пьезоэлектрический генератор постоянного тока на основе эффекта казимира

Формула изобретения

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

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к преобразователям энергии, работающим на основе применения пьезокерамических материалов, и может быть использовано в любой области техники в качестве маломощного источника тока. Сущность: генератор содержит ротор с диском или барабаном, который приводится во вращательное движение, и статор, на котором закреплены пьезоэлементы. При вращении ротора с помощью металлических пластин закрепленных на диске или барабане и пьезоэлементах осуществляется периодическая деформация последних за счет эффекта Казимира. Вследствие прямого пьезоэффекта на электродах пьезоэлеменов генерируется переменное напряжение, которое затем может быть преобразовано в постоянное.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ГЕНЕРАТОР РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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