Пьезоэлектрический генератор электрической мощности. Пьезоэлектрический генератор

Пьезоэлектрический генератор электрической мощности

Экология потребления.Наука и техника:Идея использовать пьезоэлектрический мотор в качестве генератора мощности долго обходилась без должного внимания. Причина в том, что, согласно этой идее, один тип колебаний принудительно должен возбуждаться в одной из частей пьезоэлемента.

Ажиотаж в мире в отношении создания пьезоэлектрических источников энергии до недавнего времени не отличался высоким уровнем изобретательских предложений. Например, учёные Израиля предлагают монтировать пьезоэлементы в дорожном полотне и использовать энергию проезжающих машин. В Японии пол одного из залов метро покрыт пьезоэлементами. Эти и подобные им проекты генераторов напряжения не выдерживают никакой критики с экономической точки зрения. Причина в следующем.

Тридцать ватт отбираемой от пьезоэлемента мощности (ватт на грамм пьезоэлемента) в непрерывном режиме при напряжении 300В было достаточно, чтобы питать люминесцентную лампу. Для этого энергия вращающегося колеса преобразовывается в изгибные ультразвуковые колебания камертона выполненного на одном из концов пакета Ланжевена, и затем, за счёт пьезоэффекта, в электрические колебания высокой частоты.

То есть, с помощью пьезоэлементов можно создавать не только электрические генераторы напряжения, но и генераторы мощности.

Идея использовать пьезоэлектрический мотор в качестве генератора мощности долго обходилась без должного внимания. Причина в том, что, согласно этой идее, один тип колебаний принудительно должен возбуждаться в одной из частей пьезоэлемента. Эту часть назовём возбудителем. Для этого, помимо механического воздействия, используется отдельный источник питания. Второй тип колебаний должен генерироваться в другой части пьезоэлемента, за счёт принудительного вращения ротора. Эту часть пьезоэлемента назовём генератором.

Испытания опытных образцов подтвердили возможность получения энергии в генераторе. Но мощность генератора должна быть в несколько раз больше мощности отбираемой от источника питания возбудителя. Иначе в таком генераторе нет смысла. Вот как раз это долго и не получалось.

Лишь только относительно недавно Вячеслав Лавриненко, изобретатель пьезоэлектрического мотора, пенсионер, работая у себя дома после тщательной подборки материалов пьезоэлемента и контактных пар смог получить полезную мощность на нагрузке в несколько раз больше, мощности, отбираемой от источника питания. Появилась возможность часть мощности генератора направить в возбудитель и убрать дополнительный источник питания. Эту задачу он решал двумя способами.

По первому способу измерял амплитуду и фазу на входе возбудителя и с помощь реактивных элементов подгоняли под такую же амплитуду и фазу напряжение на выходе генератора. То есть, как и в обычных электрических генераторах выполнялись условия баланса амплитуды и фазы. Когда эти условия были выполнены, выход замыкался с входом.

По второму способу напряжение с генератора преобразовывалось в постоянное напряжение, которым питался усилитель мощности и маломощный генератор переменного напряжения. По мере того, как удалось устойчиво получать полезную мощность в пределах 0,2 Ватта на грамм пьезоэлемента, Лавриненко обнаруживает интересный эффект, соизмеримый в физике с открытием, который он сформулировал так:

То есть, при фрикционном взаимодействии упомянутых тел существует положительная обратная связь. Появление случайных колебаний образуют эллипс, размеры которого увеличиваются при вращении колеса. Подобным образом в электрическом усилителе напряжения, охваченной положительной обратной связью спонтанно возбуждаются электрические колебания, и энергия источника постоянного напряжения преобразуется в переменное напряжение. Зависимость этого напряжения от скорости вращения имеет вид

Обнаруженный эффект значительно упрощает идею создания пьезоэлектрических генераторов мощности, причем мощность в 5 ватт на грамм пьезоэлемента становится вполне реальной. Будут ли они иметь преимущества перед электромагнитными генераторами можно будет сказать только со временем, по мере их изучения, хотя о некоторых из них можно говорить уже сейчас.

Отсутствие меди и обмоток – это надёжность в условиях повышенной влажности. Отсутствие тяжёлых металлов (меди и сплавов железа) – это высокие удельные параметры. Получаемый на выходе высокочастотный сигнал, легко трансформируется под любую нагрузку. А главное преимущество, что для любых частот вращения колеса не требуется редуктор. Достаточно лишь правильно рассчитать диаметр колеса.

