Пьезоэлектрический преобразователь энергии

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (11) А1 (5l)5 Н 04 R 17/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ASXOrCSOvv ce pevmti©vSv

2 а также коллектор,. электрические ячейки которого соединены с электродами секций пьезоэлементов, и статор, установленный с воэможностью свободного вращения вокруг оси цилиндра, электросъемники которого контактируют с коллектором, на цилиндре установлены камера с шиной, а пьезоэлементы выполнены из пьезоэлектрической пленки, размещенной между камерой и шиной, при этом на секции разделен по крайней мере один электрод каждого слоя пленки, а длина секции пьезопленки составляет на более l/16 длины его окружности, С этой же целью между пьезопленкой и шиной установлен упругий элемент, в котором со стороны пьезопленки выполнены уступы, шаг между которыми равен не более одной секции пьезопленки. 1 s.n. ф-лы, 5 ил.

CJ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И QTHPblTHRM

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4388125/24-10 (22) 15.02.88 (46) 07.0).90. Бюл. !! I (72) А,И,Брук, С.А,Брук, А,С,Подкладов и Н,А,Подкладова (53) 621.372.54(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 592009, кл, Н 04 R 17/00, 1973 ° (54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪ ЭНЕРГИИ (57) Изобретение относится к области пьезоэлектрических преобразователей, Целью изобретения является увеличение надежности преобразователя энергии при одновременном упрощении технологии его,изготовления, а также повышение эффективности его работы за счет того, что в преобоазователе энергии, содержащем цилиндр с пьезоэлементами, разделенными на секций, Изобретение относится к пьезоэлектрическим преобразованиям и может быть использовано в различных областях техники для оценки изгибных деформаций, возникающих при качении, например, s автомобилестроении,при оценки нагрузки на колеса в зависимости от состояния дороги, скорости передвижения по ней и массы перевозимого груза.

Целью изобретения является повыше-i ние надежности работы пьезоэлектрического преобразователя энергии при одновременном упрощении технологии его изготовления, повышение эффективности °

На фиг, 1 представлен пьезоэлектри.ческий преобразователь, общий вид на фиг,2 - пакет пьезоэлектрической пленки в общий внд; на фиг.3 — вкладыш, общий вид, иа фиг.4 — устройство пакета пьезоэлектрической пленки, на фиг,5 - диаграмма распределения электрических зарядов в пьезоэлектрической пленке при работе преобразователя (1 при снятии заряда в одной нижней точке А; 2 при снятии заряда в двух точках А и В).

3 1534758

Пьез оэлек три ческий пр еобр азователь энергии конструктивно состоит из шипы 1, камеры 2 и тупицы 3 ° Между шиной 1 и камерой 2 размещен пакет 4, .набранный пз пьезоэлектрической поляризованной плепки, Между пакетом 4 и шиной 1 установлен вкладыш 5 (фиг,3). На ступице 3 (фиг,1) выпол" нен коллектор 6 с ячейками 7, Каждая, ячейка 7 электрически соединена с., соответствующей секцией пакета. На

: оси колеса с возможностью вращения вокруг нее установлен статор 9 с токосъемниками 10, контактирующими с 15 ячейками 7 коллектора 6 °

Пакет 4 представляет собой набор пьезоэлектрических пленок 11 (фиг,2)

1 запечатанный герметично в мягкий чехол.12, например, из резины или поли-20 этиленовой пленки, Из пакета 4 выходят монтажные провода 8, один из которых имеет минусовую полярность, а остальные - плюсовую, Количество последних соответствует. количеству секций пьезоэлектрической пленки,набранной в пакет 4 ° При этом, провода 8, идущие от параллельных секций ! пленки соединены вместе, Таким обраР зом, секции 15 пленки объединены в рабочие секторы 16. Длина и ширина пакета 4 выбираются в зависимости от ширины шины 1 и ее диаметра, В качестве пьезоэлектрической пленки может быть использована, на 35 пример, пьезополимерная пленка на основе поливинилинденхлорида, Электроды выполнены путем напыления алю-миния.

В предлагаемом примере исполнения 40 приведена конструкция плоского пакета 4; провода в нем выходят в конце пакета в виде жгута. После установки пакета в шипу он принимает вид разомкнутого кольца; расстояние меж- 45 ду его концами должно быть наименьшим, Возможны другие конструктивные исполнения подобного пакета, например, в виде цилиндра, навитого из пьезоэлектрической пленки, В пакет может быть вмонтирован вкладыш 5, Провода могут выходить из пакета равномерно по его длине °

Пьезоэлектрическая пленка 11 ° 55 (фиг,4} выполнена из поляризованной, ленты, у которой один электрод нанесен с промежутками (беэ металлического покрытия), Таким образом, пленка разделена на секции 15. Длина 16 каждой секции пьезопленки (фпг,4 1 составляет 1/16 длины ее окружности,а ее ширина соответствует диаметру поперечного сечения камеры 2 (фиг.1), От каждой секции 15 выходит электрический вывод 17, к которому присоединен монтажный привод 8.

