RU2267219C2 - Explosive piezo-generator - Google Patents
Explosive piezo-generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2267219C2 RU2267219C2 RU2003100188/06A RU2003100188A RU2267219C2 RU 2267219 C2 RU2267219 C2 RU 2267219C2 RU 2003100188/06 A RU2003100188/06 A RU 2003100188/06A RU 2003100188 A RU2003100188 A RU 2003100188A RU 2267219 C2 RU2267219 C2 RU 2267219C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- generator
- piezo
- piezoelectric
- explosive
- plates
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в качестве исполнительного механизма в системах однократного действия.The invention relates to high-current pulse technology and can be used as an actuator in single-acting systems.
Известен взрывной пьезогенератор, содержащий генератор ударной волны, пьезоэлектрический преобразователь энергии ударной волны в электрическую энергию в виде одной пьезопластины с электродами на двух противоположных гранях, параллельных направлению распространения ударной волны (патент US №3589294).Known explosive piezoelectric generator containing a shock wave generator, a piezoelectric transducer of shock wave energy into electrical energy in the form of one piezoelectric plate with electrodes on two opposite sides parallel to the direction of propagation of the shock wave (US patent No. 3589294).
В отличие от импульсных генераторов многоразового действия, принцип работы которых основан на предварительном запасании энергии на накопительной электрической емкости, такой генератор обладает максимальной простотой, не нуждается в источниках питания, не требует регламентных проверок в процессе хранения и эксплуатации.Unlike reusable pulsed generators, the principle of which is based on the preliminary storage of energy in a storage electric capacity, such a generator has maximum simplicity, does not need power sources, and does not require routine checks during storage and operation.
В основу работы этого генератора положен принцип преобразования механической энергии ударной волны в электрическую энергию в объеме ударнонагружаемого пьезоэлектрического преобразователя. Генерирование электрического импульса в нагрузке генератора происходит после взрыва содержащегося в генераторе ударной волны взрывчатого вещества (ВВ) при прохождении фронта ударной волны по пьезопреобразователю.The operation of this generator is based on the principle of converting the mechanical energy of a shock wave into electrical energy in the volume of a shock-loaded piezoelectric transducer. The generation of an electric pulse in the load of the generator occurs after the explosion of the explosive contained in the shock wave generator (BB) while the shock front passes through the piezoelectric transducer.
Известный взрывной пьезогенератор не позволяет существенно повысить амплитуду тока или напряжения генерируемого им электрического импульса без одновременной потери компактности конструкции и быстродействия генератора.The known explosive piezoelectric generator does not significantly increase the amplitude of the current or voltage of the electric pulse generated by it without simultaneously losing the compactness of the structure and the speed of the generator.
Известен взрывной пьезогенератор (патент SU №1119564), содержащий плосковолновой генератор ударной волны и пьезоэлектрический преобразователь в виде набора прямоугольных пьезопластин с максимальной величиной остаточной поляризации, установленных вплотную одна к другой гранями с электродами, параллельными направлению распространения ударной волны и соединенными электрически параллельно.Known explosive piezoelectric generator (patent SU No. 1119564), containing a plane-wave shock wave generator and a piezoelectric transducer in the form of a set of rectangular piezoelectric plates with a maximum value of residual polarization, mounted close to each other with electrodes parallel to the direction of propagation of the shock wave and connected electrically in parallel.
Взрывной пьезогенератор работает следующим образом. При срабатывании средства инициирования (электродетонатора) в вершине конического слоя взрывчатого вещества возбуждается детонация. Под действием скользящей детонации в слое ВВ происходит разгон лайнера и за счет выбора угла δ в вершине конического лайнера обеспечивается одновременный удар лайнера по торцевой поверхности блока пьезопластин, в котором формируется плоская ударная волна. При этом в омической нагрузке, подключенной к выходным клеммам взрывного пьезогенератора, формируется импульс электрического тока П-образной формы.Explosive piezoelectric generator operates as follows. When triggering means of initiation (electric detonator) at the top of the conical layer of explosive, detonation is excited. Under the action of sliding detonation in the explosive layer, the liner accelerates and, by choosing the angle δ at the apex of the conical liner, the liner simultaneously hits the end surface of the piezoelectric plate block, in which a plane shock wave is formed. Moreover, in an ohmic load connected to the output terminals of an explosive piezoelectric generator, an U-shaped electric current pulse is generated.
