Restoring the passivity of shunt damping circuits based on the synthetic inductance by thermal energy harvesting

• Autorzy: Lubieniecki M. , Uhl T.

Warianty tytułu

PL

Przywrócenie pasywnego charakteru metodzie tłumienia drgań opartej o materiały piezoelektryczne przez wykorzystanie techniki pozyskiwania energii strat cieplnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

For decades people have used ambient energy, e.g., that of rushing streams or wind to obtain usable power. Starting with very low energy conversion, through constant development we have now reached the stage of extensive possibilities of harvesting the energy from the environment we live in. Today, there exist almost unconstrained opportunities to energize a broad spectrum of devices by energy available almost anywhere and of whichever form. One of the great advantages of energy harvesting is to make small electronic devices autonomous eliminating the need of power supply and maintenance. Shunt damping systems are unfavorably influenced by the size and mass of the coil inductors. While substituting bulky inductors with synthetic inductors one losses the passivity of the system gaining its practicability. Nevertheless, in order to outperform the actively driven systems, it is indispensable to return the passive properties of the system maintaining its performance. This paper presents the feasibility study of powering the passive shunt damping devices by the work that is lost irrevocably in a bearing node. The heat generated in a bearing is converted via the thermoelectric phenomenon and then used to power the synthetic inductance circuitry. In the paper it is shown that the required power levels can be satisfied by the thermoelectric generator paired to a moderately loaded bearing

PL

Od zawsze ludzie wykorzystywali energię dostępną w ich otoczeniu i przekształcali ją w użyteczną pracę mechaniczną. Stopniowo priorytetowym zadaniem stało się pozyskiwanie energii w formie energii elektrycznej. Z początku niewielka sprawność i koszt inwestycyjny nie pozwalał na szerokie wykorzystanie technik pozyskiwania energii, dzisiaj stajemy przed niespotykanym wcześniej zapotrzebowaniem na energię, a przede wszystkim mamy możliwość generowania energii ze źródeł różnego typu i wielkości dostępnych w naszym otoczeniu. Technika pozyskiwania (zbierania) energii oferuje szeroki potencjał możliwości zasilania urządzeń elektronicznych małych mocy, przekształcając je w jednostki autonomiczne niewymagające zasilania ani okresowej wymiany magazynu energii. Technika tłumienia drgań z wykorzystaniem materiałów piezoelektrycznych ograniczona jest przez wymaganą synchronizację drgań konstrukcji i obwodu rezonansowego, która niesie za sobą konieczność użycia cewek indukcyjnych o znacznych wymiarach gabarytowych i masie. Istnieje możliwość zastąpienia tych elementów przez sztuczną indukcyjność realizowaną jako układ elektroniczny za pomocą wzmacniaczy operacyjnych kosztem utraty pasywnego charakteru metody. W artykule zaprezentowano studium wykonalności układu tłumienia drgań wykorzystującego sztuczną indukcyjność, ale zasilaną ze źródła energii pozyskiwanej ze strat cieplnych łożyska. Artykuł udowadnia, że dla szerokiego spektrum przypadków połączenie techniki pozyskiwania energii oraz techniki wykorzystujących bierne obwody (shunt damping) jest korzystne

Słowa kluczowe

EN

shunt damping circuits; thermal energy harvesting

PL

metoda tłumienia drgań; materiały piezoelektryczne; pozyskiwanie energii strat cieplnych

• Wydawca: AGH University of Science and Technology Press
• Czasopismo: Mechanics and Control
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 32, no. 1
• Strony: 21--29
• Opis fizyczny: Bibliogr. 41 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Lubieniecki M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Department of Robotics and Mechatronics, Krakow, Poland

autor

Uhl T.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Department of Robotics and Mechatronics, Krakow, Poland

