Пьезоэлектрический преобразователь энергии

(51) 5 Н 04 К 17/ САНИЕ БРЕТ ИЯ К АВТОРСКОМ Л)СВУ ы) овышение эффективезоэлекего и товлени может и обл х дече ниизависикоростиперевоэиК является повыше-)пьезоэлектриеля энергии при нии технологии ни а ческодно ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪ ЭНЕРГИИ(57) Изобретение относится к областипьезоэлектрических преобразователей,Целью изобретения является увеличение надежности преобразователя энергии при одновременном упрощении технологии его,изготовления, а такжеповышение эффективности его работыза счет того, что в преобоазователеэнергии, содержащем цилиндр с пьезоэлементами, разделенными на секций,Изобретение относится ктрическим преобразованиям ибыть использовано в различньтях техники для оценки изгиформаций, возникающих при кнапример, в автомобилестроеоценки нагрузки на колеса вмости от состояния дороги,передвижения по ней и массымого груза.Целью изобретенияе надежности работыого преобразоватвременном упроще а также коллектор,. электрическиеячейки которого соединены с электродами секций пьезоэлементов, и статор, установленный с воэможностьюсвободного вращения вокруг оси цилиндра, электросъемники которого контактируют с коллектором, на цилиндре установлены камера с шиной, а пьезоэлементы выполнены из пьезоэлектрической пленки, размещенной между камерой и шиной, при этом на секции разделен по крайней мере один электродкаждого слоя пленки, а длина секциипьезопленки составляет на более 1/16длины его окружности, С этой же целью между пьезопленкой и шиной установлен упругий элемент, в котором состороны пьезопленки выполнены уступы, шаг между которыми равен не более одной секции пьезопленки. 1 э.п.ностиНа фиг, представлен пьезоэлект .ческий преобразователь, общий вид на фиг.2 - пакет пьезоэлектрическо пленки ) общий вид; на фиг.3 - вкла дыш, общий вид; на фиг,4 - устройство пакета пьезоэлектрической пле ки, на фиг,5 - диаграмма распредел ния электрических зарядов в пьезоэл трической пленке при работе преобр зователя (1 при снятии заряда в однои нижней точке А 2 при снятии заряд в двух точках А и В).3 1534758Пьезоэлектрический преобразователь энергии конструктивно состоитиз шипы 1, камеры 2 и тупицы 3Междушиной 1 и камерой 2 размещен пакет 4,набранный из пьезоэлектрической поляризованной плепки, Между пакетом 4и шиной 1 установлен вкладыш 5, соответствующей секцией пакета. Наоси колеса с воэможностью вращениявокруг нее установлен статор 9 с токосъемниками 10, контактирующими с 15ячейками 7 коллектора 6Пакет 4 представляет собой наборпьезоэлектрических пленок 11 (фиг,2)запечатанный герметично в мягкий чехол .12, например, из резины или поли этиленовой пленки, Из пакета 4 выходятмонтажные провода 8, один из :которых имеет минусовую полярность,а остальные - плюсовую, Количествопоследних соответствует. количествусекций пьезоэлектрической пленки,набранной в пакет 4, При этом, провода 8, идущие от параллельных секцийпленки соединены вместе, Таким обраРзом, секции 15 пленки объединены врабочие секторы 16, Длина и ширинапакета 4 выбираются в зависимости отширины шины 1 и ее диаметра,В качестве пьезоэлектрическойпленки может быть использована, на 35пример, пьезополимерная пленка наоснове поливинилинденхлорида, Электроды выполнены путем напыления алюминия,В предлагаемом примере исполнения 40приведена конструкция плоского пакета 4; провода в нем выходят в конце пакета в виде жгута. После установки пакета в шипу он принимает видразомкнутого кольца; расстояние между его концами должно быть наименьшим,Возможны другие конструктивные исполнения подобного пакета, например,в виде цилиндра, навитого из пьезоэлектрической пленки, В пакет можетбыть вмонтирован вкладыш 5, Проводамогут выходить из пакета равномернопо его длинеПьезоэлектрическая пленка 1155(Фиг,4) выполнена из поляризованной,ленты, у которой один электрод нанесен с промежутками (беэ металлического покрытия), Таким образом, пленка разделена на секции 15. Длина 16 каждой секции пьезопленкиФпг,4 ) составляет 1/16 длины ее окружности,аее ширина соответствует диаметру поперечного сечения камеры 2 (Фиг,1).