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

Таким образом, каждый сектор пье зоэлектрического пакета 4 объединяет расположенные друг над другом секции !5 пьезоэлектрической пленки .1 1 и выведен на коллектор 6 с соблюдением порядка расположения секторов в пакете 4 ° Это представляется возможным выполнить потому, что все секции 15., расположенные в одном секторе пакета 4, работают в одинаковых условиях, подвергаются одинаковым деформациям и выделяют одинаковый заряд, Вкладыш 5 (фиг,3) выполнен в виде упругого элемента, например из жесткой резины. По его длине выполнены выступы !3, образующие впадины 14, Длина и ширина вкладыша определяются параметрами пакета 4 (фиг,2), а количество H глубина образованньгл впадин, в том числе и их форма — количеством секций в пакете 4, его толщиной и другими параметрами .колеса, Количество впадин 14 должно быть не менее количества секций в пакете 4.

В предлагаемой конструкции преобразователя пакет 4 из пьезоэлектрических пленок, работающих параллельно и имеющих следующую последовательность полярности поляризации по высоте:

+ - + - + - + -, + -, требует специальной электрической изоляции между слоями пленок, В этом случае между пленками приходится прокладывать колес °

153475 изолятор (бумагу 18 или полиэтиленовую пленку и т,п,).

Возможен и другой порядок набора пакета, например, при следующей последовательности полярности ее поля5 ризации: -. ++ — ++ -, В этом случае между одинаковыми полярностями изолятор прокладывать не обязательно, Пьезоэлектрический преобразователь работает следующим образом.

При вращении преобразоватепя в нижней его части происходит деформация шины (фиг ° 1). Это влечет эа собой прогиб в этом месте пакета 4, Вследствие этого на рабочем секторе пакета 4 выделяется электрический заряд, который нарастает и достигает максимума в точке А (фиг.5). В этот момент через коллектор 6 и токосьем- 20 ник 10 он снимается, Далее нагрузка на шину спадает, что приводит к уменьшению деформации пакета, в результате на этой секции (секторе) возникает электрический заряд обратной полярнос- 25 ти, чем в предыдущий момент ° Заряд достигает максимума в точке Б. В этот момент он также снимается, Таким образом, отдают свои заряды и все секторы, Следовательно, по Зд мере вращения преобразователя на статор 9 подается генерируемый электрический заряд.

На фиг.5 приведена диаграмма распределения электрического заряда в. пьезоэлектрической пленке при вращении преобразователя под нагрузкой, Из нее следует, что наибольший заряд возникает в нижней части преобразователя (точка А). Если снимать заряд 4О именно в той точке, диаграмма несколько изменится: в этом случае выгодно снимать заряд дважды: в точках А и Б.

Именно такой режим работы преобразователя энергии является оптимальным, 45 установка между шиной и камерой пьезоэлектрической пленки позволяет решить поставленную задачу значительно проще, с меньшими затратами, при меньшей массе, а самое главное, с 50 более высокой надежностью.

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

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

8 6 генерирует электрической энергии . электрический заряд, однажды возник- ° нув в пленке при нажатии на нее, при вращении преобразователя перетекает с одного участка пленки на другие участки, где возникает обратный заряд, В результате заряд нейтрализуется.

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 l6 каждой секции (фиг,4) не должка превьппать l/16 длины всей пленки (длины ее окружности). Последнее обусловлено тем,что в автомобильных колесах изгиб шины при езде автомобиля обычно не превыо шает 10-15 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 реали15 34758 зация поперечного или продольного пьезомодуля °

ЭФФективность предлагаемого устройства 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 1обиля при использовании предлагаемого преобразователя не снижается .

Формула изобретения

1, Пьезоэлектрический преобразова- . тель энергии, содержащий цилиндр, Пьезоэлементы, разделенные на секции, 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 кам ра 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

1/1б длины ее окружности.

2, Преобразователь по п,1, о т— личающийся тем, чтомежду 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

1534758

Составитель В,Кудрявцев

Техред М.Дидык Корректор С,Черни

Редактор А.Шандор

Заказ 57, Тираж 517 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101