برداشت انرژي ارتعاشي در پيكره بندي پيزومگنتوالاستيك با استفاده از تشديد فوق هارمونيك

Piezomagnetoelastic vibration energy harvesting with superharmonic resonance

سيستم هاي غيرخطي داراي تشديدهاي فوق هارمونيك مي باشند. اين تشديدها در كسري از فركانس طبيعي سيستم رخ مي دهند و مي توانند پاسخ با دامنه زيادي را فعال كنند. استفاده از اين تشديدها به دليل پايين بودن فركانس آن ها براي سيستم هاي برداشت انرژي مي تواند بسيار مفيد باشد. هدف از اين پژوهش، بررسي سيستم برداشت انرژي ارتعاشي غيرخطي با هندسه پيزومگنتوالاستيك تحت تحريك فوق هارمونيك مي باشد. در مقاله پيش رو معادلات حاكم بر سيستم در دو حالت پايداري يگانه و پايداري دوگانه با استفاده از روش مقياس هاي چندگانه حل شده و حالاتي كه فركانس تحريك خارجي برابر با فركانس تشديد فوق هارمونيك است، بررسي مي گردد. در اين حالات جابجائي نوك تير و ميزان ولتاژ خروجي بدست آمده و نشان داده مي شود كه تشديد فوق هارمونيك براي بهره برداري از سيستم هاي برداشت انرژي غيرخطي مفيد بوده و باعث افزايش انرژي برداشت شده در اين سيستم ها مي گردد. همچنين ميزان انرژي بدست آمده در سيستم با پايداري يگانه و سيستم با پايداري دوگانه مقايسه گرديده است. مشاهده مي شود سيستم با پايداري دوگانه براي برداشت انرژي مناسب تر است. علاوه بر روش مقياس هاي چندگانه، با استفاده از روش عددي رانگ كوتا پاسخ ها بدست آمده است. نتايج روش مقياس هاي چندگانه با نتايج روش حل عددي مقايسه گرديده است. مشاهده مي شود نتايج دو روش تطابق بسيار خوبي دارند.

Nonlinearities give rise to secondary resonances such as superharmonic and subharmonic resonances. The superharmonic resonance can activate large-amplitude responses when the excitation frequency is a fraction of the fundamental frequency of the system. These low frequency excitations are very beneficial for energy harvesting systems. This paper presents an analytical investigation of vibrational energy harvesters with superharmonic excitation in a pietzomagnetoelastic configuration. A piezomagnetoelastic power generator is assumed to operate in the monostable and bistable modes. Nonlinear differential equations governing the oscillations of the system is solved using the method of multiple scales. System responses to the superharmonic resonance including the cantilever tip displacement and the output voltage are determined. It is found that employing the superharmonic resonance can increase the amount of harvested energy in the system. The root mean square value of the output voltage is obtained for several cases in both monostable and bistable modes. The power generated in monostable and bistable modes is then compared through numerical simulations. It is observed that the bistable mode is more convenient for harvesting energy. In addition, a Rung-Kutta numerical scheme is used to solve the differential equations. It is shown that the perturbation solution is in a close agreement with the numerical solution.