RU2537971C1 - Built-in piezoelectric alternating-current source for inertial axysymmetrical bodies rotated clear - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: generator comprises a thin-walled cylindrical piezoelectric cell fixed by its outer side to the inner surface of the body rotation and several symmetrical weights fixed to it from the inner side. When a body is rotated in regard to its longitudinal axis, the weights under centrifugal forces perform circular deformation of the piezoelectric cell that generates electric voltage.

EFFECT: reducing weight and dimensions and improving reliability and capacity of the piezoelectric current source.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезоэлектрических материалов.The invention relates to electromechanical energy converters, namely to converters operating on the basis of the use of piezoelectric materials.

Изобретение может быть использовано в качестве источника переменного тока для внутренних потребителей свободновращающихся инерционных тел при проектировании космической и военной техники.The invention can be used as an AC source for internal consumers of freely rotating inertial bodies in the design of space and military equipment.

Аналогом большинства известных в настоящее время преобразователей является электромагнитный механизм.An analog of most of the currently known converters is the electromagnetic mechanism.

Благодаря длительной истории развития и эксплуатации эти механизмы доведены до конструктивного совершенства. В то же время недостатки электромагнитных преобразователей известны: это относительно большая масса, использование дорогих дефицитных материалов, сложность устройства, содержащего катушку, магнит или обмотку возбуждения, зависимость генерируемого напряжения от скорости вращения ротора, наводки от искрения и электромагнитных полей и др.Due to the long history of development and operation, these mechanisms are brought to constructive perfection. At the same time, the disadvantages of electromagnetic converters are known: this is a relatively large mass, the use of expensive scarce materials, the complexity of a device containing a coil, magnet, or field winding, the dependence of the generated voltage on the rotor speed, induction on sparking and electromagnetic fields, etc.

Практика проектирования преобразователей показывает, что в настоящее время многие электромагнитные механизмы могут быть заменены твердотельными пьезокерамическими устройствами [1]. При этом удается существенно улучшить многие качественные показатели. Так, достигаются большая надежность, технологичность и на базе этого более низкая стоимость, высокий КПД преобразования.The practice of designing transducers shows that at present many electromagnetic mechanisms can be replaced by solid-state piezoceramic devices [1]. At the same time, many qualitative indicators can be significantly improved. Thus, greater reliability, manufacturability and, on the basis of this, lower cost, high conversion efficiency are achieved.

Одним из таких устройств является пьезокерамический генератор постоянного тока, выбранный в качестве прототипа [2].One of these devices is a piezoceramic direct current generator, selected as a prototype [2].

Этот генератор имеет цилиндрический тонкостенный 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.This generator has a cylindrical thin-walled piezoelectric element made in the form of a flat bimorph disk fixed in the center of the disk and deformed axially by two rollers mounted on the rotor through a flexible insulating gasket.

При деформации роликами поляризованного в радиальном направлении пьезоэлемента на электродах, которыми являются металлизированные поверхности, возникают вследствие прямого пьезоэффекта заряды, которые передаются в виде напряжения потребителю через токосъемные ролики.Upon deformation by rollers of a radially polarized piezoelectric element on the electrodes, which are metallized surfaces, charges arise due to the direct piezoelectric effect, which are transmitted in the form of voltage to the consumer through collector rollers.

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

- сложность конструкции;- design complexity;

- большие массогабаритные характеристики устройства;- large weight and size characteristics of the device;

- малая электрическая мощность генератора;- low electric power of the generator;

- сравнительно малая надежность вследствие того, что тонкослойное покрытие (электроды пьезоэлемента) подвержено быстрому износу катящимися нажимными и токосъемными роликами.- relatively low reliability due to the fact that a thin-layer coating (piezoelectric element electrodes) is subject to rapid wear by rolling pressure and current collection rollers.

Техническим результатом, получаемым при внедрении изобретения, является устранение перечислимых недостатков прототипа, то есть уменьшение массогабаритных характеристик и упрощение конструкции устройства, и, как следствие этого, повышение надежности и электрической мощности пьезоэлектрического источника тока.The technical result obtained by the implementation of the invention is to eliminate the enumerated disadvantages of the prototype, that is, reducing the weight and size characteristics and simplifying the design of the device, and, as a result of this, improving the reliability and electrical power of the piezoelectric current source.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном пьезоэлектрическом источнике тока, содержащем статор, выполненный в виде тела вращения с закрепленным на нем пьезоэлементом с токоотводами, и ротор, выполненный в виде деформирующих пьезоэлемент грузов, образующих осесимметричное статору тело вращения, и изолирующую прокладку, расположенную между статором и ротором, пьезоэлемент выполнен в виде тонкостенного цилиндра, закрепленного на внутренней поверхности статора, при этом деформирующие пьезоэлемент грузы расположены внутри этого цилиндра.This technical result is achieved due to the fact that in a known piezoelectric current source containing a stator made in the form of a body of revolution with a piezoelectric element attached to it with collectors, and a rotor made in the form of loads deforming a piezoelectric element of loads, forming an axisymmetric stator body of rotation, and an insulating gasket located between the stator and the rotor, the piezoelectric element is made in the form of a thin-walled cylinder mounted on the inner surface of the stator, while the loads deforming the piezoelectric element are located wife inside this cylinder.