При невозможности применения солнечных батарей, пьезоэлектрические генераторы мощности, используя энергию, мускул или ветра, могут их заменить, например, для зарядки аккумуляторов ноутбуков, планшетов и пр. Хотя актуальность направления очевидна, для его развития требуется достаточная финансовая поддержка, которой, как и у многих проектов наших стран, пока нет.

econet.ru

Полезная модель относится к преобразователям энергии, работающим на основе пьезоэлектрического эффекта и может быть использована в любой области техники в качестве маломощного источника тока для питания электронных систем.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка источника питания, работа которого основана на прямом пьезоэлектрическом эффекте.

Поставленные задачи решаются тем, что в пьезоэлектрическом генераторе, состоящем из пластины, жестко закрепленной с одной стороны, выполненной из пьезоэлектрического материала, к обеим сторонам которой через контакты подведены токопроводящие провода, на поверхностях пластины (верхней и нижней) выполнены токопроводящие дорожки (например, методом напыления), причем, токопроводящие дорожки, например, верхней поверхности параллельны, а токопроводящие дорожки нижней поверхности параллельны друг другу, но перпендикулярны токопроводящим дорожкам верхней поверхности.

На концах каждой токопроводящей дорожки размещены диоды, направленные в одну сторону. Катоды диодов соединены через один проводник, аноды диодов соединены через другой проводник, образуя диодные мосты, через которые происходит выпрямление напряжения.

Полезная модель относится к преобразователям энергии, работающим на основе пьезоэлектрического эффекта, и может быть использована в любой области техники в качестве маломощного источника тока для питания электронных систем.

Всем электронным устройствам необходим источник питания. Если устройство мобильное, то оно часто переносится или перевозится с места на место, при этом подвергаясь ударам и вибрациям. Преобразование естественной энергии (удара, вибрации и т.д.) в электрическую с применением пьезоэлектрического преобразователя является наиболее выгодным, так как плотность энергии у пьезоэлектриков выше, и высокое выходное напряжение.

Пьезоэлектрический генератор, преобразователь которого выполнен в виде пластины из пьезоэлектрического материала, представлен в заявке на изобретение «Пьезоэлектрический генератор» (RU, з.

93043190)

Изобретение относится к пьезоэлектрическим устройствам и может быть использовано для преобразования энергии ветра, волнения моря, течения воды, мускульной силы человека в электрическую энергию для обеспечения главным образом маломощных потребителей энергии. Устройство содержит основание, механический камертон, расположенный параллельно ему и консольно закрепленный на основании, причем одна ветвь камертона соединена с устройством нагружения, а другая ветвь - с преобразователем механических колебаний в электроэнергию. В качестве преобразователя использована незагруженная ветвь камертона (или обе ветви), выполненная в виде многослойной конструкции из пьезоэлектрических и иных материалов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является пьезоэлектрический генератор, описываемый в журнале «SMART MATERIALS AND STRUCTURES» (издательство - NSTITUTE OF

PHYSICS PUBLISHING),

13, 2004 г., стр. 1131-1142.

Генератор представляет собой жестко закрепленную с одной стороны пластину из пьезоэлектрика. Напряжение снимается с двух проводов, которые соединены с верхней и нижней плоскостями пластины.

Недостатками такого генератора являются:

- необходимость наличия преобразователя переменного напряжения в постоянное;

- при определенных частотах вибрации могут возникать две и более выпуклости пластины, которые называются узлами. Таким образом, на одной поверхности пластины могут возникнуть заряды разных знаков. Из-за того, что узлы объединены токопроводящим материалом, происходит компенсация зарядов, тогда энергия, полученная при вибрации пластины, будет либо мала, либо отсутствовать.

Задачей предлагаемой полезной модели является разработка источника питания, работа которого основана на прямом пьезоэлектрическом эффекте, лишенного перечисленных недостатков.

Поставленные задачи решаются тем, что в пьезоэлектрическом генераторе, состоящем из жестко закрепленной с одной стороны пластины из пьезоэлектрического материала, к обеим сторонам которой подведены токопроводящие провода, на поверхностях пластины (верхней и нижней) выполнены токопроводящие дорожки (например, методом напыления), причем, токопроводящие дорожки, например, верхней поверхности параллельны, а токопроводящие дорожки нижней поверхности параллельны друг другу, но перпендикулярны токопроводящим дорожкам верхней поверхности.

