Registration Number
0826U002052, PhD dissertation
Status
Доктор філософії
Date
17-07-2026
popup.evolution
o
Title
Recuperative piezoelectric converter of vibrations of technical systems into electrical energy
Author
Anton Novykov,
popup.head Viktor M. Slidenko
popup.opponent Volodymyr H. Shevchenko
popup.opponent Oleksandr I. Teslenko
popup.review Alla Bosak
popup.review Oleksandr V. Meita
popup.rada
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
Description
Дисертаційна робота присвячена розробленню рекуперативного п’єзоелектричного перетворювача вібрацій технічних систем в електричну енергію для підвищення енергоефективності транспортних і промислових систем. Актуальність дослідження обумовлена необхідністю зменшення втрат енергії, що виникають у вигляді шкідливих механічних коливань, а також потребою створення автономних систем живлення для малопотужних електронних пристроїв транспортних засобів та роботизованих комплексів. Робота виконана за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка.
Метою дисертаційної роботи є розроблення нелінійної моделі електротехнічної системи рекуперативного амортизатора з п’єзоелектричним генератором, визначення ефективних параметрів електромеханічного перетворення та оцінка енергетичної ефективності системи рекуперації механічної енергії вібрацій. Для досягнення поставленої мети виконано аналіз сучасних методів рекуперації енергії, досліджено характеристики п’єзокерамічних матеріалів, побудовано математичні та статистичні моделі процесів перетворення енергії, а також розроблено структурні та імітаційні моделі рекуперативного амортизатора.
У роботі проведено аналіз фізичних основ прямого та зворотного п’єзоелектричного ефекту, досліджено характеристики сучасних п’єзоматеріалів BaTiO₃, PZT та PbNb₂O₆, зокрема коефіцієнти електромеханічного зв’язку, модулі Юнга, діелектричну проникність та температури Кюрі. Встановлено, що найбільш перспективними для рекуперації енергії є транспортні системи та ударні пристрої, які працюють у діапазонах частот 1–15 Гц та 30–70 Гц відповідно. Проведено порівняльний аналіз різних систем рекуперації енергії, який підтвердив переваги п’єзоелектричних перетворювачів за показниками густини потужності.
У другому розділі досліджено енергетичний потенціал різних технічних систем і розроблено статистичні моделі для врахування випадкового характеру коливальних процесів. Для моделювання використано метод Монте-Карло, що дозволило врахувати випадкові зміни амплітуди, частоти, прискорення та параметрів пневматичних акумуляторів. Встановлено, що для автомобільних підвісок характерний питомий енергетичний потенціал 0,02–0,1 Дж/кг, а для бурильних установок – 0,3–1,0 Дж/кг. Для моделювання процесів у гідропневматичних системах використано політропічне рівняння стискання газу, при цьому показник політропи змінювався в межах 1,3–1,6, а сила удару приймалася на рівні близько 2380 Н.
У третьому розділі розроблено дискретно-континуальну модель системи «бойок–інструмент–оброблювальне середовище» з п’єзогенератором та проведено її дослідження в середовищі Ansys Explicit Dynamics. Встановлено, що тривалість співудару становить 0,1–0,5 мс, а частота коливань досягає 3000–6000 Гц. Коефіцієнт передачі енергії від бойка до інструмента знаходиться в межах 0,75–0,8, а до оброблювального середовища – 0,55–0,65. Для транспортної підвіски побудовано математичну модель з урахуванням електромеханічного зв’язку п’єзоелементів. Розрахунки виконано в середовищах Mathcad та Wolfram Mathematica методом Рунге–Кутта. Показано, що при енергії удару 360 Дж та масі гідромолота 65 кг середнє значення енергії коливального процесу становить близько 170 Дж, що при частоті 5 Гц відповідає механічній потужності близько 850 Вт.
Досліджено рекуперативний амортизатор транспортного засобу з п’єзопакетом на прикладі наземного роботизованого комплексу. Встановлено, що середня корисна електрична потужність знаходиться в діапазоні десятків–сотень мВт, а пікова напруга на виході п’єзопакета до випрямлення сягає 0,9 В. Визначено, що збільшення коефіцієнта демпфування на 1 Н·с/м призводить до зменшення корисної потужності на 10–20 %.
У четвертому розділі розглянуто принципи побудови рекуперативного амортизатора як мехатронної системи. Розроблено еквівалентну електричну схему п’єзопакета, досліджено особливості вибору випрямлячів та накопичувачів енергії, а також запропоновано алгоритм адаптивного узгодження навантаження з поточними режимами коливань. Для підвищення енергетичної ефективності запропоновано використання синхронного випрямлення на діодах Шотткі та мікроконтролерного керування.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у встановленні параметрів, що визначають ефективність рекуперативного амортизатора, розробленні нелінійної моделі електромеханічного перетворення енергії та створенні методики оцінювання енергетичного потенціалу систем з урахуванням стохастичного характеру коливань.
Практичне значення роботи полягає у розробленні методики розрахунку параметрів рекуперації енергії та створенні конструктивних рішень для впровадження рекуперативних амортизаторів у транспортних засобах і наземних роботизованих комплексах.
Registration Date
2026-05-29
popup.nrat_date
2026-05-29 / 2026-08-06
