طراحی و تحلیل برداشت کننده انرژی پیزوالکتریک با عرض متغییر تحت تحریک مغناطیسی چرخان

پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1074-ISAV2025 (R1)
نویسندگان
1دانشگاه صنعتی اصفهان - دانشکده فنی و مهندسی گلپایگان
2دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، دانشکده مهندسی مکانیک
چکیده
برداشت انرژی پیزوالکتریک از حرکت های دورانی به عنوان یکی از منابع تأمین انرژی های پاک و دائمی مورد توجه واقع گردیده است. اما به دلیل توان پایین و به منظور افزایش راندمان، بهینه سازی آنها توسط روش‌های مختلف اهمیت بالایی را دارا می باشد. در این مقاله، برداشت کننده پیزوالکتریک با تحریک مغناطیسی غیر مستقیم چرخان مورد مطالعه قرار گرفته است. دستگاه شامل تیر یکسر گیردار با یک لایه پیزو الکتریک، آهن ربا و جرم انتهای تیر، دیسک هشت ضلعی متصل به محور چرخان و آهنرباهای محرک روی دیسک می‌باشد. انرژی پتانسیل و نیروی غیرخطی مغناطیسی تعیین و پس از استخراج معادلات کوپل الکترومغناطیسی در آن جایگزین می‌گردد. با توجه غیر خطی بودن معادلات و پریودیک بودن نوسان روش عددی برای حل معادلات مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین به دلیل هدف اصلی تحقیق که همان افزایش ولتاژ و توان خروجی نسبت به جرم برداشت کننده بوده و به منظور حذف اثر تغییر فرکانس طبیعی با تغییر ضریب کاهش عرض تیر از روش تغییر جرم انتها برای ثابت نگه داشتن فرکانس طبیعی استفاده شده است. اثر پارامترهایی همچون ضریب کاهش عرض، مقاومت مدار و تعداد آهن ربا بر چگالی ولتاژ و توان خروجی بررسی شده است. نمودارهای پاسخ فرکانسی برای تعیین اثر سرعت چرخش محور و بررسی ساب هارمونیک‌ها و تبدیل فرکانس بالا ترسیم و تحلیل گردیده‌اند. نتایج نشان از اثر هفت برابری تغییر عرض به صورت نمایی بر چگالی توان خروجی نسبت به عرض ثابت دارد.
کلیدواژه ها
 
Title
Design and analysis of a piezoelectric energy harvester with variable width under rotating magnetic excitation
Authors
Iman Fakhari Golpayegani, Ali Asghar Jafari
Abstract
The extraction of piezoelectric energy from rotational movements has gained attention as one of the sources of clean and sustainable energy. However, due to the low power output, optimizing these systems through various methods is of great importance to enhance their efficiency. In this paper, a piezoelectric energy harvester with indirect magnetic excitation is studied. The device consists of a cantilever beam with a piezoelectric layer, a magnet, a mass at the end of the beam, an octagonal disk connected to a rotating shaft, and driving magnets on the disk. The potential energy and nonlinear magnetic force are determined, and the electromagnetic coupling equations are extracted and incorporated into the analysis. Given the nonlinearity of the equations and the periodic nature of the oscillation, numerical methods are employed to solve the equations. Additionally, due to the main objective of the research, which is to increase voltage and output power relative to the mass of the harvester, the method of changing the end mass is used to keep the natural frequency constant by varying the tapering parameter. The effects of parameters such as the the tapering parameter, circuit resistance, and number of magnets on voltage density and output power are examined. Frequency response diagrams are plotted and analyzed to determine the effect of the rotational speed of the shaft and to investigate subharmonics and frequency conversion. The results indicate that changes in width have a sevenfold exponential effect on power density compared to a constant width.
Keywords
Piezoelectric, Exponentially variable width, Magnet, Voltage density, Power density