Bibliografia

• 1. Antoniou A. 1969, Realization of gyrators using operational amplifiers and their use in RC-active-network synthesis. Proc. IEEE, 116(1), pp. 1838-1850.
• 2. Stallaert B., Devos S., Pinte G., Symens W., P.S. 2008, Active Structural Acoustic Source Control of Rotating Machinery Using Piezo Bearings. Proc. of 2008 IMAC-XXVI: Conference & Exposition on Structural Dynamics.
• 3. Caruso G. 2001, A critical analysis of electric shunt circuits employed in piezoelectric passive vibration damping. Smart Materials and Structures, 10(5), pp. 1059-1068.
• 4. Cudney H. et al. 1994, Adaptive structures and composite materials: analysis and application. International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Chicago, Illinois, November 6-11, 1994, vol. 45, American Society of Mechanical Engineers.
• 5. Niederberger D. 2005, Smart Damping Materials using Shunt Control. The Swiss Federal Institute of Technology (ETH).
• 6. Dicken J. et al. 2009, Increased power output from piezoelectric energy harvesters by pre-biasing. pp. 4-7.
• 7. Fleurial J. et al. 1999, Miniaturized Thermoelectric Power Sources. Current, 992569, p. 2569.
• 8. Freunek M. et al. 2009, New Physical Model for Thermoelectric Generators. Journal of Electronic Materials, 38(7), pp. 1214-1220.
• 9. Greaves M. et al. 2008, Self-optimising piezoelectric damping. Proc. of SPIE, 6928, p. 69282O-69282O-10.
• 10. Hagood N.W., Von Flotow A. 1991, Damping of structural vibrations with piezoelectric materials and passive electrical networks. Journal of Sound and Vibration, 146(2), pp. 243-268.
• 11. Hollkamp J.J. 1994, Multimodal passive vibration suppression with piezoelectric materials and resonant shunts. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 5(1), pp. 49-57.
• 12. Horowitz P., Hill W. 1989. The Art of Electronics. Cambridge University Press.
• 13. Kansal A. et al. 2006, Harvesting Aware Power Management for Sensor Networks. Networks, pp. 651-656.
• 14. Kansal A. et al. 2007, Power management in energy harvesting sensor networks. ACM Transactions on Embedded Computing Systems, 6(4), p. 32-es.
• 15. Kenji N., 2008. Rotatably Supporting Device with Generating Set.
• 16. KnebaZ., Makowski, S. 2004, Zasilanie i sterowanie silników. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa:
• 17. Konak M.J. et al. 2001, Analysis of a self-powered piezoelectric vibration damper. In: D.K. Sood, R.A. Lawes, V.V. Varadan eds., Smart Materials and MEMS, pp. 328-339.
• 18. Konak M.J. et al. 1997, Self-powered discrete time piezoelectric vibration damper. In: A. Hariz, V.K. Varadan, O. Reinhold, eds, Far East and Pacific Rim Symposium on Smart Materials, Structures, and MEMS, pp. 270-279.
• 19. Kreith F. 2000, CRC Handbook of Thermal Engineering. The F. Kreith, ed., CRC Press.
• 20. Leonov V. et al. 2007, Thermoelectric Converters of Human Warmth for Self-Powered Wireless Sensor Nodes.
• 21. Lubieniecki M. 2012, Smart structures and materials in energy harvesting in a bearing node of a rotating machinery. University of Science and Technology in Cracow.
• 22. Lubieniecki M., Uhl T. 2012, Thermoelectric energy harvester: Design considerations for a bearing node. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 23(16), pp. 1813-1825.
• 23. Luo C., Whitehead M.C., Hofmann H.F. 2007, Design and Testing of a Power Electronic Synthetic Inductor. 2007 IEEE Power Electronics Specialists Conference, pp. 2089-2094.
• 24. Mateu L., Codrea C., Lucas N., Pollak M., Spies P. 2006, Energy harvesting for wireless communication systems using thermogenerators. Proc. of the XXI Conference on Desing of Systems, Barcelona 22-24, November 2005.
• 25. Micropelt G. 2011, Micropelt GmbH. Available at: http://www.micropelt. com [Accessed October 1, 2011].
• 26. Mims B. 1961, Thermoelectric Cooling Assembly.
• 27. Minoru T. 2004, Rolling Bearing.
• 28. Mitcheson P.D. 2010, Energy harvesting for human wearable and implantable bio-sensors. Conference Proceedings of the International Conference of IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2010, pp. 3432-3436.
• 29. Nashif A.D., Jones D.I.G., Henderson J.P. 1985, Vibration damping. D.I. Jones, J.P. Henderson, eds., John Wiley & Sons.
• 30. Nextreme Thermal Solutions 2011. Nextreme Thermal Solutions, Inc. Available at: http://www.nextreme.com [Accessed October 1, 2011].
• 31. Ortiz A. et al. 2007, Energy Harvester Power Management. Automation and Controls.
• 32. Riordan R.H.S. 1967, Simulated Inductors Using Differential Amplifiers. Electronics, 3(2), pp. 50-51.
• 33. Ruehli A., Brennan P. 1975, The modified nodal approach to network analysis. IEEE Transactions on Circuits and Systems, 22(6), pp. 504-509.
• 34. Ringwelski S.et al. 2011. Piezoelectric controlled noise attenuation of engineering systems. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 3(49), pp. 859-878.
• 35. Ushijima S., S.J. 1993. Active engine mount with piezo-actuator for vibration control. SAE Paper, (930201).
• 36. Sentient Corporation 2011. Sentient Corporation. Available at: http://www. sentientscience.com [Accessed October 1, 2011].
• 37. SKF 2005. SKF General Catalogue, Catalogue 5000E.
• 38. Starner T. 1996. Human-powered wearable computing. IBM Systems Journal, 35(3.4), pp. 618-629.
• 39. Tadashi R., Fumito O. 1983, Cooling Device of Static Pressure Bearing.
• Wu S.Y. 1998, Method for multiple-mode shunt damping of structural vibration using a single PZT transducer. Proceedings of SPIE, 3327(1), pp. 159-168.
• 40. Özerdem B. 2000, Measurement of convective heat transfer coefficient for a horizontal cylinder rotating in quiescent air. International Communications in Heat and Mass Transfer, 27(3), pp. 389-395