بخشی از مقاله
خلاصه
در کار حاضر به جذب انرژی ارتعاشی از طریق تیر یکسر گیردار با مبدل الکترومغناطیس و نحوه تاثیر پارامترهای موثر برمبدل بررسی شده است. مدل سازی انجام شده برطبق مد مفروض استفاده گردیده است.تیر از نوع خصوصیت، اویلر - برنولی در نظر گرفته شده است.از آنجایی که در بررسی جذب انرژی،بدست آوردن مقادیر پاسخ فرکانس و ولتاژ تولیدی از اهمیت به سزایی در بهبود سیستم و نحوه عملکردسیستم برخوردار است،برای اعتبار سنجی به این روش با استفاده از حل شبیه سازی ،آزمایشگاهی و مقایسه حل پاسخ فرکانس های مختلف انجام شده است.به منظور بررسی تاثیر مدهای تیر در پاسخ ها در تک مد و دو مد مورد بررسی قرار گرفته است.
کلمات کلیدی: مبدل،الکترومغناطیس،ارتعاش تیر،فرکانس
.1مقدمه
برداشت انرژی به معنای جمع آوری و تبدیل انرژی های محیطی به انرژی الکتریکی است. برداشت انرژی ظرفیتی برای صرفهجویی در مصرف انرژی و حفظ محیط زیست میباشد. معمولا انرژی الکتریکی تولید شده در یک منبع ذخیره میشود تا انعطاف پذیری بیشتری در زمینه زمان کاربرد آن وجود داشته باشد.در کاربردهای بیشماری میتوان با استفاده از برداشت انرژی، توان مورد نیاز جهت مناطق دورافتاده یا دور از دسترس را فراهم نمود. امروزه کاربرد این روش در زمینه ابزارهای الکترونیکی، حسگرها و موارد نظامی و... قابل مشاهده است.برای تبدیل انرژی ارتعاشی به انرژی الکتریکی دو روش عمده وجود دارد.
روش اول استفاده از مواد پیزوالکتریک است، که انرژی فشاری در این گونه مواد به توان الکتریکی تبدیل میشود. روش دوم شامل استفاده از مبدل الکترومغناطیسی است. در مبدل الکترومغناطیسی حرکت یک سیم پیچ در میدان مغناطیسی باعث به وجود آمدن توان الکتریکی میشود.درسالهای اخیر مبدلهای الکترومغناطیس برای برداشت انرژی، مورد توجه ویژه قرار گرفتهاند. برداشت انرژی شامل گستره وسیعی از تحقیقات میباشد، در مطالعه حاضر به مبدل انرژی ارتعاشی به انرژی الکتریکی پرداخته خواهد شد. این نحوه برداشت انرژی به نوبه خود در کاربردهای بسیاری به کار گرفته شده است.
از مطالعه کیمیسیس [1] که به برداشت انرژی در کفش به وسیله نوارهای پیزوالکتریک اشاره کرده است، تا نی و همکاران [2] که به مطالعه برداشت انرژی از نوسان ساختمان در اثر باد پرداختهاند. کاربردهای برداشت انرژی به ویژه توسط مواد پیزوالکتریک در مقیاس کوچک، مانند تامین انرژی سنسورهای بیسیم یا تکنولوژی MEMS تا به امروز بیشتر مورد توجه قرار گرفتهاند. از جمله میتوان به مطالعات آنتون و همکاران [3] اشاره نمود. آنها تحقیقات مربوط به برداشت انرژی به وسیله مواد پیزوالکتریک را در طیچند سال بررسی کردند. اوتمن و همکاران [4] روشی را برای برداشت انرژی به وسیله مواد پیزوالکتریک ارائه نمودند. همچنین متوجه شدند با افزایش سطح تحریکها، چرخه عملکردی بهینه در مبدل به نسبت ثابت باقی میماند.
پولین و همکاران [5] به مقایسه بین مبدلهای پیزوالکتریک و مبدلهای الکترومغناطیس پرداختند. نتیجه مطالعات آنها نشان داد که اگرچه فیزیک حاکم و در نتیجه رفتار این دو متفاوت است تولید توان به شکل مشابه انجام میگیرد.مبدلهای الکترومغناطیس قابلیت استفاده در کاربردهای متعددی را دارا است. به بیان دیگر در هر سازهای که انرژی نوسانی وجود داشته باشد میتوان با استفاده از مبدل الکترومغناطیس آن را تبدیل به نوع مناسب انرژی کرد. در ادامه می-توان انرژی را مصرف یا دخیره نمود. نوسانها میتواند به عنوان نمونه در اثر باد در سازه پدیدار شود. سازههای دریایی نیز همواره در معرض نیروی نوسانی موجها از طرف دریا هستند.
