برداشت انرژی ارتعاشی در پیکره‌بندی پیزومگنتوالاستیک با استفاده از تشدید فوق‌هارمونیک

عوامل غیرخطی سبب بروز تشدیدهای ثانویه همچون تشدید فوق هارمونیک و تشدید زیرهارمونیک در سیستم ها می شوند. تشدیدهای فوق‌هارمونیک در کسری از فرکانس طبیعی سیستم رخ می‌دهند و می‌توانند پاسخ با دامنه زیادی را فعال کنند. استفاده از این تشدیدها به دلیل پایین بودن فرکانس آن‌ها برای سیستم‌های برداشت انرژی می‌تواند بسیار مفید باشد. هدف از این پژوهش، بررسی سیستم برداشت انرژی ارتعاشی غیرخطی با هندسه پیزومگنتوالاستیک تحت تحریک‌ فوقهارمونیک می‌باشد. در مقاله پیش‌رو معادلات حاکم بر سیستم در دو حالت پایداری یگانه و پایداری دوگانه با استفاده از روش مقیاس‌های چندگانه حل شده و حالاتی که فرکانس تحریک خارجی برابر با فرکانس تشدید فوق‌هارمونیک است، بررسی می‌گردد. در این حالات جابجائی نوک تیر و میزان ولتاژ خروجی بدست آمده و نشان داده می‌شود که تشدید فوق‌هارمونیک برای بهره‌برداری از سیستم‌های برداشت انرژی غیرخطی مفید بوده و باعث افزایش انرژی برداشت شده در این سیستم‌ها می‌گردد. همچنین میزان انرژی بدست‌آمده در سیستم با پایداری یگانه و سیستم با پایداری دوگانه مقایسه گردیده است. مشاهده می‌شود سیستم با پایداری دوگانه برای برداشت انرژی مناسب‌تر است. علاوه بر روش مقیاس‌های چندگانه، با استفاده از روش عددی رانگ کوتا پاسخ‌ها بدست آمده است. نتایج روش مقیاس‌های چندگانه با نتایج روش حل عددی مقایسه گردیده است. مشاهده می‌شود نتایج دو روش تطابق بسیار خوبی دارند.

Piezomagnetoelastic vibration energy harvesting with superharmonic resonance

Nonlinearities give rise to secondary resonances such as superharmonic and subharmonic resonances. The superharmonic resonance can activate largeamplitude 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 RungKutta 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.