CZ308206B6 - Auxetic structure with electromechanical conversion - Google Patents
Auxetic structure with electromechanical conversion Download PDFInfo
- Publication number
- CZ308206B6 CZ308206B6 CZ2019-284A CZ2019284A CZ308206B6 CZ 308206 B6 CZ308206 B6 CZ 308206B6 CZ 2019284 A CZ2019284 A CZ 2019284A CZ 308206 B6 CZ308206 B6 CZ 308206B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- webs
- auxetic
- auxetic structure
- elements
- adjacent
- Prior art date
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 13
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 5
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 19
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 3
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 2
- 241001669679 Eleotris Species 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000012567 medical material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 210000001316 polygonal cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000001012 protector Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000011664 signaling Effects 0.000 description 1
- 239000002520 smart material Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 210000003537 structural cell Anatomy 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/186—Vibration harvesters
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
Abstract
Description
(7 3 ) Maj itel patentu:(7 3) Proprietor of the patent:
Vysoké učení technické v Brně, Brno, CZ (72) Původce:Brno University of Technology, Brno, CZ (72)
doc. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D., Kelč, CZ (74) Zástupce:doc. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D., Kelč, CZ (74) Representative:
Ing. Libor Markes, patentový zástupce, GrohovaIng. Libor Markes, patent attorney, Grohova
54, 602 00 Brno (54) Název vynálezu:54, 602 00 Brno (54) Title of the invention:
Auxetická struktura s elektromechanickou přeměnou (57) Anotace:Auxetic structure with electromechanical transformation (57)
Auxetická struktura s elektromechanickou přeměnu vnějšího silového působeni v jednom směruje tvořena vzájemně přesazenými řadami (1) tuhých stojin (2) proložených ohebnou membránou (3) stlaěenou mezi dvěma stojinami (2) téže řady stojinou (2) sousední řady (1). Přitom stojiny (2) jsou opatřeny v polovině délky dvěma rameny (5) vyčnívajícími kolmo v opačném směru proti sousedním stojinám (2). Mezi rameny (5) sousedních stojin (2) v řadě (1) je vložen element (6) ke zprostředkování elektromechanické přeměny, kterým může být piezoelektrický blok (7) opatřený elektrodami, piezoelektrický blok (7) ve formě vrstveného stacku (10) a/nebo magnetostrikční blok (11) ovinutý cívkou, případně umístěný mezi permanentními magnety.The auxetic structure with electromechanical conversion of external forces in one direction is formed by mutually offset rows (1) of rigid webs (2) interspersed with a flexible membrane (3) compressed between two webs (2) of the same row by a web (2) of an adjacent row (1). In this case, the webs (2) are provided in the middle of the length with two arms (5) projecting perpendicularly in the opposite direction to the adjacent webs (2). Between the arms (5) of adjacent webs (2) in a row (1) is inserted an element (6) for mediating electromechanical conversion, which may be a piezoelectric block (7) provided with electrodes, a piezoelectric block (7) in the form of a layered stack (10) and / or a coil-wound magnetostrictive block (11), optionally placed between the permanent magnets.
Auxetická struktura s elektromechanickou přeměnouAuxetic structure with electromechanical transformation
Oblast technikyField of technology
Vynález se týká kyberneticko-fýzikální auxetické struktury s přidanými prvky vykazující elektromechanickou přeměnu, která mechanickou energii proměnlivého tlaku působícího v jednom směru mění na elektrický signál, a naopak reaguje na přiváděné elektrické impulzy změnou svého vlastního prostorového uspořádání.The invention relates to a cybernetic auxetic structure with added elements having an electromechanical conversion which converts the mechanical energy of a variable pressure acting in one direction into an electrical signal and reacts to the supplied electrical impulses by changing its own spatial arrangement.
Dosavadní stav technikyPrior art
Auxetický materiál je materiál, jehož Poissonovo číslo má zápornou hodnotu. Znamenáte, že při stlačení v jednom směru dojde k zmenšení jeho rozměru i ve směru na tento směr kolmém. Je to důsledek vnitřní struktury takového materiálu. Typicky se Poissonovo číslo se změnou geometrie struktury mění.An auxetic material is a material whose Poisson's ratio has a negative value. This means that when pressed in one direction, its size is reduced in the direction perpendicular to this direction. This is due to the internal structure of such material. Typically, the Poisson's number changes as the geometry of the structure changes.
