Справка: Первая статья Жака и Пьера Кюри о пьезоэлектричестве была представлена Минералогическому обществу Франции (Societe mineralogique de France) на сессии 8 Апреля 1880 года и позже Академии наук (Academie des Sciences) на сессии 24 августа 1880 года. Пьер и Жак Кюри впервые открыли прямой пьезоэлектрический эффект у кристалла турмалина. Они заметили, что если оказывать механическое давление на кристалл в определенном направлении, на противоположных сторонах кристалла возникают электрические заряды пропорциональные давлению и противоположной полярности. Позже они открыли подобный эффект у кварца и других кристаллов. В 1880 году Пьеру Кюри был только 21 год [9].

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.

Рисунок 1 – Элементарная ячейка цирконата титоната свинца (ЦТС) при температуре выше точки Кюри (слева) и при температуре ниже точки Кюри (справа)

Здесь можно кратко пояснить пьезоэлектрический эффект на примере титаната бария, часто применяемой пьезоэлектрической керамики со сравнительно простой конструкцией элементарной ячейки. Титанат бария ВаТiO3, как и многие другие пьезокерамические вещества, аналогичен по структуре перовскиту (СаТiО3), по которому и назван этот класс материалов. Элементарная ячейка при температурах выше, критической, которая называется также точкой Кюри, является кубической. Если температура ниже этой критической, то элементарная ячейка тетрагонально искажается по направлению к одной из кромок. В результате изменяются и расстояния между положительно и отрицательно заряженными ионами (рисунок 1, для ВаТiO3 вместо Pb - Ba). Смещение ионов из их первоначального положения очень мало: оно составляет несколько процентов параметра элементарной ячейки. Однако такое смещение приводит к разделению центров тяжести зарядов внутри ячейки, так что образуется электрический дипольный момент. По энергетическим условиям диполи соседних элементарных ячеек кристалла упорядочиваются по областям в одинаковом направлении, образуя так называемые домены.

Рисунок 2 – Неупорядоченная поляризация (слева) и упорядоченная поляризация доменов при наложениии сильного электрического поля (справа)

Направления поляризации доменов распределяются в поликристаллической структуре по статическому закону. Таким образом, неупорядоченные скопления отдельных микрокристаллов в структуре вещества, образующиеся только в спеченной керамики, в макроскопическом смысле вообще не могут давать никакого пьезоэлектрического эффекта. Только после так называемого процесса поляризации, в котором при наложении сильного электрического поля на керамику происходит выравнивание возможно большего числа доменов параллельно друг другу, удается использовать пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже температуры Кюри, чтобы облегчить ориентацию доменов. После охлаждения это упорядоченное состояние остается стабильным.

Современные средства проектирования позволяют рассчитать / промоделировать отдельно пьезоэлемент или пьезоэлектрический преобразователь целиком. По согласованию с Инженерными решениями Вы можете заказать расчет парметров пьезоэлектрического преобразователя

Механическое сжатие или растяжение, действующее на пьезоэлектрическую пластину параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек. При этом центры тяжести зарядов взаимно смещаются внутри элементарных ячеек, которые расположены теперь преимущественно параллельно, и в результате получается заряд на поверхности [2].

Связь между приложенной силой и результирующим ответом пьезоэлемента зависит от: пьезоэлектрических свойств пьезокерамики, размера и форм образца, направления электрического и механического возбуждения.

По своей природе пьезоэлектрические материалы являются анизотропными кристаллами. Рисунок 3 показывает различные направления и оси ориентации пьезоэлектрического материала. Оси 1, 2 и 3 являются соответственными аналогами осей X, Y, Z классической ортогональной системы координат, в то время как оси 4, 5, и 6 определяют оси вращения. Направление оси 3 является направлением поляризации [1]. Это направление устанавливается во время производства посредством высокого постоянного напряжения, которое создается между электродами.

Рисунок 3 – Направление и ориентация осей пьезоэлектрического материала

Пьезоэлемент характеризуется следующими свойствами:

а) Относительные диэлектрические постоянные

Относительная диэлектрическая постоянная является отношением диэлектрической проницаемости материала (в этом случае и ) к диэлектрической проницаемости вакуума ()

и , (1)

где = 8,85· 10-12, Ф/м

Верхний индекс показывает граничные условия действующие на материал в процессе определения значения относительной диэлектрической постоянной. В частности индекс T (в этом случае) говорит о том, что диэлектрическая постоянная измеряется на свободном (не зажатом) образце [3]. А индекс S показывает, что измерения происходят при постоянной деформации пьезокерамики (в зажатом состоянии). Первый нижний индекс показывает направление диэлектрического смещения, а второй – электрического поля [1]. Формула расчета относительной диэлектрической постоянной следующая:

, (2)

• где - диэлектрическая проницаемость (одна из двух или ), Ф/м
• t – расстояние между электродами, м,
• S – площадь электрода, м2,
• C – емкость, Ф

б) Резонансная частота

Собственная частота пластины по толщине вычисляется по следующей формуле

, (3)

где с – скорость звука в материале, м/с [2]

Нажимайте сюда для просмотра колебаний пьезоэлемента!

Частота возбуждения f=25кГцМасштаб колебаний 200000:1

Частота возбуждения f=73,6кГцМасштаб колебаний 10000:1

Частота возбуждения f=280кГцМасштаб колебаний 10000:1

Рисунок 4 - Амлитудно-частотная характеристика пьезоэлемента. Виды колебаний на разных частотах

в) Коэффициенты электромеханической связи

Коэффициенты электромеханической связи kp, k33, k15, kt и k31 описывают способность пьезоэлемента превращать энергию из электрической в механическую и наоборот. Квадрат коэффициента электромеханической связи определяется как отношение накопленной преобразованной энергии одного вида (механической или электрической) к входной энергии второго вида (электрической или механической). Индекс показывает относительные направления электрических и механических величин и вид колебаний. Они могут быть связанны с модой колебаний простого преобразователя определенной формы. kp означает взаимосвязь электрической и механической энергии в тонком круглом диске, поляризованном по толщине и колеблющемся в радиальном направлении – планарная мода (рисунок 5а). k31 относится к длинному тонкому бруску с электродами на длинной поверхности. Вид колебаний – растяжение сжатие по длине (рисунок 5б). kt связан с тонким диском или пластиной и определяет растяжения сжатия по толщине (рисунок 5в). k33 соответствует длинному тонкому бруску с электродами на его концах и поляризованному по длине. Вид колебаний – растяжения сжатия по длине (рисунок 5г). k15 описывает энергию преобразованную в сдвиговые колебания по толщине (рисунок 5д) [4].

Этот коэффициент может быть вычислен через резонансную и антирезонансную частоту по формуле.

, (4)

• где – резонансная частота, Гц,
• – антирезонансная частота, Гц [5]

Чтобы измерить эти частоты обычно используется анализатор импеданса, с помощью которого можно получить зависимость сопротивления от частоты пьезокерамики (рисунок 6).

По своей природе, резонансная частота возникает, когда система имеет очень маленькое сопротивление, в то время как антирезонанс происходит, когда система имеет очень большое сопротивление. На рисунке 6 частота которая имеет минимальное сопротивление считается резонансной (), а частота с максимальным сопротивлением – антирезонансной ().

Рисунок 5 – Виды колебаний образцов пьезокерамики разной формы

Рисунок 6 – Зависимость сопротивления от частоты у пьезокерамики [6]

г) Упругие константы

Упругие свойства пьезоэлектрических материалов характеризуются упругими податливостями () или упругими жесткостями (). Упругая податливость определяет величину деформации возникающей под воздействием приложенного механического напряжения. Ввиду того, что под воздействием механического напряжения керамика порождает электрический ответ, который противодействует результирующей деформации, эффективный модуль Юнга при коротком замыкании электродов меньше чем при холостом ходе. В дополнение, жесткость различна в разных направлениях, поэтому для точного определения величины указывается электрические и механические условия. Верхний индекс E говорит о том, что замеры происходят при постоянном электрическом поле (короткое замыкание). В то время как, индекс D указывает на граничное условие – постоянное электрическое смещение (индукция), т.е. замеры происходят при холостом ходе. Первая нижняя цифра показывает направление деформации, вторая направление механического напряжения [4].

д) Пьезоэлектрические постоянные

Пьезоэлектрический модуль d – отношение механической деформации к приложенному электрическому полю (Кл/Н) [2]

, (5)

• где – изменение толщины пластины, м,
• – приложенное напряжение, В

Полезно помнить, что большие значения dij приводят к большим механическим смещениям, что обычно добивается при проектировании ультразвуковых преобразователей. d33 применяют, когда сила направлена в направлении оси поляризации (рисунок 5г). d31 используют, когда сила прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом заряд возникает на электродах, так же как и в предыдущем случае (рисунок 5б). d15 показывает, что заряд накапливается на электродах, которые находятся под прямым углом к изначальным поляризующим электродам и что получаемые механические колебания являются сдвиговыми (рисунок 5д).

Пьезоэлектрическая константа давления gij – отношение полученного напряжения к приложенному давлению.

