Hochfrequentes energy harvesting mit mechanischer Frequenzwandlung

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Hagedorn
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 167079056

Seit einer Reihe von Jahren, ist das Energy Harvesting zur kabellosen Energieversorgung von autonomen Geräten, wie z.B. intelligenten Sensoren und anderen Geräten mit niedriger Leistungsaufnahme, zu einem wichtigen Forschungsthema geworden. Eines der ältesten Energy-Harvesting-Geräte ist die mechanische, sich selbstaufziehende Armbanduhr, bei der die geerntete Energie in einer Feder gespeichert wird (lange Zeit bevor der Begriff Energy Harvesting geprägt wurde). In den modernen Energy-Harvesting-Geräten werden meist Strukturschwingungen in elektrische Energie umgewandelt, wobei für die Umwandlung meist piezokeramische Wandler verwendet werden. Da die umgewandelte Energie pro Schwingzyklus in einem piezoelektrischen Element (aus mechanischer in die elektrische Form) gering ist, ist es sinnvoll den Wandler hochfrequent zu betreiben. In den meisten Piezomotoren wird genau das umgesetzt, allerdings in umgekehrter Richtung: Die Leistungselektronik generiert ein hochfrequentes Eingangssignal im 100 kHz-Bereich, wohingegen sich die mechanische Ausgangsleistung, wie es für gängige Anwendungen üblich ist, im niederfrequenten Bereich (1-20 Hz) befindet. Für piezoelektrische Generatoren bzw. Harvester wurde dies bis heute noch nicht umgesetzt. Der Hauptgrund dafür ist, dass hochfrequente mechanische Schwingungen aus niederfrequentem Eingangssignal erzeugt werden müssen.Die Arbeitsgruppe Dynamik und Schwingungen der TU Darmstadt hat seit 1980 reichlich Kompetenz in der Erforschung von Piezomotoren erarbeitet, besonders auch im Hinblick auf die mechanische Frequenzwandlung solcher Antriebe. Darüber hinaus wurde im selben Zeitraum die Erzeugung von hochfrequenten Schwingungen aus niederfrequenten Eingangssignalen aufgrund von Kontaktkräften untersucht, wie sie z.B. beim Bremsenquietschen stattfindet. Die Untersuchungen wurden sowohl experimentell, als auch analytisch, durch Herleitung adäquater Modelle, durchgeführt.Ziel dieses Projekts ist es, die Realisierbarkeit von piezoelektrischen Generatoren zu untersuchen, bei denen eine mechanische Frequenzwandlung von nieder- zu hochfrequenten Schwingungen stattfindet. Dies kann zu Anwendungen bei intelligenten autonomen Sensoren führen, die z.B. für Schadenserkennung bei Achsen von Hochgeschwindigkeitszügen eigesetzt werden können. Die Ziele des geplanten Vorhabens sind: Ein besseres Verständnis der mechanischen Frequenzwandlung in beiden Wirkrichtungen zu erarbeiten, mathematische Modelle herzuleiten und Prototypen solcher piezoelektrischer Generatoren zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen