مدل‌سازي اجزا محدود يك برداشت‌كننده انرژي نوآورانه با استفاده از آلياژ حافظه‌دار مغناطيسي بر پايه تير موج‌دار و بررسي پارامترهاي موثر بر آن

Finite Element Modeling of a Novel Magnetic Shape Memory Alloy Based Energy Harvester Using a Corrugated Beam and Investigating the Effective Parameters

در سال‌هاي اخير كاربرد منابع انرژي سيار و در نتيجه سيستم‌هاي استحصال انرژي جهت استفاده از منابع انرژي محيط، افزايش پيدا كرده است. در اين تحقيق، يك چيدمان نوآورانه براي يك سيستم بازيابي انرژي با استفاده از آلياژ حافظه‌دار مغناطيسي (Ni51.1Mn24Ga24.9) تحت بستر يك تير موج‌دار يك‌سر درگير و تاثير پارامترهاي محيطي بر ولتاژ بدست آمده، به روش اجزاء محدود بررسي شده است. دليل استفاده از ساختار موج‌دار، افزايش مقاومت در ضخامت‌هاي كم و همچنين افزايش ميدان كرنش موثر در المان آلياژ حافظه‌دار است كه باعث كاهش طول مجموعه و حجم اشغالي آن مي‌شود. مبناي بازيابي انرژي از سيستم مذكور تبديل انرژي ارتعاشي تير به انرژي الكتريكي مي‌باشد. يك سيم‌پيچ مسي حول المان‌هاي آلياژ حافظه‌دار پيچيده شده و اين مجموعه در يك ميدان مغناطيسي ثابت قرار دارد. اگر يك ميدان تنش يا كرنش به المان‌هاي آلياژ حافظه‌دار وارد شود، جهت‌گيري اجزاي موسوم به واريانت تغيير كرده و اين امر باعث آشفته‌سازي ميدان مغناطيسي اطراف المان آلياژ حافظه‌دار مي‌شود كه بر اساس قانون فارادي، يك جريان الكتريكي در سيم‌پيچ القا مي‌كند. اين مسئله به وسيله شبيه‌سازي اجزاء محدود در نرم‌افزار آباكوس و استفاده از كد ساختاري ماده به جهت مدل‌سازي رفتار آلياژ حافظه‌دار بررسي شده است. جهت مدل‌سازي رفتار آلياژ حافظه‌دار از مدل غيرخطي گسترش يافته كيفر و لاگوداس استفاده شده است. در اين تحقيق، تاثير شرايط اوليه آلياژ حافظه‌دار و ميدان مغناطيسي خارجي بر ولتاژ خروجي بررسي شده است.

In recent years demand for mobile electrical power has been increased and due to this application, energy harvester systems have been developed to convert mechanical energy into suitable electrical energy using smart materials. In this investigation, a novel arrangement of a new energy harvester using magnetic shape memory alloys is developed. Elements of smart materials () are attached to a corrugated beam and their roots are fixed to the base support. The reason for using the corrugated beam is to increase the stiffness of the structure in less thickness and also to increase the effective strain field in smart material elements. This feature reduces the length of the system and the occupied volume. The way of harvesting energy from this system is based on the conversion of vibrational energy to the magnetic flux gradient. That is to say; there is a number of copper coils wrapped around the elements in a constant magnetic field. If strain or stress field is applied to the smart material elements, some variants in a specific direction are changed and as a result, the electrical current is induced to the coils. The alternating current voltage is produced as a result of the change in the magnetic flux of the surrounding coil according to Faraday’s Law. The problem is studied with simulations in Abaqus using user material code for modeling behaviour of magnetic shape memory alloy elements. Also, to simulate the material properties of smart material substance, Kiefer and Lagoudas nonlinear model is used. It will be shown the effect of various parameters on the output voltage value.