На концах каждой токопроводящей дорожки размещены диоды. Катоды диодов соединены через один проводник, аноды диодов соединены через другой проводник, образуя диодные мосты, через которые происходит выпрямление напряжения.

Такая конструкция пьезоэлектрического генератора имеет преимущества

по сравнению с прототипом:

1. Даже при образовании нескольких узлов на пластине можно получать электрическую энергию: разноименные заряды находящиеся на одной токопроводящей дорожке образуют «ноль» на одной стороне пластины, а с противоположной стороны пластины токопровдящими дорожками с соответствующих узлов происходит «съем» зарядов. (Фиг.3)

2. При помощи диодов, образующих диодные мосты, происходит выпрямление переменного напряжения, поступающего непосредственно с пьезоэлектрической пластины.

Предложенное техническое решение поясняется чертежами:

Фиг.1.- Пьезоэлектрический генератор,

Фиг.2. - Два узла пьезоэлектрического генератора (вид сверху),

Фиг.3. - Диодные мосты (при возникновении 2-х узлов)

Пьезоэлектрический генератор состоит из жестко закрепленной с одной стороны пластины (1), выполненной их пьезоэлектрического материала. На верхней и нижней плоскостях находятся токопроводящие дорожки (2), Токопроводящие дорожки одной плоскости параллельны. Токопроводящие дорожки разных плоскостей перпендикулярны. На концах каждой токопроводящей дорожки находятся диоды (3), направленные в одну сторону. Катоды диодов соединяются через проводник, аноды диодов соединяются через другой проводник, образуя диодные мосты с контактами (4).

Работает пьезоэлектрический генератор следующим образом:

при вибрации на пластине образуются узлы (выпуклости). В узлах на поверхностях пластин образуются заряды противоположных знаков. Через токопроводящие дорожки с пьезоэлектрической пластины снимается электрическая энергия. Выпрямление напряжения происходит через диодные мосты.

Таким образом, реализация предлагаемого технического решения обеспечивает выполнение поставленных задач.

Пьезоэлектрический генератор, состоящий из жестко закрепленной с одной стороны пластины, выполненной из пьезоэлектрического материала, диодов, контактов, отличающийся тем, что на верхней и нижней плоскостях пластины выполнены токопроводящие дорожки, причем токопроводящие дорожки одной плоскости параллельны, а токопроводящие дорожки разных плоскостей перпендикулярны, на концах каждой токопроводящей дорожки размещены диоды, направленные в одну сторону, катоды диодов соединяются через один проводник, аноды диодов соединяются через другой проводник, образуя диодные мосты.

poleznayamodel.ru

Пьезогенераторы. Устройство. Принцип действия. Особенности

С развитием технологий человечество начинает расходовать все меньше энергии понапрасну. Появились солнечные панели, ветровые электростанции, солнечные концентраторы, пьезогенераторы, суперконденсаторы и иные устройства, которые помогают людям получать альтернативную энергию и сохранять ее. Большинство из этих устройств уже используются в повседневной жизни.

Но наука не стоит на месте, в скором времени можно будет получать энергию с помощью повседневных и малозначительных движений. Это можно будет сделать при помощи пьезогенераторов. Ее вполне хватит, чтобы быстро зарядить телефон или плеер. Могут появиться и такие пьезогенераторы, которые будут подзаряжать, к примеру, наручные часы при помощи возбуждения, которое передается сердцебиением.

Устройство

В последние годы было создано несколько опытных образцов пьезогенераторов для различного применения. Они могут быть объединены в два различных класса, которые отличаются по типу колебаний, продольных и поперечных.

Пьезогенератор, работающий по продольной схеме колебаний. В данном устройстве одиночный пьезоэлемент монтируется в подкладку обуви, он позволяет генерировать определенную мощность энергии при быстром передвижении, к примеру, при беге человека. Данное устройство изобретено в техническом университете Луизианы и был выполнен в виде специального спирального пластинчатого пьезоэлемента.