, (6)

• где – приложенное давление, Па,
• – полученное напряжение, В

Индекс “33” показывает, что электрическое поле и механическое напряжение направлены по оси поляризации. Индекс “31” означает, что давление прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом напряжение снимается с тех же самых электродов, что и в случае “33”. Индекс “15” подразумевает, что приложенное напряжение является сдвиговым и результирующее электрическое поле перпендикулярно к оси поляризации. Высокое значение gij ведет к большим выходным напряжениям, что является желательным для сенсоров.

е) Коэффициент Пуассона

Коэффициент Пуассона – это отношение относительного поперечного сжатия к соответствующему относительному продольному удлинению [7]

, (7)

ж) Температурные коэффициенты

Температурный коэффициент показывает изменение различных свойств материала (резонансная частота, емкость, размеры) при изменение температуры [6]

, (8)

, (9)

, (10)

з) Скорость старения

Скорость старения это показатель изменения резонансной частоты и емкости со временем. Чтобы вычислить эту скорость, после поляризации электроды преобразователя соединяются вместе, и образец нагревается определенный период времени. Производятся замеры резонансной частоты и емкости каждые 2n (1,2,4 и 8) дня. Скорость старения вычисляется по следующей формуле [1]:

, (11)

• где AR – скорость старения для резонансной частоты или емкости,
• t1, t2 – число дней после поляризации,
• , – резонансная частота или емкость через t1 и t2 дней после поляризации

и) Механическая добротность

Добротность – количественная характеристика резонансных свойств колебательных систем, указывающая во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте много ниже резонансной при одинаковой амплитуде возбуждающей силы [8]. Добротность равна отношению собственной частоты резонансной системы к ширине частотной полосы, на границах которой энергия системы при вынужденных колебаниях вдвое меньше энергии на резонансной частоте [6].

, (12)

• где – механическая добротность,
• – резонансная частота, Гц,
• – антирезонансная частота, Гц,
• – сопротивление при резонансе, Ом,
• С – емкость, Ф

Изделия, основанные на пьезоэлектрическом резонансе, требуют высокой механической добротности.

к) Температура Кюри

Температура Кюри – это температура при превышение которой пьезоэлектрический материал теряет свои свойства [2].

л) Плотность

, (13)

• где – плотность, кг/м3,
• m – масса, кг,
• V – объем, м3.

Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВО3 (напр., BaTiO3, РbТiO3) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO3 — CaTiO3, BaTiO3 — CaTiO3 — CoCO3, NaNbO3 — KNbO3). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO3 — PbZrO3 (т. н. система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой АВ2О6, напр. PbNb2O6, имеющих весьма высокую Кюри точку (~570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.

Рисунок 7 – Порошок для изготовления пьезоэлемента

Процесс изготовления пьезокерамики разделяется на несколько этапов. При осуществлении синтеза заданного сегнетоэлектрического соединения исходное сырье (окислы или соли, например, двуокись титана и окись бария) измельчается и смешивается в количествах, соответствующих стехиометрическому составу соединения, а затем подвергается термической обработке при температурах 900 – 1300 °С, в процессе которой происходит химический синтез. Используется также так называемый метод осаждения из водных растворов, при котором температура синтеза благодаря идеальному перемешиванию компонентов снижается до 750 – 1000 °С. Из порошкообразного синтезированного материала прессованием (а также литьём под давлением) получаются заготовки необходимой конфигурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу по строго определенному температурному режиму, в большой степени определяющему свойства пьезокерамики. Механическая обработка детали после обжига обеспечивает ей точно заданную форму и размеры. На деталь наносятся электроды из серебра, никеля, платины и др., причем наибольшее распространение получил метод вжигания серебра. Для поляризации керамики к электродам подводится электрическое напряжение (напряжённость поля Е составляет от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от химического состава и метода поляризации). С целью уменьшения напряженности поля Е при поляризации образец нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. Пьезокерамике свойственно т. н. старение, т. е. изменение её параметров (диэлектрической проницаемости, пьезомодулей) со временем, особенно заметное в первые несколько суток после изготовления и поляризации образцов, которое обусловлено изменением как механических напряжений на границах между зёрнами, так и величины остаточной поляризации [8].

Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах, пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.

В сенсорах, пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.

В силовых приводах, пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.

В преобразователях, пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики [1].

Библиографический список

• Ranier Clement Tjiptoprodjo. On a Finite Element Approach to Modeling of Piezoelectric Element Driven Compliant Mechanisms.- Saskatchewan, Canada.: University of Saskatchewan Saskatoon, April 2005
• Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
• David H. Johnson. Simulation of an ultrasonic piezoelectric transducer for NASA/JPL Mars rover.- PA, USA.: Cybersonic, Inc. of Erie, 2003.
• www.piezo.com
• ОСТ 11 0444-87 «Материалы пьезокерамические»
• Tokin. Multilayer Piezoelectic Actuators. User’s Manual, Tokin Corporate Publisher.: 1996.
• Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.I. Механика.- Москва.:1979.
• Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
• Jan Tichy, Jiry Erhart, Erwin Kittinger, Jana Privratska. Fundamentals of Piezoelectric Sensorics.- Heidelberg, Dordrecht, London, New York.: Springer, 2010

engineering-solutions.ru

Пьезоэлектрический генератор - Справочник химика 21

    В качестве источника ультразвуков для этих определений использовался пьезоэлектрический генератор. Крекинг проводился при комнатной температуре (28°). Растворы каучука готовились из латекса. [c.235]

    Макет пьезоэлектрического генератора А. С. Шейна сегодня может кохму-нибудь напомнить опыт с наэлектризованным гребешком, притягивающим обрывки бумаги подобные опыты были в моде около 200 лет назад. Но здесь уместно вспомнить замечательное высказывание Дж. Гарднера инженер переоценивает то, что способен совершить за год, и крайне недооценивает то, чего он добьется за ближайшее десятилетие . С помощью простого по своему устройству пьезоэлектрического преобразователя можно непосредственно без каких-либо промежуточных звеньев превратить удар волны в электрическую энергию. Пока эта энергия очень мала, но перспективы очевидны. Преобразователи этого типа вполне соответствуют первой группе приведенной классификации. [c.41]

    В последние годы значительный прогресс достигнут в области изготовления ультразвуковых расходомеров, действие которых основано на законах распространения звука в жидкости. Ультразвуковые сигналы обычно формируются пьезоэлектрическим генератором, который преобразует входной электрический сигнал в последовательность звуковых импульсов. [c.194]

    Наряду с пьезоэлектрическими генераторами в акустической практике нашли себе применение магнитострикционные генераторы. [c.42]

    Энергия колебательного движения, как известно, пропорциональна произведению амплитуды колебаний I на их частоту /. По закону сохранения энергии If = onst. Это означает, что частота колебаний обратно пропорциональна их масштабу. В упругой среде обычно развиваются пульсации различных масштабов, причем крупномасштабные переходят в мелкомасштабные. Чем больше масштаб колебаний, тем меньше их частота. Поэтому крупномасштабные колебания являются низкочастотными, а мелкомасштабные— высокочастотными. Чем меньше масштаб колебаний, тем большую турбулизацию потока вызывают они в устье капилляров. За счет этого интенсифицируются как внешняя, так и внутренняя диффузия. Колебания, масштаб которых такого же порядка, как размер капилляров, могут проникать внутрь этих капилляров. Наименьший масштаб колебаний /о при подводе к среде энергии извне можно оценить, пользуясь формулой Эйнштейна (П. 53). При вязкости жидкости, близкой к вязкости воды (v i м2/с), и подводе к 1 кг жидкости энергии в количестве е = 1 Вт/кг величина 1о = 3-10 м. Наименьший масштаб имеют ультразвуковые колебания, т. е. механические колебания с частотой более 3-10 Гц. Для создания таких колебаний применяют магнито-стрикциоипые и пьезоэлектрические генераторы, основанные па изменении размеров кристаллических тел в магнитном и электри- [c.500]

    Для сварки различных изделий большое распространение получают установки с применением ультразвука. Принцип действия таких установок основан на преобразовании электрической энергии в механические колебания ультразвуковой частоты и передаче их свариваемым деталям. Для создания ультразвуковых колебаний (порядка от 18 до 90 кГц и выше) используют или магни-тострикционные или пьезоэлектрические генераторы. Амплитуда колебаний составляет обычно 3—5 мкм. Мощность генераторов типа УЗГ-П1-22 и других составляет 0,1—2,5 кВт. Установки снабжают ограждениями, а также устройствами, препятствующими проникновению посторонних в опасную зону в момент сварки. [c.163]

    В естественных и синтетических двойниковых кристаллах кварца обычно нет правильной плоскости срастания. Два индивидуальных кристалла прорастают друг друга по извилистым иррациональным плоскостям и направлениям. Границы двойников можно выявить путем травления. Сдвойникованные кварцевые кристаллы не пригодны для изготовления пьезоэлектрических генераторов, однако подавляющее большинство естественных крис- [c.373]

    Это — макет пьезоэлектрического генератора, прш цип действия которого основан на прямом пьезоэлек рическом эффекте. С его помощью механическая эне] ГИЯ, развиваемая рукой, непосредственно превращаете [c.36]

chem21.info

Пьезоэлектрический генератор электрической мощности (ФОТО)

Ажиoтaж в миpe в oтнoшeнии coздaния пьeзoэлeктpичecких иcтoчникoв энepгии дo нeдaвнeгo вpeмeни нe oтличaлcя выcoким уpoвнeм изoбpeтaтeльcких пpeдлoжeний.