Je známa řada auxetických struktur sestávajících z buněk tvořených pevnými a pružnými stěnami uspořádaných v přesazených řadách nad sebou. Auxetické struktury nacházejí použití zejména tam, kde se požaduje speciální odezva materiálu na střídavý tlak, jako jsou podrážky sportovní obuvi, chrániče, zdravotnický materiál apod.A number of auxetic structures are known consisting of cells formed by solid and flexible walls arranged in staggered rows one above the other. Auxetic structures are used especially where a special response of the material to alternating pressure is required, such as the soles of sports shoes, protectors, medical material, etc.
Jednoduchá auxetická struktura, která tvoří součást textilie, je popsána v US 2018/0199651. Jedná se o soustavu polygonálních buněk vymezených horizontálními pásy a vertikálními sloupci.A simple auxetic structure that forms part of a fabric is described in US 2018/0199651. It is a system of polygonal cells delimited by horizontal bands and vertical columns.
Ze spisu CN 108470825 je známo zařízení k měření a úpravě akustického tlaku zvukových vln, které je tvořeno vrstvou magnetostrikčního substrátu, jenž má auxetickou strukturu. Na této vrstvě je upevněn tenký piezoelektrický film. Zařízení je opatřeno interdigitálním převodníkem. Je určeno ke zpracování akustického signálu.CN 108470825 discloses a device for measuring and adjusting the acoustic pressure of sound waves, which consists of a layer of magnetostrictive substrate having an auxetic structure. A thin piezoelectric film is attached to this layer. The device is equipped with an interdigital converter. It is designed to process an acoustic signal.
Dokument: Ferguson, W. J. G., Kuang, Y., Evans, K. E., Smith, C. W., & Zhu, M. (2018). Auxetic structure for increased power output of strain vibration energy harvester, sensors and astuators, https://doi.0rg/10.1016/j.sna.2018.09.019 uvádí auxetický piezoelektrický snímač energie ke zvýšení elektrického výkonu při využití energie napětí. Snímač je tvořen piezoelektrickým prvkem vázaným na auxetický podklad. Auxetický podklad koncentruje napětí působící na strukturu do piezoelektrického prvku, který je k ní připojen, a toto napětí navíc zvyšuje o laterální složku, čímž dochází ke zvýšení elektrického výkonu. Piezoelektrický snímač je prezentován vzorkem tvořeným jedinou auxetickou buňkou a připojenou piezoelektrickou deskou. Praktické využití se neřeší. Problematická se jeví multiplikace popsané buňky k vytvořeni plošné nebo prostorové struktury.Document: Ferguson, W. J. G., Kuang, Y., Evans, K. E., Smith, C. W., & Zhu, M. (2018). Auxetic structure for increased power output of strain vibration energy harvester, sensors and astuators, https: //doi.0rg/10.1016/j.sna.2018.09.019 introduces an auxetic piezoelectric energy sensor to increase electrical power using voltage energy. The sensor consists of a piezoelectric element bound to an auxetic substrate. The auxetic substrate concentrates the voltage acting on the structure into the piezoelectric element which is connected to it, and in addition increases this voltage by the lateral component, thus increasing the electrical power. The piezoelectric sensor is presented by a sample consisting of a single auxetic cell and an attached piezoelectric plate. Practical use is not addressed. The multiplication of the described cell to create a planar or spatial structure seems problematic.
Předmětem článku: Gui-rong DONG, Lai-xia YANG, Yang GAO, Dian-zi LIU: An Efficient Energy Absorbing Structure Inspired by Energy Harvesting Device, https://www.researchgate.net/publication/326787288 je pružný piezoelektrický převaděč biokinetické energie chůze na elektrický výkon. Je tvořen elastickou strukturou tvořenou opačně orientovanými kovovými žlaby, které svými okraji svírají plochý piezoelektrický prvek. Při stlačení žlabu se v piezoelektrickém prvku tvoří tahové napětí vyvolávající v něm elektrické napětí. Nejedná se zde o auxetickou strukturu.The subject of the article: Gui-rong DONG, Lai-xia YANG, Yang GAO, Dian-zi LIU: An Efficient Energy Absorbing Structure Inspired by Energy Harvesting Device, https://www.researchgate.net/publication/326787288 is a flexible piezoelectric biokinetic transducer walking energy for electric power. It consists of an elastic structure formed by oppositely oriented metal gutters, which clamp a flat piezoelectric element with their edges. When the trough is compressed, a tensile stress is created in the piezoelectric element, causing an electric voltage in it. This is not an auxetic structure.