На данный момент обеспечить надежность и долговечность подобного устройства затруднительно в виду хрупкости пьезокерамического материала. Однако данная идея может оказаться продуктивной при использовании гибких пьезополимерных пластин. Но подобные материалы на данный момент находятся на стадии исследований.

Не менее перспективны пьезогенераторы, работающие на изгибных колебаниях. Они также могут отличаться своей конфигурацией и конструктивным исполнением.

Для источников питания сравнительно большой мощности созданы опытные образцы макропьезогенераторов самых разных конструкций. К самым продвинутым разработкам подобного класса устройств можно отнести экспериментальную систему накопителей энергии, созданную на основе пьезогенераторов, которые вмонтированы в настил пола у билетных терминалов на входе в станции метро Marunouchi (Токио).
Известно устройство взрывного пьезогенератора, который включает;

1) устройство инициирования;2) генератор ударной волны;3) пьезоэлектрический преобразователь, выполненный из набора пьезопластин, соединенных параллельно;4) электроды, которые нанесены на противоположные грани пьезопластин, расположены перпендикулярно выходной поверхности генератора ударной волны;5) блок пьезопластин размещен в цилиндрический объем, у которого торцевая часть совпадает с поверхностью генератора ударной волны;6) генератор ударной волны выглядит как аксиально симметричная конструкция, она выполнена из слоя взрывчатого вещества, конического алюминиевого лайнера и конической алюминиевой крышки.

Принцип действия

Пьезоэффект, который применяется в пьезогенераторах, заключается в том, что в устройстве имеется специальный диэлектрик, к которому прикладываются механические напряжения. В результате диэлектрик на двух разных концах создает разницу потенциалов. В итоге, создавая давление на подобный пьезоэлемент, можно на выходе получить электрическое напряжение определенной величины.

Пьезоэффект также может вызывать и обратное преобразование, то есть обеспечить превращение электрической энергии в механическую, к примеру, для создания звуковых излучателей. По типу применяемого соотношения между вектором поляризации пьезоэлемента и направлением механических колебаний пьезогенераторы можно разделить на классы с поперечным и продольным направлением механического воздействия.

Если рассматривать физику процессов, которые происходят в пьезоэлектрике, подробней, то все выглядит довольно просто. Для этого нужно только понимать принципы генерации энергии пьезоэлектрическими материалами:

При механическом воздействии на пьезоэлемент наблюдается смещение атомов в его материале, то есть в несимметричной кристаллической решетке.
Данное смещение приводит к появлению электрического поля, которое приводит к индукции зарядов на электродах пьезоэлемента.

В отличие от стандартного конденсатора, обкладки которого способны сохранять заряды весьма долго, индуцированные заряды пьезогенератора сохраняются до момента, пока не перестает действовать механическая нагрузка. Именно в течение данного периода от элемента можно получать энергию. Как только нагрузка снимается, индуцированные заряды исчезают.

Явление пьезоэлектричества открыто братьями Пьером и Джексоном Кюри в 1880 году, с того времени оно широкое распространение в измерительной технике и радиотехнике. Термин «пьезогенераторы» характеризует лишь направление преобразования энергии, а не эффективность превращения. Именно с явлением, связанным с генерацией электричества в случае механического воздействия, заинтересовались инженера и изобретатели в последние годы. Начали появляться сообщения о возможностях получения электрической энергии при помощи воздействия разной механической энергии:

Движение волн и ветра.
Воздействие уличного шума.
Нагрузки от перемещения машин и людей.
Сердцебиение и так далее.

На основе всех этих вариантов стали придумываться различные изобретения. Многие из них уже нашли применение, а некоторые на данный момент находятся в планах, так как технологии не достигли требуемого уровня.

Применения и особенности

На текущий момент известно несколько вариантов практического применения пьезогенераторов:

В пьезозажигалках с целью высокого напряжения на специальном разряднике от движения пальца. Сегодня любой курильщик может носить в кармане собственную «электростанцию».
В качестве чувствительного элемента в приемных элементах сонаров, микрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, гидрофонах.
В контактном пьезоэлектрическом взрывателе, к примеру, к выстрелам гранатомета РПГ-7.
В датчиках в виде чувствительного к силе элемента, к примеру, датчиках давления газов и жидкостей, силоизмерительных датчиках и так далее.