От каждой секции 15 выходит электрический вывод 17, к которому присоединен монтажный привод 8,Пакет 4 (фиг.2) набран из нескольких сложенных друг на другапленок 11 с совмещением по высотевсех секций 15,находящихся друг наддругом; они электрически объединяются, образуя сектор, Каждый провод 8 с положительной полярностью,выведенный от сектора, соединен сячейкой 7 коллек тора 6 с соблюдением порядка секторов в пакете 4. Отрицательный провод 8, выведенный изсплошных электродов пленки 11, соединен с ячейкой коллектора 6, предназначенной для отрицательной полярности,Таким образом, каждый сектор пьезоэлектрического пакета 4 объединяетрасположенные друг над другом секции 15 пьезоэлектрической пленки .11и выведен на коллектор 6 с соблюдением порядка расположения секторовв пакете 4Это представляется возможным выполнить потому, что всесекции 15., расположенные в одном секторе пакета 4, работают в одинаковыхусловиях, подвергаются одинаковымдеформациям и выделяют одинаковыйзаряд,Вкладыш 5 (фиг,3) выполнен в видеупругого элемента, например из жесткой резины, По его длине выполненывыступы 3, образующие впадины 14,Длина и ширина вкладыша определяютсяпараметрами пакета 4 (фиг,2), а количество и глубина образованньгл впадин,в том числе и их Форма - количествомсекций в пакете 4, его толщиной и другими параметрами .колеса, Количествовпадин 14 должно быть не менее количества секций в пакете 4,1В предлагаемой конструкции преобразователя пакет 4 из пьезоэлектрических пленок, работающих параллельно иимеющих следующую последовательностьполярности поляризации по высоте:+ - + - + - + -, + -, требует специальной электрической изоляции меж"ду слоями пленок, В этом случае между пленками приходится прокладыватьколес153475изолятор (бумагу 18 или полиэтиленовую пленку и т,п,),Возможен и другой порядок наборапакета, например, при следующей последовательности полярности ее поляюризации: -.--, В этом случаемежду одинаковыми полярностями изолятор прокладывать не обязательно,Пьезоэлектрический преобразовательработает следующим образом,При вращении преобразоватепя внижней его части происходит деформация шины ) (фиг1). Это влечет эа собой прогиб в этом месте пакета 4,Вследствие этого на рабочем секторепакета 4 выделяется электрический заряд, который нарастает и достигаетмаксимума в точке А (фиг,5). В этотмомент через коллектор 6 и токосьемник 1 О он снимается, Далее нагрузкана шину спадает, что приводит к уменьшению деформации пакета, в результатена этой секции (секторе) возникаетэлектрический заряд обратной полярности, чем в предыдущий моментЗаряддостигает максимума в точке Б, Вэтот момент он также снимается,Таким образом, отдают свои зарядыи все секторы, Следовательно, помере вращения преобразователя на статор 9 подается генерируемый электрический заряд.На фиг,5 приведена диаграмма распределения электрического заряда в.пьезоэлектрической пленке при вращении преобразователя под нагрузкой,Из нее следует, что наибольший зарядвозникает в нижней части преобразователя (точка А). Если снимать заряд 4 Оименно в той точке, диаграмма несколько изменится: в этом случае выгодноснимать заряд дважды: в точках А и БИменно такой режим работы преобразователя энергии является оптимальным, 45установка между шиной и камеройпьезоэлектрической пленки позволяетрешить поставленную задачу значительно проще, с меньшими затратами, применьшей массе, а самое главное, с 50более высокой надежностью,Кроме того, такой преобразовательне ухудшает ни ходовых, ни надежностных качеств обычных автомобильных колес, что позволяет использовать егос большой надежностью в автомобиле,Однако, при простой установкепьезоэлектрической