بهينه سازي برداشت انرژي از ارتعاشات تير كوپل با آلياژ حافظه دار مغناطيسي

Optimization of energy harvesting from vibration of beam coupled with magnetic shape memory alloys

در سالهاي اخير برداشت انرژي از منابع موجود در محيط به منظور راه اندازي ادوات الكترونيكي با توان پايين، مورد توجه بسياري از محققين قرارگرفته است. انرژي باد ، انرژي خورشيد ، انرژي جريان آب ، انرژي مكانيكي حاصل از ارتعاشات و . . . از جمله منابع مهم انرژي هاي موجود در محيط بشمار مي آيند. در اين مقاله بهينه سازي برداشت انرژي از ارتعاشات محيط توسط آلياژ حافظه دار مغناطيسي ارائه شده است. بدين منظور يك تير دوسر درگير بصورت كوپل با آلياژ حافظه دار مغناطيسي در نظر گرفته مي شود. ضربه‌اي به اندازه تنظيم شده به جرم محك متصل به وسط تير اعمال مي شود در نتيجه ارتعاشات تير باعث ايجاد كرنش هاي طولي در آلياژ مي گردد. اين تغيير كرنش باعث تغيير شار مغناطيسي در اطراف سيم پيچ متصل به آلياژ شده و با القاي جريان الكتريكي يك جريان AC در مدار برقرار مي گردد. براي ادامه داشتن فرايند و بازگشت كرنش ها در آلياژ ، يك ميدان مغناطيسي باياس در جهت عرضي به آلياژ اعمال مي گردد. در اين مقاله از مدل تير اويلر – برنولي با كمك تئوري فون كارمن و مدل ساختاري مبتني بر ترموديناميك براي پيش بيني كرنش هاي غير خطي و پاسخ مغناطيسي استفاده شده است. در نهايت براي پيش بيني ولتاژ خروجي قانون القاي فارادي بكار مي رود. پس از بدست آوردن معادلات و معرفي مدل ، بهينه سازي ابعادي بهمراه اثر جرم محك و ميدان باياس با هدف كم كردن حجم آلياژ با قيود اعمالي انجام مي شود.

In recent years, energy harvesting from ambient sources in order to use for low-powered electronics has been considered by many researchers. Wind energy, solar energy, water energy, mechanical energy from vibrations, etc are common sources of ambient energy. In this paper, optimization of energy harvesting from ambient vibration using magnetic shape memory alloy is presented. To this end, a clamped-clamped beam coupled with MSMA units is considered. A shock load is applied to a proof mass which is attached to the middle of the beam. As a result of beam vibration a longitudinal strain is produced in the MSMA. This strain changes magnetic flux inside the coil connected to MSMA and as a result, an AC voltage is induced in the coil. To have a reversible strain in MSMA, a bias magnetic field is applied in the transverse direction of MSMA units. The Euler-Bernoulli model with von Kármán theory and a thermodynamics-based constitutive model are used to predict the non-linear strain and magnetic response .Finally, Faraday's law of induction is used to predict the output voltage. After obtaining the governing equations, a design optimization is performed to find the optimal shape and configuration of the energy harvester together with the effects of proof mass and bias field.