- 1 CZ 308206 B6- 1 CZ 308206 B6
Snímač energie podle US 9030079 B1 využívající auxetický materiál je tvořen dvěma vodivými auxetickými vrstvami představujícími elektrody, mezi nimiž je vložena vrstva dielektrického auxetického elastomeru. Mechanické napětí z auxetické nevodivé vrstvy při jejím stlačení se přenáší na elektrody.The energy sensor according to US 9030079 B1 using an auxetic material is formed by two conductive auxetic layers representing electrodes, between which a layer of dielectric auxetic elastomer is inserted. The mechanical stress from the auxetic non-conductive layer during its compression is transmitted to the electrodes.
Vynález si klade za úkol navrhnout strukturu, která integrována do konkrétního objektu, zejména do strojního zařízení, umožní samostatné snímání vibrací dle vlastního generovaného signálu, generování elektrické energie, semiaktivní tlumení a při dodávání elektrické energie aktivní tlumení vibrací a případně i mikropolohování daného objektu.The object of the invention is to provide a structure which is integrated into a specific object, in particular into machinery, enables independent vibration sensing according to its own generated signal, electric power generation, semi-active damping and active vibration damping and possibly micro-positioning.
Podstata vynálezuThe essence of the invention
Uvedený úkol řeší auxetická struktura s elektromechanickou přeměnou vnějšího silového působení v jednom směru tvořená vzájemně přesazenými řadami tuhých stojin proložených ohebnou membránou stlačenou mezi dvěma stojinami téže řady stojinou sousední řady. Stojiny jsou přitom opatřeny v polovině své délky dvěma rameny vyčnívajícími kolmo v opačném směru proti sousedním stojinám, přičemž mezi rameny sousedních stojin v řadě je vložen element ke zprostředkování elektromechanické přeměny.This task is solved by an auxetic structure with electromechanical conversion of external force action in one direction formed by mutually offset rows of rigid webs interspersed with a flexible membrane compressed between two webs of the same row by a web of an adjacent row. The webs are provided in the middle of their length with two arms projecting perpendicularly in the opposite direction to the adjacent webs, an element for mediating the electromechanical transformation being inserted between the arms of the adjacent webs in a row.
Elementem ke zprostředkování elektromechanické přeměny může být piezoelektrický blok opatřený elektrodami a v případě elektricky vodivého materiálu struktury rovněž elektroizolačními vložkami.The element for mediating the electromechanical transformation can be a piezoelectric block provided with electrodes and, in the case of an electrically conductive material of the structure, also with electrical insulating inserts.
Tímto elementem může být i piezoelektrický blok, který má formu vrstveného stacku.This element can also be a piezoelectric block, which has the form of a layered stack.
Elementem ke zprostředkování elektromechanické přeměny může být též magnetostrikční blok ovinutý cívkou, s výhodou umístěný mezi dvěma permanentními magnety.The element for mediating the electromechanical conversion can also be a coil-wound magnetostrictive block, preferably located between two permanent magnets.
Auxetická struktura může být osazena alespoň dvěma různými uvedenými elementy.The auxetic structure can be equipped with at least two different mentioned elements.
Pro usnadnění montáže předmětné struktury mohou elementy zprostředkující elektromechanickou přeměnu, vložené mezi dvěma sousedními prvky, být spolu s navazujícími vodiči upevněny na flexibilní fólii. Poté díky předepnutí struktury elementy jsou pevně uchyceny ve struktuře.To facilitate the assembly of the structure in question, the electromechanical conversion elements interposed between two adjacent elements can be fastened to the flexible foil together with the adjacent conductors. Then, thanks to the prestressing of the structure, the elements are firmly attached to the structure.
Podstatou vynálezu je periodicky se v rovině opakující auxetická struktura, která během svého stlačení v jednom směru vnitřně mění rozměry i v příčném směru a představuje tak materiál se záporným Poissonovým poměrem. Tohoto efektu využívají do struktury vložené elementy zprostředkující elektromechanickou přeměnu nazývané „smart elementy“. Konkrétně se jedná o piezoelektrický nebo magnetostrikční materiál. Obecně smart elementy představují prvky elektromechanické přeměny, které při aplikaci elektrického pole vykazují deformaci a opačně v případě deformace vykazují na elektrodách elektrické napětí.The essence of the invention is a periodically repeating auxetic structure in the plane, which during its compression in one direction internally changes dimensions also in the transverse direction and thus represents a material with a negative Poisson's ratio. This effect is used by elements inserted into the structure mediating electromechanical transformation called "smart elements". Specifically, it is a piezoelectric or magnetostrictive material. In general, smart elements are elements of electromechanical transformation which, when an electric field is applied, show a deformation and, conversely, in the case of a deformation, they show an electrical voltage on the electrodes.
