جلسه دفاعیه دکتری مصطفی شاهسوار دانشجوی دکتری رشته مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی- دینامیک، کنترل- ارتعاشات تحت عنوان " افزایش پهنای باند فرکانسی برداشت‌کننده غیرخطی انرژی ارتعاشی، به‌منظور افزایش سطح برداشت انرژی" در 24/07/1403 ساعت 14 در دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه سمنان برگزار گردید.

این رساله تحت راهنمایی آقایان دکتر محمدرضا آشوری و دکتر محمدمهدی خطیبی انجام شده است و توسط داوران محترم آقای دکتر اردشیر کرمی محمدی (داور خارجی) و آقایان دکتر پژمان رضایی و دکتر محمد دامغانی نوری (داوران داخلی) مورد ارزیابی قرار گرفته است. 

چکیده :

پیشرفت فناوری در ساخت وسایل میکروالکترونیکی کم‌مصرف، باعث شده است، برداشت انرژی ارتعاشی به‌عنوان جایگزین مناسبی برای باتری‌ها در شبکه‌های تغذیه بیسیم، محسوب شود. باتری‌ها پرکاربرد‌ترین منبع انرژی در این مقیاس‌ها هستند، اما در مواردی مانند نصب در نقاط صعب‌العبور و غیرقابل‌دسترس، تعویض آن‌ها را بسیار دشوار کرده است. به همین خاطر، ایده برداشت انرژی ارتعاشی به‌عنوان یک جایگزین برای باتری‌ها، در سال‌های اخیر شکوفا شده است. به‌طورکلی رفتار مکانیکی برداشت‌کننده‌های انرژی ارتعاشی خطی یا غیرخطی است. مشکل بزرگ برداشت‌کننده‌های خطی، محدودیت پهنای باند فرکانسی آنها است. این حقیقت در کنار طیف فرکانسی گسترده منابع ارتعاشی محیطی به‌عنوان تحریک خارجی، بازده برداشت‌کننده‌های خطی انرژی را به‌شدت کاهش می‌دهد. برای غلبه بر این محدودیت و افزایش کارایی این سیستم‌ها در محیط‌های عملی، افزایش پهنای باند پاسخ فرکانسی آنها ضروری است. از میان روش‌های افزایش پهنای باند فرکانسی، بهره‌گیری از روش غیرخطی مغناطیسی و  ضربه-ارتعاشی، در افزایش بازده این برداشت‌کننده‌ها بسیار مؤثرند. غیرخطی مغناطیسی به کمک یک جفت آهنربای دائمی و رفتار ضربه-ارتعاشی با محدود نمودن دامنه ارتعاشات برداشت‌کننده حاصل می‌شود. استفاده جداگانه از هر کدام از روش‌های مذکور نیز، پهنای باند محدودی را به سیستم اضافه می‌کند. این پژوهش، به بررسی تئوری و تجربی افزایش پهنای باند فرکانسی یک برداشت‌کننده انرژی پیزوالکتریکی با ترکیب روش‌های مذکور می‌پردازد. با ترکیب این دو روش، بازده سیستم نسبت به زمانی که یکی از این روش‌ها به‌تنهایی اعمال می‌شود، حدوداً 80 درصد در حالت تک پایداره بالاتر است. همچنین اثرات پارامترهای موجود در مسئله مانند قدرت میدان مغناطیسی، دامنه شتاب ورودی، مقاومت الکتریکی و شکاف اولیه مانع بر رفتار سیستم بررسی می‌شود. نهایتاً با ارائه یک شاخص، بازده برداشت‌کننده انرژی طراحی شده، نسبت به ساختار متداول تعیین می‌گردد.

:Abstract

Technological advancements in low-power microelectronic devices have made vibration energy harvesting a suitable alternative to batteries for wireless devices. Although batteries are the most widely used energy source in such systems, their replacement becomes challenging in cases where devices are installed in hard-to-reach or inaccessible locations. Therefore, the concept of vibration energy harvesting has emerged as an alternative to batteries in recent years. Generally, vibration energy harvesters exhibit either linear or nonlinear mechanical behavior. The major issue with linear vibration energy harvesters is their limited frequency bandwidth. This fact, regarding with the wide frequency spectrum of environmental vibration sources, significantly reduces the efficiency of linear energy harvesters. To overcome this limitation and enhance the efficiency of these systems in practical environments, it is crucial to increase their frequency response bandwidth. Among the methods to increase frequency bandwidth, utilizing magnetic nonlinearity and vibro-impact techniques have proven to be highly effective in improving the efficiency of energy harvesters. Magnetic nonlinearity is achieved with the help of a pair of permanent magnets and vibro-impact behavior is obtained by limiting the vibration amplitude of the energy harvester. Using either of these methods individually also adds a limited bandwidth to the system. This research aims to investigate the enhancement of the frequency bandwidth of a piezoelectric energy harvester by combining the aforementioned methods theoretically and experimentally. By combining these two methods, the monostable system efficiency is approximately 80% higher than when only one of these methods is applied. Additionally, the effects of various parameters of the system, such as magnetic field strength, input excitation amplitude, electrical resistance, and initial gap of the barrier, on the system behavior are investigated. Finally, an efficiency index is proposed to evaluate the performance of the designed energy harvester compared to the conventional structure.

این رساله با درجه عالی مورد پذیرش هیات داوران قرار گرفت و تاکنون 3 مقاله ISI از نتایج این تحقیق استخراج و منتشر شده است.