Аннотация. Рассматриваются динамические модели пьезогенераторов (ПГ) на основе тонких однослойных пьезоэлементов (ПЭ). С использованием эквивалентной электрической схемы ПГ получены дифференциальные уравнения и найдены передаточные функции, связывающие входную переменную (усилие, приложенное к поверхности ПЭ) с выходными (напряжением и током нагрузочного конденсатора). Проведены аналитические исследования установившихся и переходных процессов в ПГ при типовых входных усилиях (импульсных, скачкообразных, гармонических). Показано, что достаточным условием устойчивой пьезогенерации, заключающейся в непрерывном заряде нагрузочного конденсатора, является ненулевое ускорение изменения усилия на входе ПГ. Рассмотрено влияние параметров ПГ — эквивалентных значений сопротивления, емкости и индуктивности ПЭ, сопротивления проводников и диодов выпрямителя, емкости нагрузочного конденсатора, сопротивления нагрузки — на переходные процессы. Приведены данные аналитических расчетов и экспериментальных исследований процессов пьезогенерации в ПГ с однослойным дисковым ПЭ в различных режимах. Результаты исследований предназначены для проектирования ПГ с известным спектром входных усилий.

Ключевые слова: динамические характеристики пьезогенератора, дисковый пьезоэлемент, устойчивая пьезогенерация, эквивалентная электрическая схема пьезогенератора, передаточные функции пьезогенератора

Список литературы:

1. Жуков С. Н. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение. Минск: ФУАинформ, 2003. 112 с.
2. Erturk A., Inman D. J. Piezoelectric energy harvesting. John Wiley & Sons, 2011. 402 p.
3. Шарапов В. М., Мусиенко М. П., Шарапова Е. В. Пьезоэлектрические датчики. М.: Техносфера, 2006. 632 с.
4. Beeby S. B., Tudor M. J., White N. M. Energy harvesting vibration sources for microsystems applications // Meas. Sci. Technol. 2006. Vol. 17. P. 175—195. DOI:10.1088/0957-0233/17/12/R01.
5. Cook-Chennault K. A., Thambi N., Sastry A. M. Powering MEMS portable devices – a review of non-regenerative and regenerative power supply systems with special emphasis on piezoelectric energy harvesting systems // Smart Mater. Struct. 2008. Vol. 17. 33 p. DOI:10.1088/0964-1726/17/4/043001.
6. Swee Leong Kok. Energy Harvesting Technologies: Thick-Film Piezoelectric Microgenerator. P. 191—214. https://www.intechopen.com/doi:10.5772/25547.
7. Calio R., Rongala U. B., Camboni D., Milazzo M., Stefanini C., Gianluca de Petris G., Oddo C. M. Piezoelectric Energy Harvesting Solutions // Sensors. 2014. Vol. 14. P. 4755—4790. DOI:10.3390/s140304755.
8. Уитакер М., Бочарников И. Energy harvesting. Новый этап в развитии автономных устройств // Компоненты и технологии. 2010. № 8. С. 146—149.
9. Гриценко А., Никифоров В., Щеголева Т. Состояние и перспективы развития пьезоэлектрических генераторов // Компоненты и технологии. 2012. № 9. С. 63—67.
10. Головнин В. А., Каплунов И. А., Малышкина О. В. и др. Физические основы, методы исследования и практическое применение пьезоматериалов. М.: Техносфера, 2016. 272 с.
11. Uchino K. The Development of Piezoelectric Materials and the New Perspective. Advanced Piezoelectric Materials. 2017. P. 1—92. http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-08-102135-4.00001-1.
12. Min-Gyu Kang, Woo-Suk Jung, Chong-Yun Kang, Seok-Jin Yoon. Recent Progress on PZT Based Piezoelectric Energy Harvesting Technologies // Actuators. 2016. Vol. 5, N 5. 17 P. DOI:10.3390/act5010005.
13. Huicong Liu, Junwen Zhong, Chengkuo Lee, Seung-Wuk Lee, Liwei Lin. A comprehensive review on piezoelectric energy harvesting technology: Materials, mechanisms, and applications // Applied Physics Reviews. 2018. Vol. 5. Р. 041306. DOI: 10.1063/1.5074184.
14. Kaur N., Bhalla S. Feasibility of energy harvesting from thin piezo patches via axial strain actuation mode // J. of Civil Struct Health Monitoring. 2014. N 4. P. 1—15. https://doi.org/10.1007/s13349-013-0048-1.
15. Aghakhani A., Basdogan I., Erturk A. Multiple piezo-patch energy harvesters integrated to a thin plate with AC-DC conversion: Analytical modeling and numerical validation // Smart Materials and Nondestructive Evaluation for Energy Systems. 2016. Proc. of SPIE. Vol. 9806. 12 p. DOI: 10.1117/12.2219079.
16. Bayik B., Aghakhani A., Basdogan I., Erturk A. Equivalent circuit modeling of a piezo-patch energy harvester on a thin plate with AC–DC conversion // Smart Mater. Struct. 2016. Vol. 25. 10 p. DOI: 10.1088/0964-1726/25/5/055015.
17. Юрлов М. А., Ошмарин Д. А., Севодина Н. В., Юрлова Н. А. Решение задачи о собственных колебаниях электроупругих тел с внешними электрическими цепями на основе их электрического аналога // Вестн. ПНИПУ. Механика. 2018. № 4. С. 266—277.
18. Земляков В. Л. Исследование параметров пьезоэлементов при импульсном воздействии. Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2009. 36 с.
19. Шарапов В., Сотула Ж. Пьезокерамические преобразователи. Новые технологии проектирования // Электроника. 2012. № 5. С. 96—102.
20. Pang S., Li W., Kan J. Optimization analysis of interface circuits in piezoelectric energy harvesting systems // J. of Power Technologies. 2016. Vol. 96, N 1. P. 1—7.
21. Chen Y. Y., Vasic D. Electrical interfacing circuit discussion of galloping-based piezoelectric energy harvester // Physics Procedia. 2015. Vol. 70. P. 1017—1021.
22. Ramadass Y. K., Chandrakasan A. P. An efficient piezoelectric energy harvesting interface circuit using a bias-flip rectifier and shared inductor // IEEE J. of Solid-State Circuits. 2010. Vol. 45, N 1. P. 189—204.
23. Wang F., Wu W., Soroush M., Amin Abedini A. Energy Harvesting with a Piezoelectric Thunder // J. of Applied Nonl. Dynamics. 2016. Vol. 5, N 4. P. 423—439.
24. Макаров И. М., Менский Б. М. Линейные автоматические системы. М.: Машиностроение, 1977. 464 с.
25. Загашвили Ю. В., Руденко В. Г. Идентификация сопротивления пьезоэлементов // Изв. вузов. Приборостроение. 2021. Т. 64, № 3. С. 213—218.
26. Пат. РФ 185168. Пьезомодуль / Ю. В. Загашвили, В. В. Белоконь, В. Г. Руденко, В. В. Шалимов. Опубл. 23.11.2018. Бюл. 33.
27. Abdal-Kadhim A. M., Kok Swee Leong, Kok-Tee Lau. Impact based piezoelectric energy harvesting: effect of single step’s force and velocity // J. of Telecommunication, Electronic and Comp. Engineering. 2016. Vol. 8, N 5. P. 125—129.