Podstatou vynálezu je tedy topologie auxetické struktury, kdy ve směru vibrace a šíření deformace jsou jednotlivé buňky struktury tvořeny tak, že obsahují tuhé stojiny, které neztrácejí vzpěmou stabilitu. Mezi příčná ramena dvou sousedících prvků stojin jsou vloženy smart elementy. Buňka auxetické struktury je dále tvořena membránami, které jsou společné sousedícím řadám - vrstvám buněk. V jedné vrstvě jsou buňky situovány vedle sebe a tuhé stojiny jsou společné pro dvě sousední buňky. V sousedních vrstvách jsou buňky vzájemně posunuty a tuhé stojiny se opírají uprostřed membrány společné s buňkou v sousední vrstvě aThe essence of the invention is thus the topology of the auxetic structure, where in the direction of vibration and propagation of deformation the individual cells of the structure are formed so as to contain rigid webs which do not lose upward stability. Smart elements are inserted between the transverse arms of two adjacent web elements. The cell of auxetic structure is further formed by membranes that are common to adjacent rows - layers of cells. In one layer, the cells are situated side by side and the rigid webs are common to two adjacent cells. In adjacent layers, the cells are displaced relative to each other and the rigid webs rest in the middle of the membrane together with the cell in the adjacent layer, and
-2 CZ 308206 B6 přenášejí tak zatížení do další vrstvy. Z principu mohou být buňky při výrobě v nedeformovaném tvaru, ale je výhodnější vyrobit membránu již v zatíženém a prohnutém tvaru. Při zatížení struktury tlačí stojiny na membrány, které se deformují, a tuhé stojiny v buňce jsou tlačeny k sobě. Tohoto efektu je využito a do mezery mezi příčnými rameny prvků jsou vloženy smart elementy, které díky fyzikálnímu principu elektromechanické přeměny při kompresi daného smart materiálu vytvářejí elektrický signál.-2 CZ 308206 B6 thus transfer the load to the next layer. In principle, the cells can be in undeformed shape during production, but it is more advantageous to produce the membrane in already loaded and curved shape. When the structure is loaded, the webs push on the membranes, which deform, and the rigid webs in the cell are pushed together. This effect is used and smart elements are inserted into the gap between the transverse arms of the elements, which, thanks to the physical principle of electromechanical transformation, generate an electrical signal during the compression of the given smart material.
Naopak lze elektrickým zatížením smart elementu působit na buňku a tím ovlivnit celou auxetickou strukturu pro potřeby tlumení vibrací či mikropolohování. Smart elementy jsou vloženy do buňky a umístěny mezi příčná ramena sousedních stojin. Když jsou smart elementy v této poloze, může být struktura zatížena. Tím dojde ke kompresi smart elementu v buňce a při fixaci tohoto zatížení tvoří auxetická struktura s jednotlivými smart elementy jednotný celek.On the contrary, the electrical load of the smart element can act on the cell and thus influence the entire auxetic structure for the needs of vibration damping or micro-positioning. Smart elements are inserted into the cell and placed between the transverse arms of adjacent webs. When the smart elements are in this position, the structure can be loaded. This compresses the smart element in the cell, and when this load is fixed, the auxetic structure forms a single unit with the individual smart elements.
Objasnění výkresůExplanation of drawings
Vynález bude dále objasněn pomocí výkresů, na nichž obr. 1 až 3 představují genezi jednotlivé buňky auxetické struktury podle vynálezu, a to obr. 1 buňku před zatížením tlakem na membránu, obr. 2 pohyb stojin při stlačení membrány a obr. 3 výsledný tvar buňky. Obr. 4 představuje v axonometrickém promítání část auxetické struktury podle vynálezu s jednou řadou buněk v každé vrstvě, obr. 5 ukazuje při vypuštění membrán jednu vrstvu buněk struktury v možném prostorovém provedení tvořenou dvěma řadami prvků po dvou prvcích a obr. 6 boční pohled na úsek auxetické struktury doplněné elementy zprostředkujícími elektromechanickou přeměnu. Obr. 7 až 10 jsou příklady buněk doplněných různými druhy elementů: V případě podle obr. 7 se jedná o piezoelektrický blok s elektrodami a elektroizolačními vložkami, na obr. 8 je to piezoelektrický vrstvený stack, na obr. 9 je to magnetostrikční blok, kolem kterého je ovinuta cívka, a na obr. 10 je to blok magnetostrikčního materiálu mezi dvěma permanentními magnety. Obr. 11 až 14 představují příklady uplatnění vynálezu v technické praxi: Na obr. 11 auxetická struktura podle vynálezu jako pár podpěr, na obr. 12 jako signalizační zařízení pod kolejnicí, na obr. 13 struktura integrovaná do nosníku a na obr. 14 integrovaná do plochy konstrukčního prvku.The invention will be further elucidated by means of the drawings, in which Figs. 1 to 3 represent the genesis of an individual cell of the auxetic structure according to the invention, Fig. 1 the cell before membrane pressure loading, Fig. 2 the web movement when the membrane is compressed and . Giant. 4 is an axonometric projection of a part of an auxetic structure according to the invention with one row of cells in each layer, FIG. 5 shows one layer of structural cells formed by two rows of elements by two elements when the membranes are omitted, and FIG. supplemented by elements mediating electromechanical transformation. Giant. 7 to 10 are examples of cells supplemented with different types of elements: In the case according to Fig. 7 it is a piezoelectric block with electrodes and electrical insulating inserts, in Fig. 8 it is a piezoelectric layered stack, in Fig. 9 it is a magnetostrictive block the coil is wound, and in Fig. 10 it is a block of magnetostrictive material between two permanent magnets. Giant. 11 to 14 show examples of application of the invention in technical practice: Fig. 11 shows an auxetic structure according to the invention as a pair of supports, Fig. 12 as a signaling device under a rail, Fig. 13 shows a structure integrated into a beam and Fig. 14 integrated into a structural surface. element.