Нaпpимep, учёныe Изpaиля пpeдлaгaют мoнтиpoвaть пьeзoэлeмeнты в дopoжнoм пoлoтнe и иcпoльзoвaть энepгию пpoeзжaющих мaшин. В Япoнии пoл oднoгo из зaлoв мeтpo пoкpыт пьeзoэлeмeнтaми. Нoвocть пepeдaeт Utramir.net

Эти и пoдoбныe им пpoeкты гeнepaтopoв нaпpяжeния нe выдepживaют никaкoй кpитики c экoнoмичecкoй тoчки зpeния. Пpичинa в cлeдующeм.

Зa oдин щeлчoк элeктpoзaжигaлки, кoтopый длитcя пpимepнo 0,1 нaнoceкунды, выдeляeтcя мoщнocть бoлee 2 мeгaвaтт. Тo ecть мoщнocть зa ceкунду paвнa 0,2 вaттa. Еcли бы мoжнo былo cдeлaть 1000 щeлчкoв в ceкунду, тo пoлучили бы мoщнocть 200 вaтт. Мoщнocть бoльшaя, нo кaк cдeлaть 1000 щeлчкoв в ceкунду. Этo нeвoзмoжнo, нo вoт пpижaть пьeзoэлeмeнт к глaдкoму вpaщaющeмуcя кoлecу 20 и бoлee тыcяч paз мoжнo, вoзбуждaя в нём ультpaзвукoвыe кoлeбaния.

Тpидцaть вaтт oтбиpaeмoй oт пьeзoэлeмeнтa мoщнocти (вaтт нa гpaмм пьeзoэлeмeнтa) в нeпpepывнoм peжимe пpи нaпpяжeнии 300В былo дocтaтoчнo, чтoбы питaть люминecцeнтную лaмпу. Для этoгo энepгия вpaщaющeгocя кoлeca пpeoбpaзoвывaeтcя в изгибныe ультpaзвукoвыe кoлeбaния кaмepтoнa выпoлнeннoгo нa oднoм из кoнцoв пaкeтa Лaнжeвeнa, и зaтeм, зa cчёт пьeзoэффeктa, в элeктpичecкиe кoлeбaния выcoкoй чacтoты.

Тo ecть, c пoмoщью пьeзoэлeмeнтoв мoжнo coздaвaть нe тoлькo элeктpичecкиe гeнepaтopы нaпpяжeния, нo и гeнepaтopы мoщнocти.

Идeя иcпoльзoвaть пьeзoэлeктpичecкий мoтop в кaчecтвe гeнepaтopa мoщнocти дoлгo oбхoдилacь бeз дoлжнoгo внимaния. Пpичинa в тoм, чтo, coглacнo этoй идee, oдин тип кoлeбaний пpинудитeльнo дoлжeн вoзбуждaтьcя в oднoй из чacтeй пьeзoэлeмeнтa. Эту чacть нaзoвём вoзбудитeлeм. Для этoгo, пoмимo мeхaничecкoгo вoздeйcтвия, иcпoльзуeтcя oтдeльный иcтoчник питaния. Втopoй тип кoлeбaний дoлжeн гeнepиpoвaтьcя в дpугoй чacти пьeзoэлeмeнтa, зa cчёт пpинудитeльнoгo вpaщeния poтopa. Эту чacть пьeзoэлeмeнтa нaзoвём гeнepaтopoм.

Иcпытaния oпытных oбpaзцoв пoдтвepдили вoзмoжнocть пoлучeния энepгии в гeнepaтope. Нo мoщнocть гeнepaтopa дoлжнa быть в нecкoлькo paз бoльшe мoщнocти oтбиpaeмoй oт иcтoчникa питaния вoзбудитeля. Инaчe в тaкoм гeнepaтope нeт cмыcлa. Вoт кaк paз этo дoлгo и нe пoлучaлocь.

Лишь тoлькo oтнocитeльнo нeдaвнo Вячecлaв Лaвpинeнкo, изoбpeтaтeль пьeзoэлeктpичecкoгo мoтopa, пeнcиoнep, paбoтaя у ceбя дoмa пocлe тщaтeльнoй пoдбopки мaтepиaлoв пьeзoэлeмeнтa и кoнтaктных пap cмoг пoлучить пoлeзную мoщнocть нa нaгpузкe в нecкoлькo paз бoльшe, мoщнocти, oтбиpaeмoй oт иcтoчникa питaния. Пoявилacь вoзмoжнocть чacть мoщнocти гeнepaтopa нaпpaвить в вoзбудитeль и убpaть дoпoлнитeльный иcтoчник питaния. Эту зaдaчу oн peшaл двумя cпocoбaми.

Пo пepвoму cпocoбу измepял aмплитуду и фaзу нa вхoдe вoзбудитeля и c пoмoщь peaктивных элeмeнтoв пoдгoняли пoд тaкую жe aмплитуду и фaзу нaпpяжeниe нa выхoдe гeнepaтopa. Тo ecть, кaк и в oбычных элeктpичecких гeнepaтopaх выпoлнялиcь уcлoвия бaлaнca aмплитуды и фaзы. Кoгдa эти уcлoвия были выпoлнeны, выхoд зaмыкaлcя c вхoдoм.

Пo втopoму cпocoбу нaпpяжeниe c гeнepaтopa пpeoбpaзoвывaлocь в пocтoяннoe нaпpяжeниe, кoтopым питaлcя уcилитeль мoщнocти и мaлoмoщный гeнepaтop пepeмeннoгo нaпpяжeния. Пo мepe тoгo, кaк удaлocь уcтoйчивo пoлучaть пoлeзную мoщнocть в пpeдeлaх 0,2 Вaттa нa гpaмм пьeзoэлeмeнтa, Лaвpинeнкo oбнapуживaeт интepecный эффeкт, coизмepимый в физикe c oткpытиeм, кoтopый oн cфopмулиpoвaл тaк:

В двух, coвмeщённых в oднoм тeлe, peзoнaтopaх взaимнo пepпeндикуляpных aкуcтичecких кoлeбaний, c чacтoтaми peзoнaнca cмeщёнными дpуг oтнocитeльнo дpугa для coздaния cдвигa фaз мeжду кoлeбaниями пpи их вoзбуждeнии cпoнтaннo гeнepиpуютcя взaимнo пoпepeчныe кoлeбaния нa чacтoтe мeжду упoмянутыми peзoнaнcными чacтoтaми пpи фpикциoннoм взaимoдeйcтвии тeлa c дpугим тeлoм, нaпpимep, c вpaщaющимcя кoлecoм.

Тo ecть, пpи фpикциoннoм взaимoдeйcтвии упoмянутых тeл cущecтвуeт пoлoжитeльнaя oбpaтнaя cвязь. Пoявлeниe cлучaйных кoлeбaний oбpaзуют эллипc, paзмepы кoтopoгo увeличивaютcя пpи вpaщeнии кoлeca. Пoдoбным oбpaзoм в элeктpичecкoм уcилитeлe нaпpяжeния, oхвaчeннoй пoлoжитeльнoй oбpaтнoй cвязью cпoнтaннo вoзбуждaютcя элeктpичecкиe кoлeбaния, и энepгия иcтoчникa пocтoяннoгo нaпpяжeния пpeoбpaзуeтcя в пepeмeннoe нaпpяжeниe. Зaвиcимocть этoгo нaпpяжeния oт cкopocти вpaщeния имeeт вид

Обнapужeнный эффeкт знaчитeльнo упpoщaeт идeю coздaния пьeзoэлeктpичecких гeнepaтopoв мoщнocти, пpичeм мoщнocть в 5 вaтт нa гpaмм пьeзoэлeмeнтa cтaнoвитcя впoлнe peaльнoй. Будут ли oни имeть пpeимущecтвa пepeд элeктpoмaгнитными гeнepaтopaми мoжнo будeт cкaзaть тoлькo co вpeмeнeм, пo мepe их изучeния, хoтя o нeкoтopых из них мoжнo гoвopить ужe ceйчac.

Отcутcтвиe мeди и oбмoтoк – этo нaдёжнocть в уcлoвиях пoвышeннoй влaжнocти. Отcутcтвиe тяжёлых мeтaллoв (мeди и cплaвoв жeлeзa) – этo выcoкиe удeльныe пapaмeтpы. Пoлучaeмый нa выхoдe выcoкoчacтoтный cигнaл, лeгкo тpaнcфopмиpуeтcя пoд любую нaгpузку. А глaвнoe пpeимущecтвo, чтo для любых чacтoт вpaщeния кoлeca нe тpeбуeтcя peдуктop. Дocтaтoчнo лишь пpaвильнo paccчитaть диaмeтp кoлeca.