Обратный пьезоэлектрический эффект может применяться:

В пьезокерамических излучателях звука, к примеру, музыкальные открытки, всевозможные оповещатели, которые используются в самых разных бытовых устройствах от стандартных наручных часов до техники на кухне.
В системах сверхточного позиционирования, к примеру, позиционер перемещения головки винчестера, в сканирующем туннельном микроскопе в системе позиционирования иглы.
В излучателях гидролокаторов (сонарах).
В ультразвуковых излучателях для ультразвуковой гидроочистки (промышленные ультразвуковые ванны, ультразвуковые стиральные машины).
В пьезоэлектрических двигателях.
В струйных принтерах для подачи чернил.
В адаптивной оптике с целью изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала.

Обратный и прямой эффект пьезогенераторов одновременно используются:

В датчиках на специальных поверхностных акустических волнах.
В ультразвуковых линиях задержки специальных электронной аппаратуры.
В приборах на эффекте специальных поверхностных акустических волн.
В пьезотрансформаторах с целью изменения напряжения высокой частоты.
В кварцевых резонаторах, применяемых в качестве эталона частоты.

Большинство из применяемых пьезогенераторов вырабатывают небольшой ток. Отдельные пьезоэлементы могут генерировать высокое напряжение, которое пробивает разрядный промежуток, затем ток поступает на выпрямитель, после чего в накопительное устройство, к примеру, ионистор.

Достоинства и недостатки

Среди преимуществ пьезогенераторов можно выделить:

Длительный срок службы.
Небольшие габариты.
Мобильность.
Отсутствие отходов, а также загрязнения окружающей среды.
Независимость от погодных и природных условий.
Не требует выделения дополнительных площадей.
Широкая применяемость пьезогенераторов в самых разных устройствах.
Отличное решение в качестве источника электрических зарядов, контроля изоляции, источника высокого напряжения с целью воспламенения и многих других. В некоторых случаях применение пьезогенераторов целесообразно в качестве микромощных источников питания. Максимальное напряжение, которое могут выдавать пьезоэлектрические генераторы, в большинстве случаев не превышает 1,6 В, чего вполне хватает для небольших источников света, мобильных плееров или мобильных коммуникационных аппаратов.

Среди недостатков пьезогенераторов можно выделить:

Небольшой ток. Пьезогенератор является преобразователем, но не источником электроэнергии.
Выработка электрического заряда только в момент механического воздействие. Ток идет краткосрочный, что требует внедрение в ряд устройств дополнительных элементов. В результате конструкция усложняется, а значит, утрачивает свою надежность.
На текущий момент времени пьезоэлектрические генераторы не могут использоваться для питания мощных устройств.

Перспективы

Развитие технологий в ближайшем будущем позволит использовать пьезогенераторы мощности в случае невозможности применения солнечных батарей. Они смогут эффективно заменить их, для этого потребуется энергия ветра, моря или мускул. Вырабатываемой энергии вполне будет хватать для зарядки аккумуляторов планшетов, ноутбуков и возможно для питания целого дома.
Сегодня проводятся опыты по созданию систем с пьезогенераторами, которые могли бы получать энергию от движущегося автотранспорта. По подсчетам ученых километр автобана способен генерировать электрическую мощность, равную 5 МВт. Однако на текущий момент прорыв в этой области альтернативной энергетики останавливает недостаточное развитие технологий.
В обозримом будущем будет возможно подзаряжать плеер, мобильный телефон или иное устройство, просто положив его в карман. А сердцебиение человека сможет стать источником тока, к примеру, для портативного датчика артериального давления. Подобные революционные перспективы открываются благодаря созданию плоских миниатюрных «наногенераторов», которые могут при тряске, сгибании или сжатии вырабатывать то же напряжение, что и стандартная батарейка АА.

Похожие темы:

electrosam.ru

Пьезоэлектрический генератор электрической мощности / Хабр

За один щелчок электрозажигалки, который длится примерно 0,1 наносекунды, выделяется мощность более 2 мегаватт. То есть мощность за секунду равна 0,2 ватта. Если бы можно было сделать 1000 щелчков в секунду, то получили бы мощность 200 ватт. Мощность большая, но как сделать 1000 щелчков в секунду. Это невозможно, но вот прижать пьезоэлемент к гладкому вращающемуся колесу 20 и более тысяч раз можно, возбуждая в нём ультразвуковые колебания. Это хотя бы доказывает ниже приведенный рисунок (рис.1). Тридцать ватт отбираемой от пьезоэлемента мощности (ватт на грамм пьезоэлемента) в непрерывном режиме при напряжении 300В было достаточно, чтобы питать люминесцентную лампу. Для этого энергия вращающегося колеса преобразовывается в изгибные ультразвуковые колебания камертона выполненного на одном из концов пакета Ланжевена, и затем, за счёт пьезоэффекта, в электрические колебания высокой частоты.