Příklady uskutečnění vynálezuExamples of embodiments of the invention
Auxetická struktura podle vynálezu s elektromechanickou přeměnou vnějšího tlaku působícího v jednom směru - viz obr. 6 - je tvořena vzájemně přesazenými řadami 1 shodně orientovaných tuhých stojin 2, které mají v řezu rovinou rovnoběžnou se směrem vnějšího silového působení tvar rovnoramenného kříže. Každé dvě řady 1 jsou proloženy ohebnou membránou 3 stlačenou mezi dvěma stojinami 2 téže řady stojinou 2 sousední řady L Stojiny 2 jsou opatřeny v polovině délky dvěma rameny 5 vyčnívajícími kolmo v opačném směru proti sousedním stojinám 2. Mezi rameny 5 sousedních stojin 2 v řadě 1 kolmých na směr vnějšího silového působení je vložen element 6 zprostředkující elektromechanickou přeměnu.The auxetic structure according to the invention with electromechanical conversion of external pressure acting in one direction - see Fig. 6 - is formed by mutually offset rows 1 of identically oriented rigid webs 2 which have an isosceles cross shape in cross section in a plane parallel to the external force direction. Each two rows 1 are interspersed with a flexible membrane 3 compressed between two webs 2 of the same row by a web 2 of an adjacent row L. The webs 2 are provided in half length by two arms 5 projecting perpendicularly in opposite directions to the adjacent webs 2. Between the arms 5 of adjacent webs 2 in row 1 perpendicular to the direction of external force action, an element 6 mediating electromechanical conversion is inserted.
Elementem zprostředkujícím elektromechanickou přeměnu podle obr. 7 je piezoelektrický blok 7, který je opatřen elektrodami 8 a elektroizolačními vložkami 9. V provedení podle obr. 8 má element formu vrstveného stacku 10. V provedení podle obr. 9 je elementem 6 zprostředkujícím elektromechanickou přeměnu magnetostrikční blok 11 ovinutý cívkou, který je v příkladu podle obr. 10 pro zesílení účinku umístěn mezi dvěma permanentními magnety 12.The electromechanical conversion mediating element according to Fig. 7 is a piezoelectric block 7, which is provided with electrodes 8 and electrical insulating inserts 9. In the embodiment according to Fig. 8 the element is in the form of a layered stack 10. In the embodiment according to Fig. 9 the electromechanical conversion mediating element 6 is a magnetostrictive block. 11 is wound with a coil, which in the example according to FIG. 10 is placed between two permanent magnets 12 to enhance the effect.
-3 CZ 308206 B6-3 CZ 308206 B6
Vložené elementy 6 lze vkládat jednotlivě a jednotlivě řešit elektrické propojení. Montáž auxetické struktury se však s výhodou provede metodou printed electronics tak, že se na ohebnou fólii upevní elementy 6, které mají zprostředkovat elektromechanickou přeměnu, a to spolu s vodiči, které je propojí s ovládacím nebo monitorovacím zařízením. Poté co se struktura po zatížení ustálí v pracovní poloze, se fólie přiloží k jejímu boku a elementy 6 se zasunou do mezer mezi rameny 5 prvků 2. Vodiče se pak propojí se snímací/řídicí jednotkou.The inserted elements 6 can be inserted individually and the electrical connection can be solved individually. However, the assembly of the auxetic structure is preferably carried out by the printed electronics method by fastening to the flexible foil the elements 6 which are to mediate the electromechanical transformation, together with the conductors which connect them to the control or monitoring device. After the structure has stabilized in the working position after loading, the foil is applied to its side and the elements 6 are inserted into the gaps between the arms 5 of the elements 2. The conductors are then connected to the sensing / control unit.