Пpи нeвoзмoжнocти пpимeнeния coлнeчных бaтapeй, пьeзoэлeктpичecкиe гeнepaтopы мoщнocти, иcпoльзуя энepгию, муcкул или вeтpa, мoгут их зaмeнить, нaпpимep, для зapядки aккумулятopoв нoутбукoв, плaншeтoв и пp. Хoтя aктуaльнocть нaпpaвлeния oчeвиднa, для eгo paзвития тpeбуeтcя дocтaтoчнaя финaнcoвaя пoддepжкa, кoтopoй, кaк и у мнoгих пpoeктoв нaших cтpaн, пoкa нeт.

nk.org.ua

пьезоэлектрический генератор - патент РФ 2446551

Изобретение относится к электрическим генераторам, преобразующим энергию внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля в электрическую энергию, и может быть применен в производстве альтернативных энергетических установок длительного пользования. Пьезоэлектрический генератор содержит диэлектрическую подложку, наноразмерные столбики из пьезоэлектрика-полупроводника, перпендикулярные подложке и наноразмерные токосъемные проволочные электроды, проложенные между рядами вертикальных наноразмерных столбиков и контактирующие с ними в зонах их оснований. Наноразмерные столбики жестко вмонтированы в диэлектрическую подложку, а наноразмерные токосъемные проволочные электроды проложены на подложке с обеих сторон столбиков, причем между каждыми двумя электродами, проложенными между соседними рядами столбиков, имеется зазор, а сами электроды заключены в слой упругопластичного изолятора, высота которого соответствует диаметру электродов. В пьезоэлектрический генератор введены постоянные наноразмерные магнитные элементы, жестко связанные с вершинами наноразмерных столбиков или заселенные в вершины наноразмерных столбиков или погруженные в каплевидные наноразмерные элементы, или в каждый постоянный наноразмерный магнитный элемент. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей пьезоэлектрического генератора. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2446551

Изобретение относится к электрическим генераторам, преобразующим энергию внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля в электрическую энергию, и может быть применено в производстве источников электрического тока для питания различных микро- или наноустройств, а также в производстве альтернативных энергетических установок длительного пользования.

Известен пьезоэлектрический генератор - пьезоэлектрический преобразователь [1], содержащий изготовленные из пьезоэлектрика отдельные или объединенные в группы, электрически и механические связанные друг с другом пьезоэлементы (стержни, пластинки, диски), на поверхности которых нанесены электроды.

Такой пьезоэлектрический генератор способен вырабатывать электрический ток только при механическом воздействии на его пьезоэлементы. Недостатками указанного пьезоэлектрического генератора являются малая удельная электропроизводительность на единицу объема и неспособность производить электрический ток под действием внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля.

Известен пьезоэлектрический генератор - прототип [2], содержащий диэлектрическую подложку, поверхность которой последовательно покрыта катализирующими наночастицами, а также пленкой и вертикальными наноразмерными столбиками из пьезоэлектрика-полупроводника, перпендикулярными подложке, при этом между рядами наноразмерных столбиков в зонах их оснований на поверхности пленки проложены наноразмерные токосъемные проволочные электроды, контактирующие со столбиками.

Такой пьезоэлектрический генератор обладает более высокой электропроизводительностью на единицу объема, способен вырабатывать электрический ток под действием текущей жидкой или газовой среды, однако он также не способен производить электрический ток под действием внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля.

Задачей изобретения является обеспечение выработки пьезоэлектрическим генератором электроэнергии при воздействии на него внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей пьезоэлектрического генератора.

Технический результат достигается тем, что в известном пьезоэлектрическом генераторе, содержащем диэлектрическую подложку, наноразмерные столбики из пьезоэлектрика-полупроводника, перпендикулярные подложке и наноразмерные токосъемные проволочные электроды, проложенные между рядами вертикальных наноразмерных столбиков и контактирующие с ними в зонах их оснований, в отличие от прототипа наноразмерные столбики жестко вмонтированы в диэлектрическую подложку, а наноразмерные токосъемные проволочные электроды проложены на подложке с обеих сторон столбиков, причем между каждыми двумя электродами, проложенными между соседними рядами столбиков, имеется зазор, а сами электроды заключены в слой упругопластичного изолятора, высота которого соответствует диаметру электродов, при этом в пьезоэлектрический генератор введены постоянные наноразмерные магнитные элементы, жестко связанные с вершинами наноразмерных столбиков, причем магнитные оси всех постоянных магнитных элементов перпендикулярны электродам, параллельны друг другу и поверхности подложки, а полюса всех магнитных элементов одинаково ориентированы. Кроме того, в вершину каждого наноразмерного столбика заселен один или более постоянных наноразмерных магнитных элементов. Кроме того, один или более постоянных наноразмерных магнитных элементов погружены в каплевидные наноразмерные элементы, при этом в каждый каплевидный наноразмерный элемент заключено по одной или более вершин соседних в любом направлении наноразмерных столбиков. Кроме того, в каждый постоянный наноразмерный магнитный элемент заключено по одной или более вершин соседних в любом направлении наноразмерных столбиков.

В таком пьезоэлектрическом генераторе под воздействием внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля наноразмерные постоянные магнитные элементы совершают возвратно-поступательные движения, которые передаются наноразмерным столбикам, заставляя их раскачиваться. При качании наноразмерных столбиков за счет возникновения пьезоэффекта на их поверхностях, перпендикулярных плоскости качания, создается разность потенциалов, которая передается наноразмерным токосъемным проволочным электродам. При замыкании наноразмерных токосъемных проволочных электродов на нагрузку, в них начинает течь электрический ток. Таким образом, пьезоэлектрический генератор вырабатывает электроэнергию при воздействии внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля.

Совокупность всех указанных существенных признаков пьезоэлектрического генератора позволяет ему вырабатывать электрическую энергию при воздействии внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля.

Так как заявленная совокупность существенных признаков позволяет решить поставленную задачу, то заявленный пьезоэлектрический генератор соответствует критерию "изобретательский уровень".

Заявленный пьезоэлектрический генератор иллюстрируется конструкционной схемой, изображающей пьезоэлектрический генератор в разрезе.

Пьезоэлектрический генератор содержит диэлектрическую подложку 1, вертикальные наноразмерные столбики из пьезоэлектрика-полупроводника 2, перпендикулярные подложке 1, а также наноразмерные токосъемные проволочные электроды 3, проложенные между рядами вертикальных наноразмерных столбиков 2 и контактирующие с ними в зонах их оснований. Вертикальные наноразмерные столбики 2, выполненные, например, из оксида цинка (пьезоэлектрик и полупроводник), своими основаниями жестко вмонтированы в диэлектрическую подложку 1 так, что оси столбиков 2 перпендикулярны подложке 1. Подложка 1 может быть выполнена из какого-либо жесткого диэлектрического полимеризующегося пластика.

Раздельное заключение оснований вертикальных наноразмерных столбиков 2 в подложку 1 необходимо для устранения паразитных электрических связей между ними в процессе работы пьезоэлектрического генератора и, как следствие, повышения выработки электрического тока. Наноразмерные токосъемные проволочные электроды 3 (выполненные, например, из золота) проложены на подложке 1 с обеих сторон вертикальных наноразмерных столбиков 2, причем между каждыми двумя наноразмерными токосъемными проволочными электродами 3, проложенными между соседними рядами столбиков 2, имеется зазор 6, а сами электроды заключены в слой упругопластичного изолятора, высота которого соответствует диаметру электродов 3. Наноразмерные токосъемные проволочные электроды могут быть изготовлены, например, по технологии, изложенной в [3]. Постоянные наноразмерные магнитные элементы 5 жестко связаны с вершинами наноразмерных столбиков 2 (например, приклеяны к ним), причем магнитные оси всех постоянных наноразмерных магнитных элементов 5 перпендикулярны наноразмерными токосъемным проволочным электродам 3, параллельны друг другу и поверхности подложки 1, а полюса всех постоянных наноразмерных магнитных элементов 5 одинаково ориентированы. Кроме того, в вершину каждого наноразмерного столбика 2 заселен один или более постоянных наноразмерных магнитных элементов 5. Кроме того, один или более постоянных наноразмерных магнитных элементов 5 погружены в каплевидные наноразмерные элементы 7, выполненные, например, из отвердевающего после полимеризации пластика (какого-либо полимеризующегося клея), при этом в каждый каплевидный наноразмерный элемент 7 заключено по одной или более вершин соседних в любом направлении наноразмерных столбиков 2. Кроме того, в каждый постоянный наноразмерный магнитный элемент 5 заключено по одной или более вершин соседних в любом направлении наноразмерных столбиков 2.

Требования по одинаковой ориентации полюсов всех постоянных наноразмерных магнитных элементов 5, по перпендикулярности магнитных осей всех постоянных наноразмерных магнитных элементов 5 наноразмерным токосъемным проволочным электродам 3, а также по параллельности магнитных осей всех постоянных наноразмерных магнитных элементов 5 друг другу и поверхности подложки 1, необходимы для обеспечения максимальной амплитуды и синхронности качания наноразмерных столбиков 2 и выработки за счет этого максимального электрического тока.

Заключение токосъемных проволочных электродов 3, проложенных между соседними рядами столбиков 2, в слой упругопластичного изолятора 4, высота которого соответствует диаметру электродов 3, выполненного из, например, полимеризующегося диэлектрического пластика, необходимо для обеспечения гарантированного зазора 6 между ними, обеспечения постоянного прижимного контакта между столбиками 2 и электродами 3, а также для фиксации электродов 3 в зоне подложки 1 при качании столбиков 2 в процессе работы.