пленки между шиной н камерой преобразователь не 8 6генерирует электрической энергии: электрический заряд, однажды возникнув в пленке при нажатии на нее, при вращении преобразователя перетекает с одного участка пленки на другие участки, где возникает обратный заряд, В результате заряд нейтрализуется,Согласно предлагаемому техническому решению пьезоэлектрическая пленка разделена электрически на секции за счет несплошности нанесения хотя бы ее одного электрода в каждом слое пленки, При этом длина 6 каждой секции фиг,4) не должка превышать )/6 длины всей пленки ( длины ее окружности, Последнее обусловлено тем,что в автомобильных колесах изгиб шины :1 при езде автомобиля обычно не превыошает 0-15 от общей окружности колеса, Поэтому пьезопленку желательно расположить в этом районе, В таком случае по мере вращения преобразователя каждый сектор пленки поворачивается и ставится в разные условия деформации, В нижней части преобразователя примерно на /6 его длины окруж" ности деформация наибольшая, и каждый раз, когда на этот участок попадает сектор пленки, в нем возникает электрический заряд, Так заряд попадает. через токосъемник на выводы статора, а оттуда - по назначению, Для увеличения эффективности процесса генерации энергии пьезопленок может быть несколько (т,е, она может быть уложена в несколько слоев).С этой же целью предусматривается между шиной и пьезоэлектрической пленкой устанавливать упругий элемент-вкладыш с выступами, которые придают пленке большую изгибную деформацию, следовательно, способствуют появлению большего электрического заряда при прочих равных условиях,Подобные выступы могут быть выполнены непосредственно на внутренней поверхности шины, но тогда такие шины имеют специальное назначение, а введение вкладьппа позволяет использовать шины обычных автомобильных Введение вкладышей, шаг между которыми не превышает длину секции плен. ки, позволяет реализовать изгибные деформации активного элемента, что значительно эффективнее, чем реали зация поперечного или продольного пьезомодуляЭФФективность предлагаемого устрой" ства состоит в том, что с его помощью легко, просто, надежно можно преобразовать энергию качения в электрическую энергию, а выделенный на выводах статора заряд может быть использован по своему прямому назначению: например, он может быть использован для измерения нагрузки, приходящейся на колеса автомобиля в зависимости от его скорости, состояния дороги и массы груза, Надежность авто 1 обиля при использовании предлагаемого преобразователя не снижается,Формула изобретения201, Пьезоэлектрический преобразователь энергии, содержащий цилиндр, Пьезоэлементы, разделенные насекции, коллектор, электрические ячейки кото- . рого соединены с электродами секций пьезоэлементов, и статор, установленный с возможностью свободного вращения вокруг оси цилиндра, при этом электросъемники статора контактируют с коллектором,. о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения надежности и эффективности при одновременном упрощении изготовления, в него. введена установленная на цилиндре камра с шиной, а пьезоэлементы выполнены из пьезоэлектрической пленки, расположенной между камерой и шиной, причем на секции разделен по крайней мере один электрод каждого слоя пленки, а длина секции составляет не более 1/1 б длины ее окружности.2, Преобразователь по п,1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что между пьезоэлектрической пленкой и шиной установлен упругий элемент, в котором со стороны пьезоэлектрической пленки выполнены уступы, шаг между которыми не более длины секции пьезоэлектрической пленки.1534758 С вРедактор А,Шандор Р ДдЫ Корректор С,Черни П ираж 517 инат "Патент", г. Уж Гагарина, 1 ьскии Проиэводственно-и 57, Госуд венного 113035,оставитель В,Кудрявцеех ед М. и к омитета по иэобретениям осква, Ж, Раушская н исноеткрытиям при ГЕНТ С д. 4/5