Diseño y desarrollo de calentador cerámico autoalimentado.

2020-07-30 19:39:25 fandoukeji

En el frío y severo invierno, las personas prefieren los productos de calefacción. Los productos de calefacción, desde las botellas de agua caliente hasta la calefacción eléctrica y la calefacción química, están surgiendo sin cesar. Con el aumento en los tipos de productos de calefacción, las personas tienen requisitos cada vez más altos para ellos, ya sea que ahorren energía, sean amigables con el medio ambiente y fáciles de transportar. También se ha convertido en la primera condición para que los usuarios elijan. Por lo tanto, algunos calentadores de manos portátiles y calcomanías de calefacción en el mercado se han convertido en productos de calefacción populares, aunque estos productos cumplen con la funcionalidad y la conveniencia requeridas por los usuarios, la mayoría de ellos usan agentes químicos para generar calor o usan baterías y se cargan. Los productos desechables que utilizan agentes químicos para generar calor contaminan gravemente el medio ambiente y violan el concepto de protección ambiental verde. El uso de energía eléctrica para generar calor consume energía y es contrario al concepto de ahorro de energía. Al mismo tiempo, los problemas de seguridad como las quemaduras a baja temperatura también han desanimado a las personas.


1. Las ventajas de los calentadores autoalimentados

El calentador diseñado esta vez utiliza una fuente de alimentación pasiva y utiliza un dispositivo de recolección de energía para convertir la energía cinética del medio ambiente en energía eléctrica. El material piezoeléctrico genera un efecto piezoeléctrico positivo bajo la acción de una fuerza externa, generando así energía eléctrica, y el colector de energía piezoeléctrica que utiliza vibración piezoeléctrica para generar energía eléctrica tiene las características de alta densidad de potencia y estructura simple.


Este calentador también tiene dos características: Primero, puede convertir la energía mecánica generada en la vida diaria de las personas en energía eléctrica a través del efecto piezoeléctrico positivo de la cerámica piezoeléctrica. Sobre esta base, está equipado con un dispositivo de control de temperatura para trabajar o viajar. La gente lleva. El segundo es que cuando las personas se calientan al aire libre, el cuerpo humano en sí mismo es una fuente de energía, por lo que no es necesario encontrar equipos de carga; el dispositivo de control de temperatura no solo puede mejorar la comodidad de las personas, sino que también aumenta la tasa de utilización de energía eléctrica, que cumple con los requisitos actuales de ahorro de energía y protección del medio ambiente. .


2. Diseño del esquema general del calentador autoalimentado

El diseño general de la estructura de un calentador piezoeléctrico basado en cerámica de autocalentamiento y temperatura controlable se muestra en la Figura 1. Incluye principalmente parte de autogeneración de cerámica piezoeléctrica, parte de electricidad estable, parte de recolección de corriente, parte de control de temperatura y parte de calentamiento, etc. . El calentador toma la fuente de alimentación autoalimentada de cerámica piezoeléctrica como núcleo, proporciona energía para el material de calentamiento mediante la recopilación de energía eléctrica estable y realiza el control del rango de temperatura a través del dispositivo de control de temperatura. No solo tiene las características de ninguna fuente de alimentación externa, sino que también se ocupa del ahorro de energía idea.


图1 自发电取暖器整体结构设计

2.1 El diseño del principio del circuito general del calentador


Este producto es un calentador portátil autoalimentado y con temperatura controlada basado en cerámica piezoeléctrica.El proceso de diseño incluye la conversión de cantidades físicas en una serie de dispositivos como generación de energía, recolección de corriente, estabilización de energía, control de temperatura, etc., por lo que el diseño del circuito también realiza la función del calentador Un punto importante, como se muestra en la Figura 2, es el diagrama de circuito de la estructura general de la función del calentador.