Наноразмерные постоянные магнитные элементы 5 могут быть выращены, например, с помощью бактерий, поглощающих железо и редкоземельные металлы (самарий, кобальт, никель и другие), а потом заселены в вершины наноразмерных столбиков 2 в процессе выращивания последних или погружены в каплевидные наноразмерные элементы 7 в процессе сборки. Кроме этого наноразмерные постоянные магнитные элементы 5 могут быть выращены в состоянии погружения в них вершин постоянных наноразмерных магнитных элементов 5. Намагничивание всех постоянных наноразмерных магнитных элементов 5 может быть осуществлено в полностью собранном пьезоэлектрическом генераторе путем, например, выдержки его в постоянном магнитном поле.

Работа пьезоэлектрического генератора осуществляется следующим образом. При воздействии внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля на пьезоэлектрический генератор его наноразмерные постоянные магнитные элементы 5, жестко соединенные с вершинами наноразмерных столбиков 2 (или заселенные в вершины наноразмерных столбиков 2 или погруженные в каплевидные элементы 7), совершают колебательные движения, которые в виде моментов, приложенных к вершинам наноразмерных столбиков 2, передаются им, в результате чего наноразмерные столбики 2 начинают качаться или изгибаться в плоскостях, перпендикулярных подложке 1. При качании или изгибании наноразмерных столбиков 2 за счет возникновения пьезоэффекта на их поверхностях, контактирующих с токосъемными проволочными электродами 3, создается разность потенциалов, которая и передается токосъемным проволочным электродам 3. При замыкании наноразмерных токосъемных проволочных электродов 3 на нагрузку в них начинает протекать электрический ток.

Наибольший эффект выработки электроэнергии в таком пьезоэлектрическом генераторе достигается тогда, когда оси постоянных магнитных элементов совпадают с направлением изменения внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля, а собственная частота колебательной системы «постоянный наноразмерный магнитный элемент - наноразмерный столбик» (или «постоянные наноразмерные магнитные элементы - наноразмерный столбик» или «постоянный наноразмерный магнитный элемент - наноразмерный каплевидный элемент - наноразмерный столбик» или «постоянные наноразмерные магнитные элементы - наноразмерный каплевидный элемент - наноразмерные столбики» или «постоянный наноразмерный магнитный элемент - наноразмерные столбики») совпадает с частотой какой-либо из гармоник внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля, т.е. когда возникает явление резонанса.

Поскольку собственная частота указанных выше колебательных систем зависит от большого количества факторов, таких как размеры, конфигурация, материал и степень намагниченности постоянных наноразмерных магнитных элементов, размер, конфигурация и материал наноразмерных столбиков, частота колебаний внешнего магнитного (электромагнитного) поля и т.д., выбор основных параметров элементов такого пьезоэлектрического генератора является предметом оптимизации под конкретное техническое задание.

Таким образом, заявленный пьезоэлектрический генератор, способный вырабатывать электроэнергию при воздействии на него внешнего переменного магнитного (электромагнитного) поля, может быть применен в качестве источника питания для разнообразных микро- и наноустройств, а также для создания портативных источников, постоянно генерирующих электрическую энергию за счет энергии колебаний внешнего магнитного поля (в том числе колебаний магнитного поля Земли) или энергии фонового электромагнитного излучения.

Литература

1. Пьезоэлектрические преобразователи. Физическая энциклопедия. / Гл. ред. А.М.Прохоров. Ред. кол. Д.И.Алексеев, А.М.Балдин, А.М.Бонч-Бруевич, А.С.Боровик-Романов и др. М., Большая Российская энциклопедия, т.4 Пойтинга-Робертсона - Стримеры. 1994. Стр.191.

2. X.D.Wang, J.H.Song, J.Liu and Z.L.Wang, J.H.Song "Direct-Current Nanogenerator Driven by Ultrasonic Waves," Science, 316, (2007), 102-105. - Прототип.

3. Тянем-потянем. Изобретатель и рационализатор № 8, 2007 г., стр.6-7.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Пьезоэлектрический генератор, содержащий диэлектрическую подложку, наноразмерные столбики из пьезоэлектрика-полупроводника, перпендикулярные подложке и наноразмерные токосъемные проволочные электроды, проложенные между рядами вертикальных наноразмерных столбиков и контактирующие с ними в зонах их оснований, отличающийся тем, что наноразмерные столбики своими основаниями жестко вмонтированы в диэлектрическую подложку, а наноразмерные токосъемные проволочные электроды проложены на подложке с обеих сторон столбиков, причем между каждыми двумя электродами, проложенными между соседними рядами столбиков, имеется зазор, а сами электроды заключены в слой упругопластичного изолятора, высота которого соответствует диаметру электродов, при этом в пьезоэлектрический генератор введены постоянные наноразмерные магнитные элементы, жестко связанные с вершинами наноразмерных столбиков, причем магнитные оси всех постоянных магнитных элементов перпендикулярны электродам, параллельны друг другу и поверхности подложки, а полюса всех магнитных элементов одинаково ориентированы.

2. Пьезоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что в вершину каждого наноразмерного столбика заселен один или более постоянных наноразмерных магнитных элементов.

3. Пьезоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что один или более постоянных наноразмерных магнитных элементов погружены в каплевидные наноразмерные элементы, при этом в каждый каплевидный наноразмерный элемент заключено по одной или более вершин соседних в любом направлении наноразмерных столбиков.

4. Пьезоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что в каждый постоянный наноразмерный магнитный элемент заключено по одной или более вершин соседних в любом направлении наноразмерных столбиков.

www.freepatent.ru

пьезоэлектрический генератор постоянного тока на основе эффекта казимира - патент РФ 2499350

Изобретение относится к электротехнике, к преобразователям энергии, работающим на основе применения пьезокерамических материалов. Технический результат состоит в обеспечении непрерывной выработки электрической энергии. В заявленном пьезоэлектрическом генераторе деформация пьезоэлектрических элементов возникает вследствие эффекта Казимира при модуляции расстояния между металлическими пластинами, закрепленными на роторе и пьезоэлементах статора. Генератор является открытой системой, в которой возможно извлечение полезной электроэнергии. Конструкция генератора отличается простотой и может быть выполнена на основе стандартных коммерческих деталей и компонентов. 5 ил.

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 с диском или барабаном, который приводится во вращательное движение, и статор, на котором закреплены пьезоэлементы. При вращении ротора с помощью металлических пластин закрепленных на диске или барабане и пьезоэлементах осуществляется периодическая деформация последних за счет эффекта Казимира. Вследствие прямого пьезоэффекта на электродах пьезоэлеменов генерируется переменное напряжение, которое затем может быть преобразовано в постоянное.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

Изобретение может быть использовано в качестве маломощного источника постоянного тока в устройствах с любым приводом, обеспечивающим вращение ротора, и найти применение в быту и промышленности.

В настоящее время в мире существует множество предложений, патентов и действующих моделей устройств, преобразующих энергию разнообразных механических деформаций, сопутствующих работе машин, механизмов или движений человека в электрическую посредством пьезоэлементов (например, Mitcheson, P.D., Yeatman, E.M., Rao, G.K., Holmes, A.S., Green, T.C., "Energy Harvesting From Human and Machine Motion for Wireless Electronic Devices", Proccedings of the IEEE, On page(s): 1457-1486, Volume: 96 Issue: 9, Sept. 2008, патенты США US 6767161 B1, US 4739179 A). Все системы подобного типа являются открытыми, поскольку источники механических деформаций являются внешними по отношению к пьезоэлементам и связанным с ними электротехническими схемами. Поэтому в таких устройствах в принципе возможна генерация полезной электроэнергии, превышающей затраты энергии необходимой для обеспечения работы самого устройства.

Общим недостатком всех подобных устройств является потребность в более-менее постоянном источнике сопутствующих механических деформаций для обеспечения постоянства напряжения или тока на выходе пьезоэлементов. Это требование выполнить довольно сложно ввиду нерегулярности, присущей многим подобным источникам деформации. Примером могут служить деформации дорожного полотна, вызываемые движением человека или транспорта. В этом случае для обеспечения постоянства электрических характеристик на выходе пьезоэлементов нужно покрывать ими значительные площади, что связано с большими затратами и сложностью эксплуатации. К тому же такой подход не решает проблему, например в ночное время. В ряде коммерческих устройств, преобразующих сопутствующие механические деформации в электроэнергию посредством пьезоэффекта, последняя используется для зарядки конденсатора большой емкости (например, продукция «Linear Technology»: www.linear.com/products/energyjharvesting). Разряжаясь, конденсатор обеспечивает на выходе почти постоянный ток, даже если деформации на входе системы кратковременно отсутствуют. Однако именно из-за желания поддерживать постоянство тока, его величина, а значит, и выходная мощность подобных преобразователей оказывается очень малой и пригодной для питания весьма ограниченного круга устройств.