Идея использовать пьезоэлектрический мотор в качестве генератора мощности (рис.2) долго обходилась без должного внимания. Причина в том, что, согласно этой идее, один тип колебаний принудительно должен возбуждаться в одной из частей пьезоэлемента. Эту часть назовём возбудителем. Для этого, помимо механического воздействия, используется отдельный источник питания. Второй тип колебаний должен генерироваться в другой части пьезоэлемента, за счёт принудительного вращения ротора. Эту часть пьезоэлемента назовём генератором.

Лишь только относительно недавно Вячеслав Лавриненко, изобретатель пьезоэлектрического мотора, пенсионер, работая у себя дома после тщательной подборки материалов пьезоэлемента и контактных пар смог получить полезную мощность на нагрузке в несколько раз больше, мощности, отбираемой от дополнительного источника питания. Появилась возможность часть мощности генератора направить в возбудитель и убрать дополнительный источник. Эту задачу он решал двумя способами.

В двух, совмещённых в одном теле, резонаторах взаимно перпендикулярных акустических колебаний, с частотами резонанса смещёнными друг относительно друга для создания сдвига фаз между колебаниями при их возбуждении спонтанно генерируются взаимно поперечные колебания на частоте между упомянутыми резонансными частотами при фрикционном взаимодействии тела с другим телом, например, с вращающимся колесом. То есть, при фрикционном взаимодействии упомянутых тел существует положительная обратная связь. Появление случайных колебаний образуют эллипс, размеры которого увеличиваются при вращении колеса. Подобным образом в электрическом усилителе напряжения, охваченной положительной обратной связью спонтанно возбуждаются электрические колебания, и энергия источника постоянного напряжения преобразуется в переменное напряжение. Зависимость этого напряжения от скорости вращения имеет вид, показанный на рис.3.