图2 自发电取暖器整体结构原理

2.2 Diseño de la pieza de autogeneración de cerámica piezoeléctrica


La parte de generación de energía de este producto utiliza principalmente las propiedades de la generación de energía de vibración cerámica piezoeléctrica. Utiliza el efecto piezoeléctrico positivo de la cerámica piezoeléctrica, la cerámica piezoeléctrica genera cargas eléctricas bajo la acción de la fuerza externa, convirtiendo así la energía mecánica en energía eléctrica. El efecto piezoeléctrico positivo de la cerámica piezoeléctrica es que cuando se aplica fuerza externa, producirá deformación mecánica, generando así carga eléctrica, y cuando se elimina la fuerza externa, volverá al estado original sin carga. Por ejemplo, cuando una persona está caminando, el pie ejerce presión sobre el suelo y el pie se va El suelo volvió a su estado original. El sistema de cerámica piezoeléctrica PZT utilizado en este producto tiene un rendimiento piezoeléctrico muy fuerte y estable. Debido a que la cerámica piezoeléctrica en sí es dura y frágil, el cristal piezoeléctrico y el cuerpo elástico están conectados para formar un vibrador piezoeléctrico, y la vibración del vibrador piezoeléctrico genera un gran voltaje y una pequeña cantidad de carga, por lo que se utiliza una pila piezoeléctrica en paralelo. Una pila piezoeléctrica con un espesor flexible puede soportar una fuerza mayor que una pila piezoeléctrica con una longitud flexible. En el caso de la misma cantidad de vibrador piezoeléctrico y la pila piezoeléctrica puede soportar la fuerza máxima, la pila piezoeléctrica con espesor flexible puede producir más Gran corriente. Después de una investigación preliminar, este producto puede generar calor mientras genera electricidad. Tome como ejemplo una calcomanía cálida para bebés de 10CM × 5CM, que calienta desde temperatura ambiente hasta 40 fiber, la fibra de carbono del cable de resistencia al calentamiento es 3k, la resistencia es 144Ω / M y la capacidad de calor específica de fibra de carbono es 0.0008J / (g · k), que solo toma 6.73s.


2.3 Composición de la parte de generación de energía del calentador


Múltiples piezas de cerámica piezoeléctrica se conectan en serie con un interruptor. La cerámica piezoeléctrica genera electricidad a través de la vibración de las partes del cuerpo, y los interruptores controlan la cantidad de cerámica piezoeléctrica para controlar la cantidad de electricidad generada. Finalmente, el número de capas n, el grosor D y el área inferior A de la pila piezoeléctrica se determinan de acuerdo con las dos condiciones de la corriente requerida y el volumen apropiado. Como se muestra en la Figura 3.


图3 压电堆叠方式及内部结构示意图

La parte autogeneradora de este calentador adopta una estructura de viga en voladizo bi-piezoeléctrica en paralelo con electrodos, que está compuesta de cerámica piezoeléctrica. El bloque de masa en movimiento se utiliza como el material elástico de la viga para recibir la fuerza externa aplicada; la cerámica piezoeléctrica Está pegado sobre un material básico con cierta elasticidad y unido al extremo libre de la viga en voladizo para garantizar que pueda generar una frecuencia de vibración suficientemente alta cuando se somete a una fuerza externa, maximizando así la corriente generada. Para permitir que el dispositivo de generación de energía tenga una capacidad de generación de energía más fuerte en una intensidad de excitación más pequeña y un rango de frecuencia más amplio, se utilizan múltiples vibradores piezoeléctricos para generar energía.


El método de conexión adopta una conexión en paralelo con una corriente de salida mayor. En esta estructura, los electrodos principales de las láminas cerámicas superiores e inferiores se conectan entre sí y se cortocircuitan entre sí, y luego se usan como un electrodo del dispositivo generador de energía, y el otro electrodo se extrae de la lámina metálica.


2.4 Disposición general de la parte de generación de energía del calentador


La función principal del vibrador piezoeléctrico es la conversión de energía. Debido a que la fuerza externa determina la capacidad de generación de energía, la eficiencia piezoeléctrica mejora al aumentar la fuerza externa. Este producto adopta la siguiente estructura para amplificar la fuerza para lograr la mejora de la eficiencia piezoeléctrica, como se muestra en la Figura 4.


图4 发电部分整体排布

2.5 Corriente estable que recoge parte del calentador


La tecnología de recolección de energía piezoeléctrica utiliza el efecto piezoeléctrico de los materiales piezoeléctricos para generar energía eléctrica. La estructura del dispositivo de recolección de energía piezoeléctrica es uno de los enfoques de investigación de este producto. El dispositivo de recolección de energía piezoeléctrica de este producto tiene las ventajas de tamaño pequeño, estructura simple, sin interferencia electromagnética y fácil procesamiento. Para lograr una generación de energía continua durante el uso del calentador, es necesario procesar la corriente alterna generada por la cerámica piezoeléctrica. Primero, el circuito rectificador se usa para convertir la corriente alterna generada por la vibración de la cerámica piezoeléctrica en corriente continua, pero la forma de onda en este momento no es estable y necesita ser filtrada. Luego, se usa un dispositivo estabilizador de voltaje para estabilizar el voltaje susceptible filtrado, y después del procesamiento La corriente finalmente se envía al circuito de almacenamiento para lograr una recolección de corriente estable. El circuito del filtro rectificador se muestra en la Figura 5.