Недостатком этой конструкции взрывного пьезогенератора является то, что в случае использования его в схеме с RLC-нагрузкой, для сохранения уровня надежности, в конечном счете, приходится увеличивать его габаритно-массовые характеристики, поскольку такой взрывной пьезогенератор генерирует импульс тока П-образной формы, а в нагрузке с индуктивной составляющей формируется импульс тока, изменяющийся во времени по синусоидальному закону. Возникающие в результате этого излишки заряда накапливаются на собственной емкости взрывного пьезогенератора и заряжают ее до напряжения, величина которого может превысить электрическую прочность системы "генератор+нагрузка". Для того чтобы этого не случилось, приходится искусственно увеличивать емкость системы "генератор+нагрузка" за счет введения в схему дополнительного конденсатора, размеры которого превышают размеры самого взрывного пьезогенератора.The disadvantage of this design of an explosive piezoelectric generator is that if it is used in a circuit with an RLC load, in order to maintain the reliability level, ultimately, it is necessary to increase its overall mass characteristics, since such an explosive piezoelectric generator generates a U-shaped current pulse, and in a load with an inductive component, a current pulse is formed, which varies in time according to a sinusoidal law. The resulting excess charge accumulates on the own capacity of the explosive piezoelectric generator and charges it to a voltage that can exceed the electric strength of the generator + load system. In order to prevent this from happening, it is necessary to artificially increase the capacity of the “generator + load” system by introducing an additional capacitor into the circuit, the dimensions of which exceed the dimensions of the explosive piezoelectric generator itself.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в сохранении уровня надежности взрывного пьезогенератора при уменьшении габаритно-массовых характеристик в случае его работы на RLC-нагрузку, т.е. нагрузку с индуктивной составляющей.The problem to which the invention is directed is to maintain the reliability level of the explosive piezoelectric generator while reducing the overall mass characteristics in the event of its operation on an RLC load, i.e. load with inductive component.
Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в стабилизации напряжения на выходных клеммах взрывного пьезогенератора с RLC-нагрузкой, в результате чего отпадает необходимость в увеличении емкости системы "генератор+нагрузка" за счет дополнительного конденсатора, что снижает габаритно-массовые характеристики.The technical result obtained by carrying out the invention consists in stabilizing the voltage at the output terminals of an explosive piezoelectric generator with an RLC load, as a result of which there is no need to increase the capacity of the generator + load system due to an additional capacitor, which reduces the overall mass characteristics.
Указанный результат достигается тем, что во взрывном пьезогенераторе, содержащем плосковолновой генератор ударной волны и пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде набора прямоугольных пьезопластин с максимальной величиной остаточной поляризации, установленных вплотную одна к другой гранями с электродами, параллельными направлению распространения ударной волны и соединенными электрически параллельно, новым является то, что полярность включения, по крайней мере, одной пьезопластины противоположна полярности включения других пьезопластин, у которых однополярные электроды соединены между собой.This result is achieved by the fact that in an explosive piezoelectric generator containing a plane-wave shock wave generator and a piezoelectric transducer made in the form of a set of rectangular piezoelectric plates with a maximum residual polarization installed close to one another with electrodes parallel to the direction of propagation of the shock wave and connected electrically in parallel, new is that the inclusion polarity of at least one piezoelectric plate is opposite to the inclusion polarity I am of other piezoelectric plates in which unipolar electrodes are interconnected.