habr.com

пьезоэлектрический генератор постоянного тока - патент РФ 2113757 -

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, который приводится в движение от механической энергии, и статор, на котором закреплены один или несколько дисковых биморфных пьезоэлементов. С помощью закрепленных на роторе роликов осуществляется круговая деформация пьезоэлемента. В результате вследствие прямого пьезоэффекта на электродах пьезоэлемента генерируется постоянное напряжение. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. Изобретение относится к электромеханическим преобразователям энергии, а именно к преобразователям, работающим на основе применения пьезокерамических материалов. Изобретение может быть использовано в качестве маломощного источника постоянного тока в устройствах с приводом от энергии ветра, пара, воды, мускульной силы и др. в промышленности, сельском хозяйстве, быту. Базовым элементом большинства известных в нестоящее время преобразователей является электромагнитный механизм. Благодаря длительной истории развития и эксплуатации они доведены до конструктивного совершенства. В то же время недостатки электромагнитных преобразователей известны: это относительно большая масса, применение 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. Практика проектирования преобразователей показывает, что в настоящее время многие электромагнитные механизмы могут быть заменены твердотельными, пьезокерамическими, при этом удается существенно улучшить многие качественные показатели. Так, достигаются большая надежность, снижение массогабаритных показателей, технологичность и на базе этого более низкая стоимость, высокий КПД преобразования. Одним из таких устройств является пьезокерамический генератор постоянного тока, выбранный в качестве прототипа. Этот генератор имеет цилиндрический тонкостенный пьезоэлемент, два деформирующих ролика и два токосъемника. 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. Недостатками этого устройства являются малая надежность вследствие того, что тонкослойное покрытие - электроды пьезоэлемента - быстро будет выведено из строя катящимися нажимными и токосъемными роликами; сложность конструкции; малая эффективность преобразования вследствие того, что при деформации цилиндра в нем имеются зоны сжатия и расширения, в которых при односторонней радиальной поляризации будут возникать одновременно положительные и отрицательные заряды на одном электроде, что приведет к их частичному суммированию, при этом снижается эффективность преобразования. Эти недостатки отсутствуют в заявленном устройстве пьезоэлектрического генератора постоянного тока, в котором пьезоэлемент выполнен в виде плоского биморфного диска, закрепленного в центре диска и деформируемого в осевом направлении двумя установленными на роторе роликами через гибкую изолирующую прокладку. При этом достигаются существенное упрощение устройства, повышение технологичности, надежности и эффективности преобразования. Так, при деформации в одном направлении плоского биморфного диска, пластины которого поляризованы, на электродах генерируются заряды, при этом на электродах в зонах сжатия пьезоматериала - потенциал одного знака, на электродах в зонах растяжения - другого. Зоны сжатия и растяжения находятся на разных сторонах диска пьезоэлемента, и поэтому заряды "+" и "-" разделены. Это позволяет снимать напряжение без контактных роликов, прямо с электродов пьезоэлемента. Для повышения надежности, уменьшения износа деформация пьезоэлемента нажимными роликами производится через гибкую прокладку, закрепленную по краю биморфного диска. Эта прокладка может быть выполнена в виде мембраны, разделяющей зону привода деформирующих роликов и зону пьезоэлемента. При необходимости разделения зон, например, воздуха и вакуума, воздуха и воды прокладка будет выполнять функцию разделительной мембраны. Преимущество плоского дискового элемента заключается еще и в том, что легко реализуется путем применения множества элементов увеличение мощности, получение различных уровней напряжения и уменьшение синфазной составляющей постоянного напряжения. Это достигается путем установки двух и более биморфных дисковых элементов, закрепленных в центре соосно, с возможностью поворота в месте закрепления. При этом генерируемые напряжения в различных пьезоэлементах могут быть суммированы с противофазой по синфазной составляющей напряжения при повороте одного из элементов с последующим его закреплением. Возникновение синфазной составляющей связано с погрешностями в пьезоматериале, поляризации, эксцентриситетом установки диска пьезоэлемента и деформирующих роликов. В многоэлементом пьезоэлектрическом генераторе могут быть получены различные уровни напряжений путем соединения электродов пьезоэлементов в электрическую цепь последовательно и параллельно. Указанные признаки изобретения являются существенными, т.е. влияющими непосредственно на результат, который может быть получен при осуществлении изобретения. На фиг.1 изображен схематически пьезоэлектрический генератор постоянного тока с одним элементом; на фиг.2 - то же с несколькими пьезоэлементами. Генератор (фиг. 1) имеет ротор 1 с деформирующими роликами 2, биморфный дисковый пьезоэлемент 3, закрепленный с помощью полого штыря 4 на статоре 5. Знаками "+" и "-" на фигурах показано направление поляризации пластин пьезоэлемента. В креплении пьезоэлемента 3 имеются изолирующие шайбы 6, по краю диска пьезоэлемента 3 закреплена гибкая изолирующая прокладка 7, которая, как уже указано выше, может быть выполнена в виде герметизирующей мембраны. В многоэлементном варианте генератора (фиг. 2) пьезоэлементы закреплены на штыре и отделены друг от друга изолирующими шайбами 6, по краю каждого элемента закреплены гибкие прокладки 7. Генератор работает следующим образом. При вращении ротора 1 от внешнего источника механической энергии ролики 2, которые установлены относительно дисковых пьезоэлементов таким образом, что обеспечивается их деформация, прокатываются по прокладке 7. При деформации пьезоэлемента 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. Ролики 2 прокатываются по поверхности гибкой прокладки 7. В генераторе могут быть получены два уровня напряжения: 1 - между внешними электродами; 2 - между одним из внешних электродов и средним электродом пьезоэлемента, потенциал которого равен нулю. В одноэлементном генераторе и в многоэлементом прокладка 7 первого элемента имеет функции защиты электрода пьезоэлемента от воздействия со стороны деформирующих роликов 2, изоляции электрода от замыкания через ролики и благодаря гибкости уменьшения потерь энергии на деформацию. Прокладки второго и других элементов в многоэлементном генераторе имеют функции изоляции электродов соседних элементов и передачи деформирующего усилия без существенного, благодаря гибкости прокладки, увеличения потерь мощности на ее деформацию. Электроды разных пьезоэлементов можно соединять в электрическую цепь последовательно и параллельно, получая различные уровни генерируемого напряжения. Благодаря закреплению пьезоэлементов 3 с возможностью поворота в значительной степени компенсируется синфазная составляющая генерируемого напряжения. Возможность осуществления изобретения подтверждается макетированием с применением дискового диморфного элемента, склеенного из двух пьезокерамических пластин толщиной 0,3 мм, диаметром 65 мм на металлической подложке. Практически осуществимо изготовление дисковых пьезоэлементов для изготовления генератора большой мощности. Проведены проектные работы по созданию многоэлементного генератора для ветроэнергетической силовой установки.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Пьезоэлектрический генератор постоянного тока, содержащий статор, на котором закреплен пьезоэлемент, имеющий форму тела вращения, и ротор, выполненный в виде вала, на котором закреплены два деформирующих пьезоэлемент ролика, отличающийся тем, что в нем пьезоэлемент выполнен в виде закрепленного в центре биморфного диска, по краю которого, в зоне контакта с деформирующими роликами, имеется гибкая изолирующая прокладка. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в нем на статоре соосно установлены дополнительные один или несколько биморфных дисковых пьезоэлементов, закрепленных в центре с возможностью поворота и отделенных друг от друга в центре изолирующими шайбами, а по краю гибкими изолирующими прокладками. 3. Генератор по п. 2, отличающийся тем, что в нем электроды пьезоэлементов соединены последовательно. 4. Генератор по п. 2, отличающийся тем, что в нем электроды пьезоэлементов соединены параллельно.