Řešení podle vynálezu umožňuje samostatné snímání vibrací dle vlastního generovaného signálu, generování elektrické energie, semiaktivní tlumení, a je-li struktuře dodávána elektrická energie, též aktivní tlumení a případně mikro polohování. Vynález využívá auxetickou konstrukci, ve které je vložen aktivní materiál umožňující elektromechanickou přeměnu, např. piezoelektrický či magnetostrikční materiál. Tento materiál při zatížení v auxetické struktuře poskytuje přímý signál pro senzorickou jednotku bez osazení vnějším senzorem vibrací. Díky tomuto technickému řešení je elektrický signál, který je úměrný velikosti vibrací, samostatně generován vlastní strukturou. Výhodou tohoto řešení je integrace této chytré struktury do samotné součásti. Takto vytvořená součást s integrovanou strukturou představuje kyber-fyzikální systém dle vnímání strojírenství v rámci iniciativy Industry 4.0.The solution according to the invention enables independent sensing of vibrations according to the generated signal itself, generation of electrical energy, semi-active damping and, if electrical energy is supplied to the structure, also active damping and possibly micro positioning. The invention uses an auxetic construction in which an active material enabling electromechanical transformation, e.g. a piezoelectric or magnetostrictive material, is inserted. This material, when loaded in an auxetic structure, provides a direct signal to the sensor unit without being fitted with an external vibration sensor. Thanks to this technical solution, the electrical signal, which is proportional to the magnitude of the vibrations, is independently generated by the structure itself. The advantage of this solution is the integration of this clever structure into the component itself. The component created in this way with an integrated structure represents a cyber-physical system according to the perception of engineering within the Industry 4.0 initiative.
Generování elektrického signálu v případě velkých vibrací může sloužit jako tzv. energy harvesting, kdy zařízení efektivně přeměňuje kinetickou energii vibrací na elektrickou energii. Množství generované elektrické energie je obvykle velmi malé, do řádu miliwattů, lze však použít pro vlastní napájení nízkopříkonové elektroniky a pro bezdrátový přenos informací. Odebírání elektrické energie způsobuje v určité míře tlumení vibrací. Připojením vhodné zátěžné elektroniky lze tlumit vibrace struktury i semiaktivně. Dodáváním elektrické energie v podobě strukturovaného signálu jednotlivým elementům lze vibrace tlumit i aktivně. V případě větších výkonů lze použít toto technické řešení i pro mikropolohování horní plochy struktury.Generating an electrical signal in the event of large vibrations can serve as so-called energy harvesting, where the device effectively converts the kinetic energy of vibrations into electrical energy. The amount of electricity generated is usually very small, up to a few milliwatts, but can be used to power low-power electronics and to transmit information wirelessly. Consumption of electrical energy causes a certain amount of damping of vibrations. By connecting suitable load electronics, vibrations of the structure can be damped semi-actively. By supplying electrical energy in the form of a structured signal to the individual elements, vibrations can also be actively damped. In the case of larger outputs, this technical solution can also be used for micro-positioning of the upper surface of the structure.
Jednou ze zásadních výhod struktury podle vynálezu je její škálovatelnost, tj. možnost dimenzování, a také možnost kombinace různých uvedených elementů, které díky svým parametrům mohou být integrovány do strojního celku s individuální funkcí. Z tohoto důvodu je možno použít strukturu podle vynálezu pro snímání vibrací, napájení nízkopříkonových zařízení (jako jsou bezdrátové senzory), tlumení vibrací a mikroaktuaci.One of the main advantages of the structure according to the invention is its scalability, i.e. the possibility of dimensioning, as well as the possibility of combining various mentioned elements, which due to their parameters can be integrated into a machine unit with an individual function. For this reason, the structure according to the invention can be used for vibration sensing, powering low-power devices (such as wireless sensors), vibration damping and microactivation.
Struktury větších rozměrů lze konvenčně vyrábět a skládat z jednotlivých tuhých prvků a membrán. Předpokládá se především využití aditivních technologií pro tisk deformovaného tvaru struktury s danými parametry a rozměry.Larger structures can be conventionally manufactured and composed of individual rigid elements and membranes. It is assumed mainly the use of additive technologies for printing the deformed shape of the structure with the given parameters and dimensions.