При ударном нагружении пьезокерамики в ее объеме будет возбуждаться электрическое поле. При достижении напряженности поля значения Е=Ес, где Ес - напряженность коэрцитивного электрического поля, в пьезопластине, полярность включения которой противоположна, будет протекать процесс переключения поляризации и поглощение избыточного электрического заряда, выделяемого другими пьезопластинами. Это автоматически позволяет поддерживать постоянной величину напряжения на выходных клеммах взрывного пьезогенератора:Upon impact loading of piezoceramics, an electric field will be excited in its volume. When the field strength reaches the value E = E c , where E c is the coercive electric field strength, in the piezoelectric plate, the polarity of which is opposite, the polarization switching process will take place and the excess electric charge released by other piezoelectric plates will be absorbed. This automatically allows you to maintain a constant voltage value at the output terminals of the explosive piezoelectric generator:
V0=Есx0, (1)V 0 = E with x 0 , (1)
где х0 - расстояние между электродами пьезопластин. В результате отпадает необходимость в дополнительном конденсаторе, что уменьшает габаритно-массовые характеристики взрывного пьезогенератора.where x 0 is the distance between the electrodes of the piezoelectric plates. As a result, there is no need for an additional capacitor, which reduces the overall mass characteristics of the explosive piezoelectric generator.
Подбирая пьезокерамические составы, характеризующиеся значениями Ес, меньшими величины электрической прочности Епр, т.е. Ес<Епр, можно реализовать режим работы взрывного пьезогенератора с требуемым уровнем надежности.Selecting piezoceramic compositions characterized by values of E c , lower values of electric strength E CR , i.e. E c <E CR , it is possible to realize the operation mode of the explosive piezoelectric generator with the required level of reliability.
Необходимые расчетные соотношения для определения геометрических размеров пьезопластин могут быть получены следующим образом.Necessary design relationships for determining the geometric dimensions of piezoelectric plates can be obtained as follows.
Исходя из условия постоянства напряжения V0 на выходных клеммах взрывного пьезогенератора, можно найти выражение для тока I(t) в RLC-нагрузке генератора как решение уравненияBased on the condition of constant voltage V 0 at the output terminals of the explosive piezoelectric generator, we can find the expression for the current I (t) in the RLC load of the generator as a solution to the equation
Решение уравнения (2) при начальных условиях: I(0)=0, следующее выражение для тока в нагрузке:The solution of equation (2) under the initial conditions: I (0) = 0, The following expression for the current in the load:
Найдем соотношения, позволяющие рассчитать размеры пьезопластин: расстояние между электродами хо, суммарную длину yΣ0, высоту zo, а также ухо - длину пьезопластины, полярность включения которой противоположна.Let us find the ratios that make it possible to calculate the sizes of the piezoelectric plates: the distance between the electrodes x o , the total length y Σ0 , the height z o , and also xo the length of the piezoelectric plate, the polarization of which is opposite.
Интегрируя ток, протекающий в RLC-нагрузке в интервале времени от начала работы генератора t=0 до момента окончания его работы, t=T, можно рассчитать заряд Q(T), перетекший в цепи взрывного пьезогенератора:By integrating the current flowing in the RLC load in the time interval from the start of the generator operation t = 0 to the moment of its operation end, t = T, it is possible to calculate the charge Q (T) flowing in the circuit of the explosive piezoelectric generator:
С другой стороны, Q(T)=(yΣ0-2уxo)z0Pr, тогда получим:On the other hand, Q (T) = (y Σ0 -2y xo ) z 0 P r , then we get:
Учитывая, что к моменту окончания работы генератора, t=T, ток в RLC-нагрузке достигает своего максимального значения I(Т), можно рассчитать размер yΣ0:Given that by the time the generator finishes working, t = T, the current in the RLC load reaches its maximum value I (T), we can calculate the size y Σ0 :
Зная скорость U ударной волны в ПК, можно рассчитать высоту пьезопластин:Knowing the velocity U of the shock wave in a PC, one can calculate the height of the piezoelectric plates:
С помощью соотношения (1) находится выражение для расчета толщины пьезопластин:Using relation (1), an expression is found for calculating the thickness of piezoelectric plates:
Подставляя (6) в (5), получим:Substituting (6) in (5), we obtain:
Таким образом, задавая параметры RLC-нагрузки, величину рабочего напряжения V0 на выходных клеммах взрывного пьезогенератора и параметры пьезокерамического состава Еc, Рr и U, можно рассчитать размеры пьезокерамического рабочего тела генератора: х0, уΣ0, уxo, zo и ток I(t) в нагрузке генератора.Thus, by setting the parameters of the RLC load, the value of the operating voltage V 0 at the output terminals of the explosive piezoelectric generator and the parameters of the piezoceramic composition E c , P r and U, it is possible to calculate the dimensions of the piezoceramic working fluid of the generator: x 0 , y Σ0 , y xo , z o and current I (t) in the generator load.