www.freepatent.ru

Генератор тока из пьезоэлемента

Многим людям знакомы пьезоэлементы, называемые иногда пищалками. Они не предназначены для генерации электричества, но подходят в учебных целях для демонстрации эффекта. Простые и дешевые. Если припаять светодиод и тихонько постучать, то получается яркое свечение. А если поставить диодный мостик, то отбор электричества можно удвоить. Только у них мизерный, но для светодиодов в самый раз. Если поставить параллельно конденсатор с выключателем, электроэнергию можно накапливать и использовать в нужный момент. Получается генератор тока. Но главная проблема в том, где взять механическую энергию для деформации пьезокристалла, чтобы не стучать пальцем. И желательно с более высокой частотой.

генератор из пьезоэлемента

Сразу подумал о звуковых колебаниях. И даже собрал маленький термо звуковой генератор из пробирки. Но несмотря на громкий звук, напряжение на кристалле было крайне низким. Для хорошего эффекта нужна более сильная деформация, например можно наклеить пьезоэлемент на линейку. Заставить вибрировать. Вот это уже другое дело! Теперь бы еще найти дармовой источник энергии для таких колебаний. Но может быть ветер. Однако потом пришла другая идея. Заминировал пьезоэлемент скотчем с обеих сторон, припаял длинный провод, поставил мостик и четыре светодиода. А потом опустил в ванную под тонкую струю воды, которая разбивается на капли перед самым падением на пьезоэлементе. Получилось вполне неплохо, учитывая невысокую кинетическую энергию капель. Если разместить много таких элементов на крыше дома, то хороший дождь мог бы генерировать неплохое количество электроэнергии.

Но есть ещё один интересный способ получить механические колебания. В одном из роликов автор канала показывал самобеглый шарик. Если его разогреть и просто положить на сверх ровную поверхность, а лучше в небольшую канавку, то он начинает вибрировать или подпрыгивать. Причём с высокой частотой. Получается термогенератор, который вполне можно скрестить с пьезоэлементом. Хотя вертикальное расположение не самое удачное. Ведь шарик подпрыгивает не на одной точке, а перепрыгивает с одной на другую. А это уже горизонтальное движение.

Генератор из пьезоэлемента

Идеально было бы подвесить его между двумя свинцовыми конусами, направленными друг к другу своими вершинами. А уже в основании этих конусов поставить пьезоэлементы. И всё это на жестком основании. Шарик бьется между вершинами конусов и превращает механическую энергию в электрическую. Возможно, вы знаете какие-то другие источники механических колебаний, напишите в комментариях.

Видео канала «Игорь Белецкий».

izobreteniya.net

Пьезоэлектрический генератор постоянного тока на основе эффекта казимира

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.

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.

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.