Uplatnění vynálezu v technické praxi je možno demonstrovat na následujících příkladech:The application of the invention in technical practice can be demonstrated by the following examples:
Na obr. 11 je příklad uložení hmoty na podpěrách tvořených auxetickou strukturou podle vynálezu. Kinematické vibrace buzené v základně působí relativní kmitání seismické hmoty umístěné na podporách. Podpěry jsou celé tvořeny strukturou podle vynálezu. Jejich aktivní elementy generují elektrickou energii. Je to příklad tzv. energy harvestingu. Tuto strukturu v podobě podle obr. 11 lze využít i jako tlumicí prvek a zabránit jejím prostřednictvím šíření vibrací z podložky do vázané hmoty a tím vytvořit vibroizolační prvky. V případě dodávání elektrické energie do jednotlivých smart elementů lze docílit mikroaktuaci struktury podpěr a řídit pohyb vázané hmoty dle řízeného elektrického signálu přiváděného do struktury. Strukturu podle vynálezu lze technicky využít jejím umístěním mezi silově zatížené součásti pracující s vůlí, či s definovanou poddajností vlastní vazby. Na obr. 12 je znázorněno umístění struktury pro generování elektrické energie pod kolejnicí.Fig. 11 shows an example of mass deposition on supports formed by an auxetic structure according to the invention. The kinematic vibrations excited at the base are caused by the relative oscillations of the seismic mass located on the supports. The supports are entirely formed by the structure according to the invention. Their active elements generate electricity. It is an example of so-called energy harvesting. This structure in the form according to FIG. 11 can also be used as a damping element and can be used to prevent the propagation of vibrations from the substrate into the bonded mass, thus creating vibration-insulating elements. In the case of supplying electrical energy to individual smart elements, it is possible to achieve microactivation of the structure of supports and control the movement of the bound mass according to the controlled electrical signal supplied to the structure. The structure according to the invention can be technically used by placing it between force-loaded components working with clearance or with a defined flexibility of the bond itself. Fig. 12 shows the location of the structure for generating electricity under the rail.
-4 CZ 308206 B6-4 CZ 308206 B6
K silovému působení na zatíženou strukturu dochází při průjezdu vlaku relativním pohybem mezi kolejnicí a základnou (pražcem). Struktura pak generuje elektrickou energii.The force acting on the loaded structure occurs during the passage of the train by the relative movement between the rail and the base (sleeper). The structure then generates electricity.
Využitím aditivních technologií pro tisk deformovaného tvaru struktury s danými parametry a rozměry lze vyrobit celé nosné strojní součásti či jejich prvky, které je možno integrovat do strojních celků. Příklad struktury uplatněné na průběžném nosníku (stojině) je na obr. 13. Struktura integrovaná na nosné prvky zde umožňuje snímat vibrace a dynamické silové zatížení přenášené nosnými prvky.By using additive technologies for printing the deformed shape of the structure with the given parameters and dimensions, it is possible to produce entire load-bearing machine parts or their elements, which can be integrated into machine units. An example of a structure applied to a continuous beam (web) is shown in Fig. 13. The structure integrated on the load-bearing elements here makes it possible to sense vibrations and the dynamic force load transmitted by the load-bearing elements.
Nabízí se i integrace struktury na konstrukční plochy ke snímání vibrací na nosných prvcích, viz obr. 14. Cílem je vyrábět komplexní nosné kompozitní strojní součásti, které dovolují vlastní snímání, tj. takzvané kyber-fyzikální systémy.The integration of the structure into structural surfaces for sensing vibrations on load-bearing elements is also offered, see Fig. 14. The aim is to produce complex load-bearing composite machine parts that allow self-sensing, ie so-called cyber-physical systems.
Konstrukční řešení znázorněná na obr. 13 a 14, která přenášejí vibrace, lze efektivně využít i jako tlumicí systémy pro eliminaci šíření vibrací. Takto pracující tlumicí vrstva může pracovat v pasivním, semi-aktivním i aktivním pracovním modu pro tlumení vibrací.The design solutions shown in Figures 13 and 14, which transmit vibrations, can also be effectively used as damping systems to eliminate the propagation of vibrations. The damping layer operating in this way can operate in passive, semi-active and active working modes for vibration damping.