На фиг.1 показан взрывной пьезогенератор. Изображение прямоугольной пьезопластины представлено на фиг.2.Figure 1 shows an explosive piezoelectric generator. The image of a rectangular piezoelectric plate is presented in figure 2.
Взрывной пьезогенератор (см. фиг.1) содержит плосковолновой генератор ударной волны и пьезоэлектрический преобразователь.An explosive piezoelectric generator (see Fig. 1) contains a plane-wave shock wave generator and a piezoelectric transducer.
Плосковолновой генератор ударной волны представляет собой аксиально-симметричную конструкцию и состоит из конусообразных крышки 2, лайнера 4, слоя пластического ВВ 3, размещенного между крышкой 2 и лайнером 4, и электродетонатора 1. За счет выбора угла в вершине конического лайнера 4 при заданных толщинах лайнера, слоя ВВ 3 и крышки генератора ударной волны 2 обеспечивается одновременный удар лайнера по торцевой поверхности пьезоэлектрического преобразователя.The plane wave generator of the shock wave is an axially symmetric design and consists of a cone-shaped cover 2, liner 4, a layer of plastic explosive 3 placed between the cover 2 and liner 4, and an electric detonator 1. By choosing the angle at the top of the conical liner 4 for given liner thicknesses , layer BB 3 and the cover of the shock wave generator 2 provides a simultaneous impact of the liner on the end surface of the piezoelectric transducer.
Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой, в общем случае, набор из прямоугольных пьезопластин 5, 10, находящихся в корпусе 8 и залитых электроизоляционным материалом 7, например эпоксидным компаундом. Пьезопластины 5, 10 характеризуются максимальной величиной остаточной поляризации Рr, установлены вплотную друг к другу гранями с электродами 6, параллельными направлению распространения ударной волны. Пьезопластины 5, 10 электрически соединены между собой параллельно. При этом однополярные электроды пьезопластин 5 соединены между собой (векторы остаточной поляризации Рr в этих пьезопластинах антипараллельны). Полярность включения пьезопластины 10 противоположна полярности включения пьезопластин 5 (вектор остаточной поляризации параллелен векторам остаточной поляризации примыкающих пьезопластин). К выходным клеммам 9 взрывного пьезогенератора подключена RLC-нагрузка.The piezoelectric transducer is, in the General case, a set of rectangular
Взрывной пьезогенератор работает следующим образом. Электродетонатор 1 возбуждает детонацию в вершине конического слоя ВВ 3. В результате скользящей детонации ВВ лайнер 4 разгоняется продуктами взрыва. При ударе лайнера 4 по торцевой поверхности пьезоэлектрического преобразователя в нем возбуждается ударная волна, распространяющаяся параллельно электродам 6 пьезопластин 5, 10. В объеме пьезопластин 5, 10 возбуждается электрическое поле и при достижении им значения Е=Ес в пьезопластине 10, полярность включения которой противоположна полярности включения пьезопластин 5, будет протекать процесс переключения поляризации и поглощение избыточного электрического заряда, выделяемого пьезопластинами 5. В результате в RLC-нагрузке, подключенной к выходным клеммам генератора 9, формируется импульс электрического тока при V0=const.Explosive piezoelectric generator operates as follows. The electric detonator 1 excites detonation at the apex of the conical layer of explosives 3. As a result of the sliding detonation of explosives, liner 4 is accelerated by explosion products. When the liner 4 hits the end surface of the piezoelectric transducer, a shock wave is excited in it, propagating parallel to the
В качестве примера практического применения полученных расчетных соотношений приведем расчет взрывного пьезогенератора, обеспечивающего запитку индуктивной нагрузки (L-нагрузки) при постоянном напряжении Vo, т.е. взрывного пьезогенератора с линейной токовой характеристикой.As an example of the practical application of the obtained calculated ratios, we give the calculation of an explosive piezoelectric generator providing power to the inductive load (L-load) at a constant voltage Vo, i.e. explosive piezoelectric generator with linear current characteristic.
