Ultrasonic Generators for Energy Harvesting Applications: Self-Excitation and Mechanical Frequency Transformation

The main objective in the field of vibration-based energy harvesting is to convert the kinetic energy from an ambient energy source into an useable electrical form in the most efficient way. The intention is to provide power for low-powered electronic devices, such as intelligent sensors for structural health monitoring, in order to make an external power source or periodic battery replacement redundant and thus lower the costs. Applications of this technology can be found in the automotive and aerospace industry as well as in civil and mechanical engineering. One of the main challenges in the area of vibration-based energy harvesting is to design an energy harvesting device generating a significant amount of electrical power across varying vibration inputs. Due to the design, most energy harvesters are subject to forced excitation and have therefore the drawback that the performance strongly depends on the uncertain excitation parameters. Furthermore, to achieve a high power density of the piezoceramics used for the energy conversion, it is required to generate a high-frequency operation of the piezoceramics from a low-frequency vibration source. Such frequency transformation is, for example, exploited in ultrasonic motors, but has never been examined in the inverse direction for ultrasonic generators. In this thesis, a new concept of piezoelectric generators is studied in detail with respect to its applicability for energy harvesting systems. To this end, electromechanical models of two different ultrasonic motors are derived in order to study their convertibility of the operating direction. Based on the analytical models, the influence of the main parameters on the dynamic behavior as well as the characteristic steady-state operation are determined. Experiments are carried out to validate this concept.

Die Hauptaufgabe im Bereich des schwingungsbasierten Energy-Harvesting ist die möglichst effiziente Umwandlung von kinetischer Energie aus Schwingungen und Bewegungen einer Struktur in nutzbare elektrische Form. Diese wird beispielweise zur Speisung leistungsarmer Elektronik verwendet, um die Kosten für eine externe Energieversorgung, zusätzliche Verkabelung und Batteriewechsel zu reduzieren. Solche energieautarken Systeme finden Anwendung im Bereich des Structural-Health-Monitoring, im Automobil- oder Flugzeugbau, aber auch im Bauwesen oder im Maschinenbau. Eine Herausforderung im Gebiet des schwingungsbasierten Energy-Harvesting ist es, den Energy-Harvester so auszulegen, dass dieser bei verschieden Eingangssignalen einen annehmbaren Wirkungsgrad aufweist. Da die meisten untersuchten Generatorprinzipien konstruktiv bedingt auf einem zwangserregten System basieren, haben sie den Nachteil, dass die Systemdynamik stark von dem in der Regel unbekannten Anregungssignal abhängt. Des Weiteren ist es für eine hohe Leistungsdichte der zur Energieumwandlung verwendeten Piezokeramiken notwendig, aus einer niederfrequenten Anregung heraus die Piezokeramik möglichst hochfrequent zu betreiben. Zwar wird solch eine Frequenzwandlung bereits bei Ultraschallmotoren ausgenutzt, dennoch sind keine Anwendungen für den Generatorbetrieb bekannt. In dieser Arbeit wird ein neues Konzept von piezoelektrischen Generatoren für die Anwendung im Energy-Harvesting untersucht. Zu diesem Zweck werden elektromechanische Modelle für zwei verschiedene Ultraschallmotoren hergeleitet und auf ihre Umkehrung des Funktionsprinzips hin untersucht. Anhand der analytischen Modelle kann sowohl der Einfluss der wichtigsten Parameter auf die Systemdynamik, als auch die Charakteristiken im Generatorbetrieb abgeschätzt werden. Der Nachweis für die Realisierbarkeit dieses Konzepts wird experimentell erbracht.