Другой класс устройств, преобразующих механическую энергию в электрическую, включает в себя сам источник деформаций пьезоэлементов. Например, устройство согласно патенту RU 2113757, в котором деформация биморфного пьезоэлемента осуществляется при качении роликов по его поверхности. Такие устройства обеспечивают постоянство электрических параметров на выходе.

Недостаток этого класса устройств состоит в том, что они являются системами замкнутого типа. А значит, в них возможно лишь преобразование энергии из одного вида в другой. Коэффициент такого преобразования энергии всегда меньше единицы.

Все перечисленные недостатки отсутствуют в заявленном устройстве пьезоэлектрического генератора постоянного тока на основе эффекта Казимира, в котором периодические деформации пьезоэлементов вызываются механической силой (притяжения) возникающей между металлическими пластинами на поверхности стационарных пьезоэлементов и вращающегося диска или барабана при их перекрытии. Величина этой силы обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между пластинами и пропорциональна их площади. Эксперименты последних лет подтверждают эту зависимость с точностью 10-15%.

Источником механической силы является поляризация вакуума квантовых полей вследствие изменения спектра вакуумных колебаний при изменении расстояния между пластинами. Это и есть эффект Казимира.

Уникальной особенностью эффекта Казимира является отсутствие составляющей силы, направленной параллельно поверхности притягивающихся пластин, т.е., сила Казимира не тормозит вращение диска или барабана и, значит, не требуется дополнительная мощность на ее преодоление.

Эти обстоятельства весьма существенны для обеспечения генерации полезной электроэнергии, поскольку при постоянстве мощности, необходимой для вращения диска или барабана, генерируемое пьезоэлементами напряжение зависит только от их пьезоэлектрических характеристик, площади и расстояния между металлическими пластинами. Т.е., выходные электрические параметры устройства связаны с его геометрическими параметрами, но не с потребляемой мощностью.

Предлагаемое устройство является открытой системой, в которой возможно извлечение энергии, поскольку физический вакуум, как наинизшее состояние квантовых полей, присутствует везде и всегда, являясь неограниченным источником деформаций указанного типа. Таким образом, устройство обеспечивает непрерывную выработку электроэнергии, а его эффективность определяется соотношением между потребляемой мощностью, параметрами пьезоэлементов, расстоянием между металлическими пластинами и их размерами. Источником механических деформаций пьезоэлементов является эффект Казимира.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

На фиг.1 - общая компоновка генератора. Подшипниковые узлы, муфта и откачиваемый объем показаны условно. Выводы электродов пьезоэлементов на чертеже не показаны.

На фиг.2 - пример расположения металлических слоев (пластин) размером 10×10 мм2 на диске.

На фиг.3 - общая схема выстраивания поверхностей пьезоэлементов в одной плоскости.

На фиг.4 - вариант генератора с узлом барабанного типа.

На фиг.5 - параметры некоторых видов промышленных пьезоэлектрических материалов с наибольшей чувствительностью и соответствующие значения напряжения, которое можно получить на их электродах.

Заметим, что чертежи и схемы не охватывают все возможные технические решения данного устройства, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая.

Устройство на фиг.1 представляет собой диск 3, жестко посаженный на ведущий вал 1, концы которого фиксированы в подшипниковых узлах 2 статора. Статор 9 состоит из двух пластин с пьезоэлементами 4 на внутренних поверхностях, обращенных к диску. Диск должен иметь высокую чистоту поверхности и однородность по толщине. Можно использовать диски, аналогичные тем, что применяются для производства жестких дисков компьютеров. Такие диски выполняются на стеклянной или керамической основе и отличаются очень высокой чистотой поверхности, отсутствием волнистости, постоянством толщины и сбалансированностью. На обе стороны диска наносится симметричный «рисунок» из металлических слоев (пластин) 7 толщиной 2-3 мкм (фиг.2), поверхность которых также должна иметь высокую чистоту. Крайне незначительная масса и симметричное расположение слоев не влияют на инерционные и динамические характеристики диска. Аналогичное металлическое покрытие 6 наносится на поверхности пьезоэлементов статора, обращенные к диску. Их роль могут выполнять и штатные электроды пьезоэлементов после необходимой обработки, или подложки 5, жестко прикрепленные к поверхности пьезоэлементов.

В процессе работы металлические слои на поверхности пьезоэлементов и диска должны находиться на расстоянии не более 0.5 мкм, но не касаться друг друга. Столь малый зазор можно обеспечить при сборке устройства за счет теплового расширения ведущего вала и материалов, находящихся между диском и статором. Статор и диск жестко фиксируются на валу в положении полного прилегания поверхностей при пониженной (или повышенной) температуре. Затем вся сборка доводится до нормальной температуры, помещается в герметичный термоизолированный объем и откачивается. За счет теплового удлинения (сокращения) вала и других материалов между диском и статором появляется необходимые зазоры. Величину их можно контролировать подбором материала отдельных деталей устройства, их продольными (вдоль оси вала) размерами, а также температурой, при которой производится сборка. Направляющие стержни 8, выполняемые из той же партии материала, что и вал, также жестко фиксируются в статоре при холодной или теплой сборке с целью сохранения постоянства зазора по всему радиусу диска.

Тип подшипников и способ их крепления определяются необходимостью работы в вакууме и компенсацией осевых смещений вала за счет осевой игры подшипников и перекоса их внутреннего и внешнего колец.

Один конец вала соединяется через муфту 13 со шпинделем электромотора 14 или другого устройства, обеспечивающего вращение. Тип муфты должен допускать ее эксплуатацию в вакууме, обеспечивать высокий КПД передачи вращательного момента валу устройства, а также нормальную работу устройства при возможных перекосах или несоосности вала и шпинделя.

Диск, вал и статор образуют единый жесткий узел с целью обеспечения постоянства зазора между металлическими пластинами, т.е., предотвращения перекоса и осевых перемещений вала внутри узла. Поэтому, узел не имеют жесткой продольной связи с корпусом устройства. Направляющие стержни имеют скользящую посадку в крепежной пластине 12 и позволяют всему узлу перемещаться как целое, например при осевых смещениях вала электромотора.

На фиг.1 также условно изображен ряд крепежных элементов, необходимых для функционирования устройства: 10 - термоизолирующая вставка, 11 - упругая прокладка или пружина, 15 - герметичный корпус, 16 - крепеж электромотора, 17 - втулка.

Коммерческие пьезоэлементы имеют разброс по толщине, превышающий необходимую точность, для обеспечения одинакового зазора между диском и поверхностью всех пьезоэлементов. Выравнивание общей рабочей плоскости пьезоэлементов можно провести, например, за счет толщины клеевого слоя между каждым пьезоэлементом и пластинами статора 9. Согласно рекомендациям производителей пьезокерамики, толщина клеевого слоя может достигать 50 мкм. Этого более чем достаточно для выравнивания рабочих торцов пьезоэлементов в одной плоскости. Возможная процедура выравнивания схематически изображена на фиг 3. Здесь, 4 - пьезоэлементы, 5 - подложки, 6 - металлическое покрытие, 9 - пластина статора, 18 - плоская базовая поверхность (например, накопитель от жесткого диска), 19 - кольцевой груз, 20 - клеевые слои.

Перед выравниванием каждый пьезоэлемент калибруется - измеряется уровень выходного напряжения при одинаковой статической нагрузке. При правильном выравнивании все пьезоэлементы должны показывать одинаковый уровень сигнала с учетом индивидуального калибровочного напряжения. Клеевое соединение должно иметь жесткость существенно выше жесткости пьезоэлемента и давать малую усадку.

Предлагаемое устройство допускает масштабирование как в радиальном направлении (увеличение радиуса диска и количества пьезоэлементов), так и в продольном (увеличение числа дисков на валу и элементов статора с пьезоэлементами). Пропорционально увеличивается суммарное выходное напряжение всего устройства. Но при этом необходимо соблюдать положительный баланс с мощностью, потребляемой электромотором.

Отдельные пьезоэлементы можно объединять в группы, прикрепленные к единой металлической пластине. В предельном случае, все пьезоэлементы можно прикрепить к одной ровной поверхности, аналогичной поверхности вращающегося диска, на которую нанесены металлические слои. Такая компоновка может значительно упростить сборку и наладку устройства, однако, механическая жесткость системы пьезоэлементов возрастает. Поэтому объединение пьезоэлементов в группы следует сопровождать уменьшением их площади, а необходимую толщину набирать из отдельных пьезоэлементов меньшей толщины. При этом жесткость клеевого слоя должна быть существенно выше жесткости отдельных пьезоэлектрических слоев.

Основной узел генератора может быть выполнен в виде двух соосных барабанов (фиг.4). В такой конструкции металлические полоски наносятся на внешнюю поверхность барабана 21 и обращенные к ней торцы пьезоэлементов 22, которые закреплены на внутренней поверхности статора 23. Вместо отдельных пьезоэлементов, может использоваться один трубчатый элемент с радиальной модой деформации. Установка необходимого зазора также достигается за счет теплового расширения в радиальном направлении.

Поскольку предлагаемый пьезоэлектрический генератор является многоэлементным, в нем могут быть получены различные уровни напряжений путем соединения электродов пьезоэлементов в электрическую цепь последовательно или параллельно, либо использовать различные схемы суммирования напряжения или тока.

