В статье рассматривается генератор электрического напряжения, преобразующий энергию механического удара в электрическую энергию. Основным элементом рассматриваемого генератора является сегнетоэлектрическое рабочее тело, по которому в процессе функционирования генератора движется ударная волна. Нагрузкой для рассматриваемого генератора является конденсатор, а индуктивность и активное сопротивление нагрузки незначительны.
В настоящей статье предлагаются оценочные эмпирические зависимости, по которым может быть проведен предварительный выбор геометрических размеров сегнетоэлектрического рабочего тела. Также указываются методы уточнения параметров генератора в процессе его конструкторской отработки.
Как уже указывалось выше, основным элементом рассматриваемого генератора является сегнетоэлектрическое рабочее тело. В общем случае, в рабочем теле возможно формирование ударной волны, движущейся в направлении коллинеарном или перпендикулярном направлению спонтанной поляризации сегнетоэлектрического материала. Отличие в физических процессах при различных направлениях движения фронта ударной волны анализируется в работах /1,2/. Окончательный выбор рационального направления движения фронта ударной волны может быть сделан только с учетом конкретного типа и назначения проектируемого взрывного генератора. Так, при разработках малогабаритных источников СВЧ v излучения во многих удачных конструкциях направление движения фронта ударной волны было коллинеарно направлению спонтанной поляризации рабочего тела /3/. Для рассматриваемого в настоящей статье взрывного генератора электрического напряжения, как следует из предшествующих работ и как показали эксперименты, проведенные автором, предпочтительным является направление движения фронта ударной волны перпендикулярное направлению спонтанной поляризации рабочего тела.
http://www.laboratory.ru/articl/tech/rat071.htm Рис. 1. Сегнетоэлектрическое рабочее тело.
Возможны два подхода к описанию процессов происходящих в генераторе. Во-первых, это модель процесса, основанная на описании пьезоэлектрического эффекта. Для большого числа применяемых на практике сегнетоэлектрических источников электрического напряжения единственно применимой является только эта модель. Во-вторых, следует отметить модель, предполагающую, что по рабочему телу движется ударная волна, которая имеет интенсивность, достаточную для перевода материала из сегнетоэлектрического в параэлектрическое состояние. В этой модели именно изменение состояния материала обуславливает генерацию электрического напряжения. В частности, этот подход описан в работах /1-5/ и ряде других работ. Такой подход предполагается и в настоящей статье.
http://www.laboratory.ru/articl/tech/rat072.htm Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема генератора.
Нагрузка может быть представлена в виде последовательно соединенных между собой активного сопротивления R, индуктивности L и емкости C. Характеристики нагрузки обычно бывают хотя бы примерно известны до начала проектирования генератора.
http://www.laboratory.ru/articl/tech/rat073.htm Рис. 3. Экспериментальная и теоретическая зависимости напряжения на емкости нагрузки от времени.
Предполагается, что заданными до начала проектирования являются емкость конденсатора нагрузки C, энергия, запасаемая в конденсаторе нагрузки на момент окончания работы генератора, и длительность функционирования генератора. Длительность функционирования генератора можно принять равной времени движения фронта ударной волны по рабочему телу.
В качестве первого приближения может быть взято сегнетоэлектрическое рабочее тело в виде параллелепипеда со следующими геометрическими размерами (рис. 1):
- расстояние между контактными поверхностями
;
- площадь контактной поверхности ()
где - напряженность электрического поля, при котором происходит пробой материала рабочего тела.
- скачек поляризации на фронте ударной волны.
, - безразмерные эмпирические коэффициенты обобщенно характеризующий различные потери энергии при функционировании генератора.
Размер рабочего тела в в направлении движения ударной волны:
,
где - скорость движения фронта ударной волны.
Ширина рабочего тела.
Площадь фронта ударной волны ():
Значения, и зависят от давления на фронте ударной волны. Однако, при отсутствии данных по этой зависимости, за величину может быть принято значение статической электропрочности. При отсутствии значений скачка поляризации на фронте ударной волны или скорости движения фронта ударной волны они приближенно могут быть заменены на , соответственно, остаточную поляризацию и скорость звука в материале рабочего тела. При этом при проведении расчетов целесообразно корректировать значения и.
Масса сегнетоэлектрического рабочего тела может быть оценена по зависимости:
где плотность материала рабочего тела.
Для получения рациональной конструкции сегнетоэлектрического генератора напряжения геометрические размеры его рабочего тела могут быть выбраны исходя из приведенных в разделе 4 зависимостей.
http://www.laboratory.ru/articl/tech/rat074.htm
Рис. 4. Испытание четырех соединенных между собой генераторов, смонтированных в обном корпусе. Корпус генератор в виде тора лежит на земле. Вверху видно соленоид и конденсаторы нагрузки.