图5 自发电取暖器整流滤波电路

El circuito rectificador de duplicador de voltaje puede usar la corriente alterna más baja para usar el efecto de rectificación de voltaje de mayor resistencia, almacenar el voltaje en sus respectivos condensadores y luego conectarlos en serie de acuerdo con el principio de adición de polaridad para emitir un alto voltaje más alto que el voltaje de entrada. La salida de forma de onda de voltaje de CC por el circuito rectificador duplicador de voltaje no es lo suficientemente buena, por lo que se necesita un circuito de filtro para filtrar y reducir la ondulación del voltaje de salida. En este diseño de sistema, se utiliza un circuito rectificador de voltaje cuádruple, y el condensador en el circuito también juega un papel de filtrado, por lo que tiene el papel de rectificación y filtrado.


Para el circuito de refuerzo de CC, el chip regulador de voltaje ME2111 se selecciona en el diseño del sistema.Es un convertidor de CC / CC de refuerzo de rectificación síncrona de alta eficiencia que solo requiere tres componentes periféricos (dos condensadores y un inductor). Su voltaje de arranque es bajo, puede funcionar por encima de 0,95 V y la eficiencia puede alcanzar el 94%.


Después de rectificar, filtrar y aumentar la corriente, es necesario almacenar la energía eléctrica, es decir, el módulo de almacenamiento de energía. Este producto utiliza el chip HM4601 como el chip de control principal. El HM4601 ajusta el voltaje de carga de la batería de litio y la corriente de carga de corriente constante a través de un circuito de control de voltaje constante y un circuito de control de corriente constante. También integra protección de temperatura, límite de tiempo de carga máximo y funciones de cortocircuito de salida.


2.6 Parte de control de temperatura del calentador


El dispositivo de control de temperatura es un dispositivo para ajustar y controlar el calor generado por la capa de calentamiento, y también es uno de los diseños clave de este calentador. La corriente a través de la generación de energía y la parte colectora de corriente estable actúa sobre la capa de calentamiento para alcanzar una cierta temperatura para que las personas se calienten, pero la temperatura en este momento no es la temperatura más cómoda para el cuerpo humano. Debido a que la temperatura que no está dentro del rango controlable también puede causar daños al cuerpo humano, como quemaduras a baja temperatura, etc., para resolver este tipo de problema, este producto está diseñado con un dispositivo de control de temperatura incorporado, y la temperatura límite superior e inferior se puede controlar ajustando el controlador de temperatura. Cuando la temperatura en cualquier punto de la superficie alcanza la temperatura límite superior de 60 ℃, la sonda de temperatura detecta la señal y la retroalimenta al termostato, el termostato reduce la corriente de salida, de modo que la temperatura cae; cuando la temperatura cae al límite inferior de 40 ℃, la sonda de temperatura retroalimenta La señal se envía al termostato para aumentar la corriente, aumentando así la temperatura. A través de este tipo de retroalimentación de señal para ajustar la corriente de salida para lograr el control de temperatura.


Como el cuerpo humano está expuesto a temperaturas superiores a la temperatura corporal durante mucho tiempo, causará quemaduras a baja temperatura. Por lo tanto, se utiliza resina de capa resistente al calor para envolver el núcleo de la capa de calentamiento. En la capa más externa del calentador portátil, la franela también se usa para separar la piel y la parte de calentamiento para evitar Quemaduras a baja temperatura.


Conclusión


Este artículo utiliza el efecto piezoeléctrico positivo de la cerámica piezoeléctrica para aplicar fuerza externa para realizar la generación de energía piezoeléctrica, diseña un calentador autoalimentado y realiza análisis y diseños teóricos relacionados. La parte de generación de energía de este calentador utiliza una estructura de viga en voladizo para aplicar presión a la cerámica piezoeléctrica para generar eficientemente una gran cantidad de carga eléctrica. Luego, el circuito del filtro rectificador y el dispositivo de almacenamiento de energía se utilizan para convertir la carga eléctrica recolectada en corriente eléctrica y almacenarla en la batería. Para el uso de la capa de calentamiento. El dispositivo de control de temperatura incorporado controla la temperatura dentro del rango de temperatura confortable del cuerpo humano, lo que puede evitar el problema de seguridad de las quemaduras a baja temperatura. Este calentador utiliza cerámica piezoeléctrica, una fuente de energía limpia, para lograr un suministro de energía pasivo, es ecológico y ecológico, es conveniente de usar, cumple con el concepto de conservación de energía y protección del medio ambiente, y también cumple con los requisitos nacionales de protección del medio ambiente con bajas emisiones de carbono.