Причем деформирующие пьезоэлемент грузы выполнены в форме призм с внешними радиальными основаниями, повторяющими внутреннюю поверхность тонкостенного цилиндра.Moreover, the piezoelectric deforming loads are made in the form of prisms with external radial bases repeating the inner surface of a thin-walled cylinder.

Внешнюю поверхность цилиндрического пьезоэлемента покрывают диэлектриком, а токоотводы прикрепляют к внешней и внутренней поверхности пьезоэлемента и выводят наружу через диэлектрическое покрытие.The outer surface of the cylindrical piezoelectric element is coated with a dielectric, and the collectors are attached to the external and internal surface of the piezoelectric element and output through the dielectric coating.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 схематически представлено осесимметричное инерционное тело, вращающееся с угловой скоростью ω; на фиг.2 - схема генератора; на фиг.3 - схема источника тока по дополнительному пункту формулы изобретения.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 schematically shows an axisymmetric inertial body rotating with an angular velocity ω; figure 2 - diagram of the generator; figure 3 is a diagram of a current source according to an additional claim.

Для пояснения сущности изобретения на фиг.1 схематически изображено осесимметричное инерционное тело, вращающееся с угловой скоростью ω. Характер вращательного движения инерционного тела усложнен возникающими в процессе вращения явлениями прецессии и нутации.To clarify the invention, Fig. 1 schematically shows an axisymmetric inertial body rotating with an angular velocity ω. The nature of the rotational motion of the inertial body is complicated by the phenomena of precession and nutation that occur during rotation.

Генератор (фиг.2) состоит из цилиндрического тонкостенного пьезоэлемента 1, закрепленного на внутренней поверхности корпуса (статор) 2, выполненного в виде тела вращения, и ротора 3, выполненного в виде деформирующих пьезоэлемент 1 грузов и расположенных внутри пьезоэлемента 1, образующих при этом осесимметричное статору 2 тело вращения. Деформирующие грузы (ротор) 3 имеют форму призм с внешним радиальным основанием, повторяющим сопрягаемую радиальную форму внутренней поверхности пьезоэлемента. Форма грузов 3 позволяет достигать равномерного нагружения пьезоэлемента при возникновении центробежных ускорений.The generator (figure 2) consists of a cylindrical thin-walled piezoelectric element 1, mounted on the inner surface of the housing (stator) 2, made in the form of a body of revolution, and a rotor 3, made in the form of loads deforming the piezoelectric element 1 and located inside the piezoelectric element 1, forming axially symmetric stator 2 body rotation. Deforming loads (rotor) 3 are in the form of prisms with an external radial base, repeating the mating radial shape of the inner surface of the piezoelectric element. The shape of the cargo 3 allows you to achieve uniform loading of the piezoelectric element when centrifugal accelerations occur.

Грузы 3 между собой механически не связаны и могут перемещаться в радиальном направлении относительно продольной оси корпуса (статора) 2 в пределах линейной радиальной деформации пьезоэлемента 1.The loads 3 are not mechanically interconnected and can move in the radial direction relative to the longitudinal axis of the housing (stator) 2 within the linear radial deformation of the piezoelectric element 1.

Между корпусом (статором) 2 и ротором 3 расположена изолирующая прокладка (не показана).Between the housing (stator) 2 and the rotor 3 is an insulating gasket (not shown).

Для электрической изоляции и возможности отбора напряжения на внутренней и внешней цилиндрических поверхностях пьезоэлемента 1 монтируются электроды 4 с прикрепленными проводниками-токоотводами 5 и устанавливается внешний диэлектрик 6 (фиг.3).For electrical insulation and the possibility of voltage selection on the inner and outer cylindrical surfaces of the piezoelectric element 1, electrodes 4 are mounted with attached conductors-down conductors 5 and an external dielectric 6 is installed (Fig. 3).

Генератор работает следующим образом.The generator operates as follows.