При работе устройства не происходит износа пьезоэлементов, поскольку отсутствует непосредственный механический контакт между ними и объектом, вызывающим их деформацию.

ГЕНЕРАТОР РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ

При вращении диска 3 металлические пластины 7 на его поверхности периодически перекрывают аналогичные пластины 6 на подложках 5, прикрепленные к пьезоэлементам 4 статора 9. В области перекрытия пластин действует сила Казимира, вызывающая растяжение пьезоэлементов. Вследствие прямого пьезоэффекта, на их электродах генерируется разность потенциалов.

Поскольку сила Казимира пропорциональна площади перекрытия пластин, то напряжение на электродах пьезоэлементов имеет форму, близкую к пилообразной, если размеры пластин невелики или их форма не слишком отличается от кольцевого сектора.

В таблице на фиг.5 приведены параметры некоторых видов промышленных пьезоэлектрических материалов с наибольшей чувствительностью. В последних двух колонках приведены расчетные величины максимального напряжения на электродах каждого пьезоэлемента для расстояний между металлическими пластинами диска и статора равным 0.5 и 0.25 мкм при их полном перекрытии. Площади пластин и электродов полагаются равными. При расчетах генерируемого напряжения были учтены поправки к силе Казимира за счет неидеальности материала пластин (толщина скин-слоя), температурная поправка и шероховатость поверхности пластин. Краткая сводка расчетных формул приведена в приложении 1.

Чтобы увеличить напряжение, генерируемое пьезокерамическими элементами, можно уменьшить их электрическую емкость, т.е., увеличить толщину и уменьшить площадь. Например, для изображенных на фиг.1 коммерческих пьезокерамических элементов стандартных размеров с площадью электродов 0.26×0.26 см2, толщиной 5 мм и площадью металлических пластин 1×1 см2, значения генерируемого напряжения в последних двух колонках таблицы на фиг.5 будет примерно в 16 выше. Применение пьезоэлементов толщиной 10 мм повысит напряжение еще вдвое. Таким образом, генерируемое напряжение можно увеличить примерно в 30 раз, вплоть до 0.9-1.3 мВ для распространенных видов пьезокерамики ЦТС и PZT. Кроме того, применение пористых пьезокерамик также приводит к увеличению выходного напряжения (если возможна их эксплуатации в вакууме).

Из таблицы на фиг.5 следует, что электроактивные диэлектрики являются наиболее эффективными материалами для рассматриваемого устройства ввиду значительного генерируемого напряжения. Однако некоторые из них имеют пористую структуру, что требует дополнительных конструктивных мер для их эксплуатации в вакууме, чтобы избежать искажения рабочих поверхности из-за вздутий и ухудшения вакуума при дегазации и испарении компонентов материала диэлектриков. Некоторые виды пьезополимеров выпускаются в виде пленок толщиной до 1 мм. В этом случае необходимую толщину можно набрать склеивая отдельные слои.

Откачка рабочего объема до глубокого вакуума, как это делается в прецизионных экспериментах, не представляется необходимой. В точных экспериментах глубокий вакуум нужен в основном для предотвращения влияния внешних акустических возмущений, тепловых потоков и окисления рабочих поверхностей исследуемых материалов (если они ему подвержены). В рассматриваемом устройстве для пластин предполагается применение неоксидируемых металлов. Роль акустических вибраций неважна, если она не приводит к непосредственному касанию пластин.

На фиг.1 для примера изображен электромотор с геометрическими размерами, соответствующими низкошумящему RF-300CA. Подобные электромоторы широко применяются в бытовой технике и отличаются малым энергопотреблением (124 мВт при напряжении питания 2 В и 1820 об/мин). Электромотор может размещаться как внутри вакуумированного объема, так и снаружи.

Общей проблемой всех низкочастотных пьезоэлектрических устройств является их высокий выходной импеданс из-за малой электрической емкости, что делает невозможным их непосредственное подключение к внешней нагрузке. Для решения этой проблемы можно использовать, например выходной контур на основе операционного усилителя (ОУ), включенного по неинвертирующей схеме преобразования напряжения в ток. В этом случае ток на выходе ОУ пропорционален напряжению на его входе. Для снижения общей потребляемой устройством мощности, ОУ должен иметь низкое напряжение питания и очень малый ток потребления. Наиболее подходящими являются ОУ с функцией «rail-to-rail» на выходе, напряжением питания не более 3 В и током потребления менее 1 мА. К таким ОУ относится, например, семейство широкополосных TLV2785x (1.8-3.6 В, 820 мкА). Данный ОУ способен принимать входные сигналы с малыми токами порядка 2.5 пА и выдавать ток до 10 мА, при напряжении примерно равном напряжению питания. Подобные ОУ производятся рядом компаний и вполне пригодны для обеспечения работы устройства.

Преобразование пилообразного напряжения на выходе пьезоэлемента может быть легко преобразовано в квазипостоянное, например, включением подходящего по емкости конденсатора параллельно входу ОУ.

Поскольку ток на выходе мало- и микромощных ОУ обычно ограничен величинами 10, 20 или 25 мА, а максимальное напряжение равно напряжению питания, то при использовании пьезоэлементов, способных генерировать значительную разность потенциалов, разумно применять делители напряжения, подключенные ко входам отдельных ОУ. Так можно получить значительно больший суммарный ток в выходной цепи при напряжении питания ОУ. Если необходимо большее напряжение, можно использовать стандартные схемы инвертирующих или неинвертирующих сумматоров.

Выходную мощность пьезоэлементов можно использовать для зарядки аккумуляторов 1.2-1.5 В, ионисторов (суперконденсаторов), либо для иных целей после суммирования напряжений или токов отдельных пьезоэлементов.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пьезоэлектрический генератор постоянного тока, содержащий статор, на котором закреплены пьезоэлементы с металлическими пластинами, и ротор, выполненный в виде вала, на котором закреплен диск или барабан с ответными металлическими пластинами, характеризующийся тем, что в нем механические деформации пьезоэлементов статора вызываются эффектом Казимира при перекрытии металлических пластин статора и диска или барабана при вращении последних, что приводит к генерации электрического напряжения на электродах пьезоэлементов вследствие прямого пьезоэффекта.

www.freepatent.ru

Преобразователь пьезоэлектрический: назначение и применение

Эти преобразователи относятся к подгруппе генераторных, в их основе посредством механики накапливаются электрические заряды. В результате выделяют следующую взаимосвязь: Q = d· P. В этом случае d является пьезомодулем, а P – усилием. Как правило, материалом выступает кварц, турмалин, смеси отжига, барий, свинец. Чтобы спроектировать пьезоэлектрический преобразователь, необходимо использовать схемы нагрузки: сжатие, изгиб, сдвиг, растяжение.

Прямой и обратный пьезоэффект

Для прямого эффекта характерно следующее: используемый кристаллический материал образует решетку за счет заряженных ионов, расположенных в определенном порядке. В процессе разноименные частицы чередуются и производят взаимную компенсацию, в результате получается электрическая нейтральность. Кристаллы имеют особенности, которые обозначены следующим образом:

• симметрия по отношению к оси;
• с учетом предыдущего вида проявляется решетка с ионами, которые чередуются и компенсируются.

Если используемый материал в процессе направлен на силу Fx, то он деформируется, расстояние между положительными и отрицательными зарядами меняется, и происходит электризация направления в заданной оси. Все это выражается в формуле q = d11Fx и является пропорциональным для силы. Коэффициент связан с веществом и его состоянием, имеет название – пьезоэлектрический модуль. Индексы определены силой и гранью, но если изменить направление, то эффект станет иным.

Пьезоэлектрический преобразователь при прямом процессе электризует кристаллы под воздействием внешних сил. Этот эффект возникает при влиянии веществ, являющихся электриками. Чтобы изготовить измерительные приборы, понадобятся кристаллы кварца. То есть принцип действия пьезоэлектрического преобразователя следующий: при прямом эффекте воздействие осуществляется через механику, а при обратном происходит деформация кристаллов.

Дополнительные пьезоэффекты

Кристалл может поляризоваться при воздействии на пластинку сил на осях X, Y. Если действует сила Fx, то проявляется продольный эффект, а когда Fy – поперечный, при Fzзарядов не возникает. Кварцевый кристалл располагается на трех осях координат. Чтобы использовать пьезоэлектрические измерительные преобразователи, необходимо вырезать пластинку, которая укажет на эффект. Она имеет следующее описание:

• высокая прочность;
• напряжение допускается до 108 Н/м2, благодаря этому возможны большие измеряемые силы;
• жесткость и упругость;
• минимальное трение внутри;
• стабильность, которая не меняется;
• максимальная добротность изготовленного материала.

Кварцевые пластинки применяются только в преобразователях, которые измеряют давление и силу. С учетом твердости материал сложно обработать, поэтому из него создают простую форму. Модуль постоянен при неизменяемой температуре. Если она увеличивается, то в этом случае происходит уменьшение модуля. Пьезоэлектрические свойства исчезают при температуре в 573 градуса по Цельсию.

