Описаны результаты численного моделирования натурного эксперимента низкочастотного импульсного воздействия на пьезоэлектрический генератор (ПЭГ) стекового типа для устройства накопления энергии. ПЭГ представляет собой многослойный осесимметричный пьезокерамический пакет. Разработана конечно-элементная модель устройства в ANSYS и проанализирована аналитическая упрощенная одномерная модель. Исследована зависимость выходного напряжения от величины активной нагрузки при гармоническом и нестацио-нарном механическом воздействии на ПЭГ. Сопоставление экспериментальных результатов и численного расчета показало их хорошую сходимость, что позволяет использовать раз-работанные численные модели для оптимизации конструкции ПЭГ при заданных частоте внешнего воздействия и величине активного сопротивления внешней электрической цепи. Кроме того, установлено, что частотная зависимость выходного напряжения ПЭГ осевого типа имеет сложный характер, зави-сящий как от уровня сжимающей импульсной нагрузки и ве-личины пьезомодуля материала чувствительного элемента ПЭГ, так и от электрического сопротивления нагрузки.
многослойный пьезоэлектрический генератор, выходные характеристики, физический эксперимент, конечно-элементный расчет, упрощенная модель.
В последние годы получили развитие исследования, посвященные разработке пьезоэлектрических преобразователей механической энергии колебаний объектов в электрическую. Наиболее известны пьезоэлектрические преобразователи энергии двух конфигураций: осевого (стекового) и кантилеверного типа, которые имеют неограниченный срок эксплуатации, если внешние механические и температурные воздействия не приводят к необратимому уменьшению поляризации их активных элементов или их разрушению [1–3]. Большинство из этих работ посвящены изучению характеристик пьезоэлектрических генераторов (ПЭГ) кантилеверного типа («мода колебаний d31»). ПЭГ осевого типа исследованы в меньшей степени. В частности, известны работы, в которых приведены результаты теоретических исследований характеристик ПЭГ, работающих на «продольной моде d33 колебаний» [3, 4]. Работы [4–7] посвящены построению моделей ПЭГ на основе колебаний механической системы с сосредоточенными параметрами. Использование таких систем является удобным модельным подходом, так как позволяет получить аналитические зависимости между выходными параметрами ПЭГ (потенциалом, мощностью и т.п.) и электрическими, механическими характеристиками и сопротивлением внешней электрической цепи, однако, как показано в [8] диапазон их применения весьма ограничен. Более полные результаты исследований многослойных ПЭГ осевого типа приведены также в других работах [10, 11]. В них описаны результаты исследований характеристик ПЭГ, как осевого, так и кантилеверного типов. В [10] приведены интересные результаты температурных зависимостей параметров ПЭГ с чувствительным элементом (ЧЭ) из сегнетомягкой пьезокерамики ПКР–46. К сожалению, константы этого состава пьезокерамики не приведены, а это не позволяет провести сравнительный анализ достоверности измеренных параметров ПЭГ с известными, описанными, например, в [9]. В обзоре [11], опубликованном позднее, описаны области применения маломощных ПЭГ в основном кантилеверного типа с присоединенной массой. Также приведены только общие данные о разработанных за рубежом ПЭГ осевого типа, в которых используется механическая энергия при движении человека, т.е. в режиме циклических нагрузок. Более подробных данных о результатах исследований таких ПЭГ, к сожалению, не приведено. Выбор импульсного режима нагружения обусловлен областью применения ПЭГ осевого типа в качестве перспективных автономных источников энергии, преобразующих механическую энергию периодических воздействий из внешней среды, в том числе не гармонических, в электрическую. В частности, эти ПЭГ могут быть использованы для преобразования механической энергии колебаний рельсов железнодорожного транспорта или дорожного полотна автодороги в электрическую энергию.
Приведенный выше краткий анализ известных работ показал, что задача создания ПЭГ осевого типа большой мощности с эффективными выходными параметрами при действии импульсных нагрузок в полном объеме пока не решена, хотя и достаточно актуальна. Авторами получены экспериментальные и численные результаты исследований временных зависимостей выходных характеристик многослойного пьезоэлектрического генератора осевого типа от величины импульсных механических сжимающих напряжений при различных значениях электрического сопротивления нагрузки.
1. Erturk, A. Piezoelectric energy harvesting / A. Erturk, D. J. Inman. — N. Y. : John Willey and Sons, Ltd., 2011. — 402 p.
2. Anton, S. R. Multifunctional Piezoelectric Energy Harvesting Concepts. PhD diss. to Virginia Polytechnic Institute and State University / S. R. Anton. — Blacksburg : Virginia, 2011. — 215 p.
3. Головнин, В. А.Сравнительные характеристики пьезокерамических механоэлектрических преобразовате-лей для генерации электричества / В. А. Головнин [и др.] // Вестник Твер. гос. ун-та. Серия «Физика». — 2010. — № 11. — С. 33–46.
4. DuToit, N. E. Design considerations for MEMS-scale piezoelectric mechanical vibration energy harvesters / N. E. DuToit, B. L. Wardle, S. G. Kim // Integrated Ferroelectrics. — 2005. — V. 71. — №. 1. — Pp. 121–160.
5. DuToit, N. E. Experimental verification of models for microfabricated piezoelectric vibration energy harvesters / N. E. DuToit, B. L. Wardle // AIAA journal. — 2007. — V. 45. — №. 5. — Pp. 1126–1137.
6. Adhikari, S. Piezoelectric energy harvesting from broadband random vibrations / S. Adhikari, M. I. Friswell, D. J Inman // Smart Materials and Structures. — 2009. V. 18. — №. 11. — P. 115005.
7. Roundy, S. A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics / S. Roundy, P. K. Wright // Smart Materials and Structures. — 2004. — V. 13. — №. 5. — P. 1131.
8. Зыонг, Ле В. Конечно-элементный анализ применимости прикладных теорий расчета пьезоэлектрического устройства накопления энергии стековой конфигурации / Ле В. Зыонг // Инженерный вестник Дона. — 2014. — № 2. — C. 1–13.
9. Анализ стабильности электрофизических характеристик пьезокерамик различных составов, используемых для пьезоэлектрических генераторов кантилеверного типа повышенной мощности / В. А. Акопьян [и др.] // Нано- и микросистемная техника. — 2012. — № 1. — C. 37–41.
10. Многослойные пьезоэлектрические актуаторы и особенности их применения / В. К. Казаков [и др.] // Ком-поненты и технологии. — 2007. — № 6. — С. 62–65.
11. Гриценко, А. Состояние и перспективы развития пьезоэлектрических генераторов / А. Гриценко, В. Ники-форов, Т. Щеголева // Компоненты и технологии. — 2012. — № 9. — С. 63–68.
12. Морозов, А. Г. Электротехника, электроника и импульсная техника / А. Г. Морозов. — Москва : Высшая школа, 1987. — 448 с.
13. Влияние вида механического нагружения на энергоэффективность пьезоэлектрических генераторов / В. А. Акопьян [и др.] // Нано- и микросистемная техника. — 2015. — № 2. — С. 33–44.
14. Zhao, S. Deterministic and band-limited stochastic energy harvesting from uniaxial excitation of a multilayer pie-zoelectric stack / S. Zhao, A. Erturk // Sensors and Actuators A : Physical. — 2014. — V. 214. — Pp. 58–65.