При вращении корпуса инерционного тела (статора) (вид А-А на фиг.1) относительно продольной оси с собственной угловой скоростью ω, возникает сила центробежного ускорения F_Ц, с которой деформирующие грузы (ротор) 3 воздействуют на внутреннюю цилиндрическую поверхность пьезоэлемента 1. На внешнюю цилиндрическую поверхность пьезоэлемента 1 действует сила реакции F_Р корпуса (статора) 2. При постоянной угловой скорости вращения корпуса (статора) 2 возникающая в результате общая равнодействующая сила вызывает радиальную деформацию пьезоэлемента 1. При радиальной деформации пьезоэлемента на его электродах, вследствие прямого пьезоэффекта, возникают заряды, образующие разности потенциалов на его внутренней и внешней цилиндрических поверхностях. Разность потенциалов определяется угловой скоростью вращения корпуса (ротора) и, как следствие, пропорциональна величине радиальной деформации пьезоэлемента. Вследствие нутации, возникающей в результате вращения корпуса (ротора) 2, изменение величины разности потенциалов будет иметь переменный синусоидальный характер. Для исключения электрических потерь пьезоэлемента и токоведущих элементов в конструкции генератора предусмотрено применение диэлектрического изолятора.When the body of the inertial body (stator) rotates (view AA in Fig. 1) relative to the longitudinal axis with its own angular velocity ω, the centrifugal acceleration force F _C arises, with which the deforming loads (rotor) 3 act on the inner cylindrical surface of the piezoelectric element 1. on the outer cylindrical surface of the piezoelectric element 1 acts reaction force F _R housing (stator) 2. When a constant angular velocity of rotation of the housing (stator) 2 resulting from the total resultant force causes radial deformation of the piezoelectric element 1. When the radial deformation piezoelectric element at its electrodes, by direct piezoelectric effect, there are charges forming a potential difference at its inner and outer cylindrical surfaces. The potential difference is determined by the angular velocity of rotation of the housing (rotor) and, as a result, is proportional to the magnitude of the radial deformation of the piezoelectric element. Due to nutation resulting from rotation of the housing (rotor) 2, a change in the potential difference will have a variable sinusoidal character. To exclude electrical losses of the piezoelectric element and current-carrying elements in the design of the generator, the use of a dielectric insulator is provided.

Данный источник питания позволяет достичь поставленный технический результат и применить разработанный источник для свободновращающихся инерционных тел.This power source allows you to achieve the technical result and apply the developed source for freely rotating inertial bodies.

Источники информацииInformation sources

1. Ерофеев А.А. и др. Пьезоэлектрические трансформаторы и их применение в радиоэлектронике. - М., 1988, с.10-12, рис.1.1.2.ж. SU 320839 A, 17.02.1972. JP 51-31155 A, 04.09.1976. JP 51-43756 A, 24.11.1976.1. Erofeev A.A. Piezoelectric transformers and their use in radio electronics. - M., 1988, pp. 10-12, fig. 1.1.2.zh. SU 320 839 A, 02.17.1972. JP 51-31155 A, 09/04/1976. JP 51-43756 A, 11.24.1976.

2. Самойлов Валерий Михайлович; Черняев Виктор Николаевич. Пьезоэлектрический генератор постоянного тока. - М. 1993.03.19. Патент Российской Федерации RU 2113757 - прототип.2. Samoilov Valery Mikhailovich; Chernyaev Victor Nikolaevich. Piezoelectric dc generator. - M. 1993.03.19. Patent of the Russian Federation RU 2113757 - prototype.

3. Козлов В.И. Конструкции ВУ. ЦНИИНТИ, 1983.3. Kozlov V.I. Designs WU. TSNIINTI, 1983.

4. Гольдин А.С. Вибрация роторных машин. - М.: Машиностроение, 1999. - 344 с.4. Goldin A.S. Vibration of rotary machines. - M.: Mechanical Engineering, 1999 .-- 344 p.

Claims (3)

1. Встроенный пьезоэлектрический источник переменного тока для свободновращающихся инерционных осесимметричных тел, содержащий статор в виде тела вращения с закрепленным на нем пьезоэлементом с токоотводами и ротор в виде деформирующих пьезоэлемент грузов, образующих осесимметричное статору тело вращения, и изолирующую прокладку, расположенную между статором и ротором, отличающийся тем, что пьезоэлемент выполнен в виде тонкостенного цилиндра, закрепленного на внутренней поверхности статора, при этом деформирующие пьезоэлемент грузы расположены внутри этого цилиндра.1. The built-in piezoelectric AC source for freely rotating inertial axisymmetric bodies, containing a stator in the form of a body of revolution with a piezoelectric element attached to it with current leads and a rotor in the form of loads deforming a piezoelectric element of loads, forming an axisymmetric stator body of revolution, and an insulating gasket located between the stator and the rotor, characterized in that the piezoelectric element is made in the form of a thin-walled cylinder mounted on the inner surface of the stator, while the load deforming the piezoelectric element We are located inside this cylinder. 2. Встроенный пьезоэлектрический источник переменного тока для свободновращающихся инерционных осесимметричных тел по п.1, отличающийся тем, что деформирующие пьезоэлемент грузы выполнены в форме призм с внешними радиальными основаниями, повторяющими внутреннюю поверхность тонкостенного цилиндра.2. The built-in piezoelectric AC source for freely rotating inertial axisymmetric bodies according to claim 1, characterized in that the piezoelectric deforming loads are made in the form of prisms with external radial bases repeating the inner surface of a thin-walled cylinder. 3. Встроенный пьезоэлектрический источник переменного тока для свободновращающихся инерционных осесимметричных тел по п.1, отличающийся тем, что внешнюю поверхность цилиндрического пьезоэлемента покрывают диэлектриком, а токоотводы прикрепляют к внешней и внутренней поверхности пьезоэлемента и выводят наружу через диэлектрическое покрытие. 3. The built-in piezoelectric AC source for freely rotating inertial axisymmetric bodies according to claim 1, characterized in that the outer surface of the cylindrical piezoelectric element is coated with a dielectric, and the collectors are attached to the outer and inner surface of the piezoelectric element and brought out through the dielectric coating.

Images