Modélisation et caractérisation des générateurs piézoélectriques de conversion mécanoélectrique par compression uniaxiale dynamique ou quasi-statique

= Modeling and characterization of piezoelectric generators of mechanoelectrical conversion under dynamic or quasi-static uniaxial compression

• Auteur / Autrice : Christian Garabedian
• Direction : Paul Gonnard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance en 1992
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGEF - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité (Lyon, INSA)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décharges électriques

Titanozirconate de plomb

Piézoélectricité

Ferroélectricité

Résumé

La conversion d'énergie mécano-électrique dans un élément piézoélectrique revêt un caractère particulier qu il convient d analyser, selon que la contrainte est appliquée graduellement ou de manière impulsionnelle. Après un bref rappel de la conversion mécano-électrique, une méthode de détermination des paramètres électriques est mise au point afin de caractériser l'élément piézoélectrique sous compression dynamique. L incohérence entre les valeurs des coefficients bas niveau et ceux calculés à partir des mesures expérimentales nous a incité à proposer un modèle plis complexe dont le schéma équivalent tient compte des pertes diélectriques et mécaniques dans le matériau et de l'environnement mécanique dans lequel se trouve le piézoélément. Ce modèle a permis, à l'aide d'un logiciel de simulation écrit pour son exploitation de caractériser complètement la céramique sous haut niveau de sollicitation mécanique, en compression dynamique et de chiffrer les non-linéarités. Dans une seconde partie, l'analyse de la compression lente est faite. La mise en évidence d'un champ résiduel dans l'élément piézoélectrique a permis de redéfinir la valeur de l'énergie électrique délivrée dans un train d'étincelles sur un cycle de compression-détente et de déterminer, pour une composition donnée, la distance inter-électrodes optimale. Enfin, après comparaison des deux modes de conversion, nous avons essayé de cerner la formulation permettant 1'obtention de l'énergie électrique maximale.

The mechano-electrical energy conversion in a piezoelectric element is achieved differently depending on the stress to be applied. Those differences are further analysed. After a brief summarize of the mechano-electrical conversion, a method leading ta the determination of the electrical parameters is achieved to characterize the piezo-element under dynamic compression conditions. The great differences between the low level coefficients values and those calculated from the experimental measurements lead us to go ahead in the establishment of a model better suite to this conversion and taking into account the dielectric and mechanical lasses as well as the mechanical environment in which the piezo-ceramic is held. This mode yielded the complete characterization of the ceramic working under dynamic compression and its high non linearities. This characterization has been achieved with the help of a computerized simulation. In the second part of this work, the analysis of the slow compression is made. The remaining electric field in the piezo-element yielded a new definition of the value of the electrical energy provided in the spark generation on a compression-decompression cycle and for a given cam position, ta optimize the inter-electrode distance. Then, after a comparison between bath conversion modes, we tried to determine which composition would be better suited in order ta get the higher electrical energy.