Popsané struktury jsou vždy pevně spojeny se strojními konstrukčními prvky. Díky tomuto spojení dochází k omezení příčných deformací v místě spoje struktury a konstrukce, takže lze vynechat v krajních vrstvách struktury smart elementy a dovolit struktuře vlastní auxetické chování v dalších vrstvách.The described structures are always firmly connected to the machine structural elements. Thanks to this connection, transverse deformations at the joint of the structure and the structure are reduced, so that it is possible to omit smart elements in the outer layers of the structure and allow the structure to have its own auxetic behavior in other layers.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2019-284A CZ308206B6 (en) | 2019-05-09 | 2019-05-09 | Auxetic structure with electromechanical conversion |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2019-284A CZ308206B6 (en) | 2019-05-09 | 2019-05-09 | Auxetic structure with electromechanical conversion |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2019284A3 CZ2019284A3 (en) | 2020-02-26 |
| CZ308206B6 true CZ308206B6 (en) | 2020-02-26 |
Family
ID=69583142
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2019-284A CZ308206B6 (en) | 2019-05-09 | 2019-05-09 | Auxetic structure with electromechanical conversion |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ308206B6 (en) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9030079B1 (en) * | 2012-03-06 | 2015-05-12 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Energy harvesting device using auxetic materials |
-
2019
- 2019-05-09 CZ CZ2019-284A patent/CZ308206B6/en unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9030079B1 (en) * | 2012-03-06 | 2015-05-12 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Energy harvesting device using auxetic materials |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Chongfeng Wei, Xingjian Jing: A comprehensive review on vibration energy harvesting: Modelling and realization, Renewable and Sustainable Energy Reviews Vol 74, July 2017, pages 1–18, Available online 16 February 2017, https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.073, [retrieved on 2019-11-12], https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032117300837 * |
| Gui-rong DONG, Lai-xia YANG, Yang GAO and Dian-zi LIU: An Efficient Energy Absorbing Structure Inspired by Energy Harvesting Device, 2018 International Conference on Modeling, Simulation and Optimization (MSO 2018), ISBN: 978-1-60595-542-1, DOI 10.12783/dtcse/mso2018/20523, 2018, [retrieved on 2019-11-12] * |
| William J.G. Ferguson, Yang Kuang, Kenneth E. Evans, Christopher W. Smith, Meiling Zhu: Auxetic structure for increased power output of strain vibration energy harvester, Sensors and Actuators A: Physical, Vol 282, 15.10.2018, pages 90–96, https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.09.019 Available online 8 September 2018, [retrieved on 2019-11-12], https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424718311105 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2019284A3 (en) | 2020-02-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | High-efficiency compressive-mode energy harvester enhanced by a multi-stage force amplification mechanism | |
| Yang et al. | Introducing arc-shaped piezoelectric elements into energy harvesters | |
| Ahmed et al. | A review on energy harvesting approaches for renewable energies from ambient vibrations and acoustic waves using piezoelectricity | |
| Shin et al. | Automatic resonance tuning mechanism for ultra-wide bandwidth mechanical energy harvesting | |
| Jiang et al. | Design and analysis of a multi-step piezoelectric energy harvester using buckled beam driven by magnetic excitation | |
| Challa et al. | A vibration energy harvesting device with bidirectional resonance frequency tunability | |
| Mansour et al. | Resonator with magnetically adjustable natural frequency for vibration energy harvesting | |
| Abdelmoula et al. | Low-frequency Zigzag energy harvesters operating in torsion-dominant mode | |
| CN101596522B (en) | Inertial piezoelectric exciting device and implementation method | |
| CN102684550A (en) | Y-type composite vibration generator | |
| KR101733277B1 (en) | electrical energy harvester using piezoelectricity and triboelectricity | |
| CN112054717B (en) | Piezoelectric type energy acquisition device and application and method thereof on floating plate track | |
| Naifar et al. | Design of a vibration energy harvester by twin lateral magnetoelectric transducers | |
| JP2008513694A (en) | Apparatus and method for influencing planar element vibration | |
| Kwon et al. | Piezoelectric and electromagnetic hybrid energy harvester using two cantilevers for frequency up-conversion | |
| Wang et al. | Finite element analysis of a unimorph cantilever for piezoelectric energy harvesting | |
| KR101060667B1 (en) | Piezoelectric Generator | |
| JP2011233563A (en) | Piezoelectric power generation device and antivibration device | |
| CZ308206B6 (en) | Auxetic structure with electromechanical conversion | |
| JP4892079B2 (en) | Multistage power generation unit | |
| KR101061591B1 (en) | Energy harvester | |
| Joyce et al. | Artificial cochlear hair cells using active piezoelectric materials | |
| CN107408622B (en) | Piezoelectric generator, button, radio module and the method for manufacturing piezoelectric generator | |
| Anderson et al. | Performance analysis of frequency up-converting energy harvesters for human locomotion | |
| US11271497B2 (en) | Vibration energy harvesting using a base mounted piezoelectric transducer |