Описание устройства и цепей измерения

Пьезоэлектрический преобразователь давления имеет следующую структуру:

• мембрана, которая является дном корпуса;
• обкладка снаружи заземлена, а средняя изолируется кварцем;
• пластины имеют высокое сопротивление, соединены параллельно;
• фольгу и внутреннюю жилу кабеля скрепляют в отверстии, закрывающемся крышкой.

Мощность на выходе – минимальна, в связи с этим предусматривают усилитель с большим сопротивлением. По сути, напряжение зависит от емкости цепи входа. Характеристики преобразователя указывают на чувствительность и емкость. В основном это заряд и собственные показатели устройства. Если рассчитать суммарно, то получится следующая выходная мощность: Sq= q/F или Uxx = d11·F/Co.

Чтобы расширить диапазон частоты, необходимо измеряемые низкие переменные увеличить в сторону постоянной цепи времени. Подобное действие легко осуществить с помощью включения конденсаторов, которые расположены параллельно с устройством. Правда при этом напряжение выхода снизится. Сопротивление, которое было увеличено, расширит диапазон без утрат чувствительности. Но для его повышения необходимы улучшенные изоляционные качества и усилители с высокоомным входом.

Описание цепей измерения

Удельное и поверхностное сопротивления определяют собственное, причем основная составляющая для кварца выше, поэтому пьезоэлектрический преобразователь необходимо герметизировать. В результате повышаются качества, и поверхность защищается от влаги и грязи. Цепи измерения датчиков создавались как высокоомные усилители, в основе которых использовались выходной каскад на полевом транзисторе и неинвертирующий усилитель с операционным устройством. Напряжение поступает на вход и выход.

Однако в этом устаревшем пьезоэлектрическом преобразователе были недостатки:

• зависимость напряжения выхода и чувствительность по отношению к объему датчика;
• нестабильная емкость, которая меняется из-за температурных условий.

Напряжение усилителя и чувствительность определяются допустимой погрешностью, если дополнить включенный стабильный объем С1. Формула: ys = (ΔCo+ ΔCk)/(Co+Ck+C1). После преобразования получаем: S=Ubx/F. Если коэффициент увеличивается, соответственно, и эти переменные возрастают. Для измерительной цепи характерно:

• постоянная линия времени;
• сопротивление R определено входным усилением, изоляцией датчиков, кабелей, и R3;
• МДП-транзисторы сильнее по сравнению с полевыми устройствами, однако имеют высокий уровень шума;
• R3 стабилизирует напряжение, его значение высчитывается как ~ 1011 Ом.

Анализируя последнюю переменную, можно предположить, что постоянная линия времени следующая: t ≤ 1c. Сегодня устройства могут использовать с усилителями напряжения пьезоэлектрические датчики для заряда.

Преимущественные характеристики устройств

Пьезоэлектрический преобразователь имеет следующие достоинства:

• простота конструкционной сборки;
• габариты;
• надежность;
• преобразование напряжения механики в электрический заряд;
• переменные величины, которые можно быстро измерить.

В случае с материалом вроде кварца, который близок к идеальному состоянию тела, преобразование механики в заряд электрики возможно с минимальной погрешностью от -4 до -6. Однако развитие высокоточной техники улучшило способность реализовать точность без потерь. В результате можно прийти к выводу, что для измерителей сил, давления и прочих элементов наиболее подходящими являются эти пьезоэлектрические преобразователи.

ПЭП ускорения имеет следующую конструкцию:

• все материалы крепятся к титановому основанию;
• два одновременно включенных пьезоэлемента из кварца;
• высокоплотная инерционная масса предназначена для минимальных габаритов;
• снятие сигнала посредством латунной фольги;
• она, в свою очередь, соединена с кабелем, который припаивается;
• датчик закрыт крышкой, навинченной в основании;
• чтобы укрепить измеритель на объекте, нарезают резьбу.

Невзирая на массу, датчик достаточно стабилен и плотен. Работает в диапазоне 150 м/с2.

Конструкционные особенности преобразователей

Если необходимо изготовить датчик акселерометра, то важно правильно прикрепить пьезочувствительные пластины к основанию. Это действие осуществляется паянием. Кабель должен соответствовать следующим требованиям:

• изоляционное сопротивление должно быть высоким;
• экран размещен рядом с жилой;
• антивибрационность;
• гибкость.

То есть на вход усилителя не должна производиться тряска кабеля. Измерительная цепь создается симметрично, чтобы не возникало помех. В датчике связь несимметричная, сопротивление выводов и корпуса соединено таким образом, что получается изоляция внешних пластин. Чтобы добиться нужного результата, требуется измеритель выполнить из нечетного количества материалов, которые используются в процессе. Элементы прижимаются к усилителю сквозь отверстия в центральной части и через изоляторы, которые привинчены к корпусу.

Особенности приборов, измеряющих вибрации

Чтобы увеличить чувствительность измерительного прибора, необходимо применить пьезоэлементы с высоким модулем. Этот материал укладывают параллельно в ряд и соединяют металлическими прокладками и пластинами. Для подобного эффекта еще могут применяться вещества, которые работают на изгиб. Однако они имеют низкую частоту и уступают механике сжатия.

Материал может быть биморфным, его обычно собирают последовательно или параллельно, все зависит от положительно расположенных осей. Как правило, это две пластины. Если учитывать нейтральный слой, то над ним вместо пьезоэлемента может использоваться накладка из металла со средней толщиной.

Чтобы измерить сигналы, которые двигаются достаточно медленно, необходимо сделать следующее:

• пьезопреобразователь включают в автогенератор;
• кристалл находится на резонансной частоте;
• как только произойдет нагрузка, показатели изменятся.

Сегодня пьезоакселерометры – усовершенствованные приборы, которые могут быть высокочастотными, с сильной чувствительностью.

Альтернативный источник энергии посредством преобразователей

Одним из знаменитых и неисчерпаемых средств получения электричества является энергия волн. Такие станции монтируют непосредственно в водную среду. Это явление связано с солнечными лучами, которые нагревают массу воздуха, благодаря чему возникают волны. Вал данного явления имеет энергоемкость, которая определяется по силе ветра, ширине воздушных фронтов, продолжительности порывов.

Значение может колебаться на мелководье или достигать 100 кВт на один метр. Пьезоэлектрический преобразователь энергии волн работает по определенному принципу. Уровень воды поднимается посредством волны, в процессе воздух выдавливается из сосуда. Затем потоки пропускаются реверсирующейся турбиной. Агрегат вращается по определенному направлению, вне зависимости от движения волн.

Этот аппарат имеет положительную характеристику. До сегодняшнего дня совершенствование конструкции не прогнозируется, потому что эффективность и принцип работы доказаны всеми существующими путями. В процессе технического прогресса, возможно, будут построены плавучие станции.

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь

Этот прибор устроен таким образом, что не требует дополнительных настроек. Он снабжен блоком памяти, который выдает технический результат. Относится к контрольно-измерительным аппаратам. Подобные устройства отличаются по типу, техническим характеристикам, которые составляются на основе данных о конструкции и предназначении с минимальными погрешностями. Все требования учитываются на основе конструкции.

Для всех подобных аппаратов предусмотрена стандартная схема создания: дефектоскоп, корпус, электроды, главный элемент, который скрепляют с основанием, жила, фольга и другие материалы. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь является полезной моделью. Он позволяет получать данные непосредственно с помощью звука, установленного на основании устройства.

Области применения пьезоэлектрического преобразователя

Устройства с прямым эффектом используются в приборах, которые измеряют силу, давление, ускорение. У них высокий уровень частоты и жесткости. Аппараты с обратной связью применяют в ультразвуковых колебаниях, преобразовании напряжения в деформацию, уравновешивания. Если одновременно учитывают оба эффекта, то этот вариант подходит для пьезорезонаторов, которые преобразуют один вид энергии в другой достаточно быстро.

Положительные устройства, включенные в обратное направление, работают на автоматических колебаниях и применяются в генераторах. Область их применения обширна, так как они имеют высокую стабильность при правильном создании. Зачастую для достижения нужного эффекта и получения верных сведений используют несколько пьезорезонаторов.

Недостатки преобразователей

В данных устройствах присутствует огромное количество положительных сторон. Однако они имеют и отрицательные черты:

• сопротивление на выходе – максимальное;
• измерительные схемы и кабели должны быть созданы на основе жестких требований и рекомендаций.

Расчет пьезоэлектрического преобразователя изначально выводит формулу уравнения для резонансной частоты: Fp= 0.24 ·c·. Толщина пластины: h = Fp · a2 / 0.24 · c = 35 · 103 · 25 · 10-6/ 0.24 · 2900 = 1.257 · 10-3m. Энергетические характеристики высчитываются так: Wак = Wак.уд · S = 40 · 4.53 · 10-3.

fb.ru

---

• 
  Трансформаторные подстанции киоскового типа
• 
  Ограничитель мощности однофазный
• 
  Установка розеток и выключателей в гипсокартон
• 
  Что такое резонанс напряжений и каковы его характерные особенности
• 
  Сварочный ультразвуковой аппарат
• 
  Прокладка оптического кабеля
• 
  Электрические измерения единицы
• 
  Требования к квалификации электрик
• 
  Кабель пуэ ток
• 
  Стальной провод
• 
  Тарифам цена