В этом случае уравнение (2) и его решение (3) примут следующий вид:In this case, equation (2) and its solution (3) will take the following form:
Геометрические размеры пьезопластин 5,10 взрывного пьезогенератора могут быть найдены с помощью следующих расчетных соотношений:The geometric dimensions of the piezoelectric plates 5.10 of the explosive piezoelectric generator can be found using the following calculated ratios:
Источники информацииSources of information
1. Патент США №3589294, кл.102-70.2А, опубликовано в 1971 г.1. US patent No. 3589294, CL 102-70.2A, published in 1971
2. Взрывной пьезогенератор. Патент РФ №1119564, МПК Н OIL 41/08, Н 02 N 11/00, опубликовано в БИ №8, 1997 г.2. Explosive piezoelectric generator. RF patent No. 1119564, IPC N OIL 41/08, H 02 N 11/00, published in BI No. 8, 1997.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003100188/06A RU2267219C2 (en) | 2003-01-04 | 2003-01-04 | Explosive piezo-generator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003100188/06A RU2267219C2 (en) | 2003-01-04 | 2003-01-04 | Explosive piezo-generator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003100188A RU2003100188A (en) | 2004-08-10 |
RU2267219C2 true RU2267219C2 (en) | 2005-12-27 |
Family
ID=35870518
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003100188/06A RU2267219C2 (en) | 2003-01-04 | 2003-01-04 | Explosive piezo-generator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2267219C2 (en) |
-
2003
- 2003-01-04 RU RU2003100188/06A patent/RU2267219C2/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Chau et al. | Electric gun: a versatile tool for high‐pressure shock‐wave research | |
US7560855B2 (en) | Ferroelectric energy generator, system, and method | |
Shkuratov et al. | Compact high-voltage generator of primary power based on shock wave depolarization of lead zirconate titanate piezoelectric ceramics | |
Mock Jr et al. | Pulse charging of nanofarad capacitors from the shock depoling of PZT 56/44 and PZT 95/5 ferroelectric ceramics | |
RU2267219C2 (en) | Explosive piezo-generator | |
Hereil et al. | GEPI: an ice generator for dynamic material characterisation and hypervelocity impact | |
Shkuratov et al. | Completely explosive ultracompact high-voltage nanosecond pulse-generating system | |
Keawboonchuay et al. | Design, modeling, and implementation of a 30-kW piezoelectric pulse generator | |
Shkuratov et al. | Note: Autonomous pulsed power generator based on transverse shock wave depolarization of ferroelectric ceramics | |
RU2154887C2 (en) | Explosive piezoelectric-crystal generator | |
RU2154888C2 (en) | Explosive piezoelectric-crystal generator | |
MacDougall et al. | Large high energy density pulse discharge capacitor characterization | |
Guenther et al. | Acceleration of thin plates by exploding foil techniques | |
Tkach et al. | Theoretical treatment of explosive-driven ferroelectric generators | |
RU2298870C2 (en) | Burst piezoelectric generator for shaping current pulse in inductive load | |
Bolyard et al. | Simulation of compact explosively driven ferroelectric generators | |
Shkuratov et al. | Longitudinal shock wave depolarization of Pb (Zr52Ti48) O3 polycrystalline ferroelectrics and their utilization in explosive pulsed power | |
RU2313891C2 (en) | Explosive piezo-generator | |
Knoepfel et al. | Generation and switching of magnetic energies in the megajoule range by explosive systems | |
RU2693840C1 (en) | Self-contained generator of electromagnetic radiation of radio-frequency range | |
Spahn et al. | 50 kJ ultra-compact pulsed-power supply unit for active protection launcher systems | |
Wakeland et al. | Hydrodynamic loading of structural components due to electrical discharge in fluids | |
Wang et al. | Magnetohydrodynamics of metallic foil electrical explosion and magnetically driven quasi-isentropic compression | |
RU2044252C1 (en) | Explosive magnetocumulative generator | |
Staines et al. | Compact Piezo-Based High Voltage Generator-Part II: Quasi-Static Measurements |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070105 |