زو و همکاران [6] این ایدهها را گسترش داده و پیشنهاد استفاده از مبدل الکترومغناطیس برای تبدیل انرژی نوسانی در داخل سامانه تعلیق خودرو را ارائه نمودند. با عبور قطار از روی خطوط راهآهن نیز انرژی نوسانی قابل توجهی در دسترس است. ناگوده و همکاران [7] کاربرد مبدل الکترومغناطیس را در خطوط راهآهن مورد مطالعه قرار دادند. انرژی که از این موارد برداشت میشود را هم میتوان در محل ذخیره نمود و هم اینکه به شبکه سراسری انتقال داد.پالومرا و آریاس [8] به بررسی استفاده از مبدل الکترومغناطیس برای جذب ارتعاشات انرژی در سازهها پرداختند. آنها به امکان استفاده از این روش و سودمندی آن اشاره نمودند. علاوه بر آن یک مدل با رفتار خطی برای مبدل را ارائه نمودند.
تانگ و زو [9] به مطالعه استفاده از مبدلهای الکترومغناطیس در ساختمانهای بلند پرداختند، نتایج آنها حاکی از این بود که چنین کاربردی میتواند توان الکتریکی در حد مگا وات تولید کند. برای تبدیل ارتعاش به حرکت در مبدل الکترومغناطیس روشهای مختلفی پیشنهاد شده است، از جمله کاسیدی و همکاران [10] به ساخت و اندازه گیری تجربی یک مبدل الکترومغناطیس پرداختند که با تبدیل ارتعاشات به حرکت دورانی انرژی الکتریکی تولید میکند. نحوه انجام این کار استفاده از یک پیچ محوری یک سر درگیر است، در نتیجه با جابهجایی خطی در یک سرپیچ در انتهای آن حرکت دورانی پدید میآید. ساپاسیس و همکاران [11] به برداشت انرژی با استفاده از تیریکسر گیردار با استفاده از راه رفتن پرداختند.
بهزاد جانی زاده و همکاران {12} نیز جذب انرژی ارتعاش با استفاده از تیر غیر خطی تیموشنکو تحت تحریک تکیه گاهی با کمک سیستم برداشت انرژی مغناطیس پرداخته شد.در کار حاضر جذب انرژی ارتعاشی از یک تیر یکسرگیردار تحت تاثیر جابجایی موتور با استفاده از یک سیلندر پیستون به کمک میدان مغناطیسی مورد بررسی قرار گرفته است .سیستم از یک تیر یکسرگیردار،بوبین با هسته الکترومغناطیس و سیم پیچ با تحریک جابجایی موتور متصل به پیستون تیر را جابجا کرده تشکیل شده است.از تئوری تیر اویلر برنولی برای مدلسازی سیستم تیر استفاده شده است.به منظور افزایش دقت معادلات حرکت تیر درسیستم ازحالت تک مد و دومد با هم مقایسه شده اند. سپس فرکانس های بدست آمده از این سیستم با استفاده از اسلیسکوپ بدست آورده شده است.
.2محاسبات تئوری
شکل 1 ساختار سیستم را نشان می دهد.این مجموعه شامل موتور،حلقه های سیم پیچ بوبین،آهنربا،سیستم پیستون جهت جابجای تیریکسرگیردار می باشد.همچنین سیستم از اندوکتانس سیم پیچ تشکیل شده است.
.3معادلات حرکت
اثر الکترومغناطیس بر روی معادلات بررسی می شوند.براساس فرض اویلر برنولی تمام صفحه ها به شکل صفحه و عمود بر محور تیر باقی می مانند. این فرضیات باعث عدم اعتبار معادله اویلرBبرنولی در چرخش های به نسبت بزرگ میشود، برای رفع این مشکل می توان از کرنش فنBکارمن استفاده نمود. با استفاده از تعریف کرنش گرین Bلاگرانرژی از تئوری کرنش محدود میتوان کرنش فن کارمن را برای تیر در خیز کوچک محاسبه نمود.با استفاده از معادله 1 و 2 با استفاده از تغییر شکل ایجاد شده در تیر معادلات حاکم بر آن به صورت زیر ایجاد شده است:
با استفاده از معادله 4 و 5 معادله زیر به دست می آید:
