On the design of electromechanical vibration isolators and energy harvesters

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Kuhnert, Willian Minnemann
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UNESP
Texto Completo: http://hdl.handle.net/11449/193719
Resumo: Isoladores de vibração convencionais são utilizados há muito tempo para isolar um receptor de uma fonte de distúrbios e, provavelmente, os exemplos mais populares de sua aplicação estão nos sistemas de suspensão veiculares, que são compostos essencialmente por molas e amortecedores. O elemento amortecedor é responsável por converter a energia mecânica, originada pelos distúrbios externos, em calor durante o processo de amortecimento. A ideia de recuperar parte desta energia tornou-se um assunto atrativo entre pesquisadores nas últimas décadas e o processo de coleta de energia tornou-se um tópico de destaque. Geralmente, a coleta de energia requer o uso de sistemas eletromecânicos, e muito trabalho tem sido realizado neste campo. Dentre as alternativas para a realização da coleta de energia está o amortecimento eletromagnético, fenômeno em que a literatura carece, de certo modo, de informações detalhadas sobre o seu funcionamento, geralmente focando mais em construir e testar novos dispositivos eletromecânicos do que em entendê-lo. Neste contexto, realizou-se um estudo da substituição do elemento amortecedor por circuitos elétricos acoplados ao sistema mecânico por meio de um transdutor de ímã permanente e bobina, ou, resumidamente de: amortecedores eletromagnéticos com circuito elétrico. Os objetivos foram o de entender os efeitos do amortecimento eletromagnético nos sistemas eletromecânicos pelo fornecimento de expressões de projeto para diversas situações considerando os sistemas lineares e, por último, entender os efeitos decorrentes da introdução de rigidezes não-lineares com comportamento de enrijecimento e amaciamento ao sistema, analisando os prós e contras com relação à dinâmica e as capacidades de isolamento de vibração e coleta de energia comparadas aos sistemas lineares. Diferentes circuitos elétricos foram considerados para estudar os sistemas lineares, e os casos de vibração livre e forçada foram estudados para a obtenção de amortecimento crítico e ótimo que reduzem o máximo pico nas funções de resposta em frequência sob a metodologia de Den Hartog. O amortecimento ótimo para excitação de ruído branco e as condições de coleta de energia ótima foram obtidas utilizando procedimentos padrões de diferenciação. Os resultados para o sistema linear acoplado a um dos circuitos elétricos estudados foram validados experimentalmente, com boa conformidade entre os dados numéricos e experimentais das funções de resposta em frequência. Além disso, as rigidezes não-lineares foram introduzidas aos sistemas eletromecânicos, onde o estudo foi realizado pela computação das curvas \textit{backbone}, diagramas de bifurcação e bacias de atração pelo uso de métodos de continuação e integração numéricos, e balanço harmônico. As expressões de projeto foram obtidas e tabeladas para facilidade de referência, e as principais conclusões foram que o elemento amortececedor pode ser completamente substituído pelo amortecedor eletromagnético; o circuito elétrico acoplado tem grande influência na dinâmica do sistema, até mesmo introduzindo o efeito de relaxamento; a não-linearidade de amaciamento melhora o isolamento de vibração; a de enrijecimento pode ser utilizada para alargar a banda de coletores de energia pela sintonização nas respostas isoladas encontradas e; tais respostas são um risco para o isolamento de vibração conforme a severidade da não-linearidade aumenta.
id UNSP_b01e758910c55ef81135aebc6355bc4c
oai_identifier_str oai:repositorio.unesp.br:11449/193719
network_acronym_str UNSP
network_name_str Repositório Institucional da UNESP
repository_id_str 2946
spelling On the design of electromechanical vibration isolators and energy harvestersProjeto de isoladores de vibração e coletores de energia eletromecânicosDiseño de aisladores de vibraciones y colectores de energía electromecánicos隔振器和机电式能量收集器的设计隔振器和機電式能量收集器的設計Konstruktion von Schwingungsisolatoren und elektromechanischen EnergiekollektorenConception d'isolateurs de vibrations et de collecteurs d'énergie électromécaniques防振装置と電気機械エネルギーコレクターの設計تصميم عوازل الاهتزاز ومجمعات الطاقة الكهروميكانيكيةVibration isolationEnergy harvestingNonlinearSuspension systemOptimizationIsolamento de vibraçãoColeta de energiaNão-linearSistema de suspensãoOtimizaçãoAislamiento de vibracionesRecolección de energíaNo linealSistema de suspensiónMejoramientoIsoladores de vibração convencionais são utilizados há muito tempo para isolar um receptor de uma fonte de distúrbios e, provavelmente, os exemplos mais populares de sua aplicação estão nos sistemas de suspensão veiculares, que são compostos essencialmente por molas e amortecedores. O elemento amortecedor é responsável por converter a energia mecânica, originada pelos distúrbios externos, em calor durante o processo de amortecimento. A ideia de recuperar parte desta energia tornou-se um assunto atrativo entre pesquisadores nas últimas décadas e o processo de coleta de energia tornou-se um tópico de destaque. Geralmente, a coleta de energia requer o uso de sistemas eletromecânicos, e muito trabalho tem sido realizado neste campo. Dentre as alternativas para a realização da coleta de energia está o amortecimento eletromagnético, fenômeno em que a literatura carece, de certo modo, de informações detalhadas sobre o seu funcionamento, geralmente focando mais em construir e testar novos dispositivos eletromecânicos do que em entendê-lo. Neste contexto, realizou-se um estudo da substituição do elemento amortecedor por circuitos elétricos acoplados ao sistema mecânico por meio de um transdutor de ímã permanente e bobina, ou, resumidamente de: amortecedores eletromagnéticos com circuito elétrico. Os objetivos foram o de entender os efeitos do amortecimento eletromagnético nos sistemas eletromecânicos pelo fornecimento de expressões de projeto para diversas situações considerando os sistemas lineares e, por último, entender os efeitos decorrentes da introdução de rigidezes não-lineares com comportamento de enrijecimento e amaciamento ao sistema, analisando os prós e contras com relação à dinâmica e as capacidades de isolamento de vibração e coleta de energia comparadas aos sistemas lineares. Diferentes circuitos elétricos foram considerados para estudar os sistemas lineares, e os casos de vibração livre e forçada foram estudados para a obtenção de amortecimento crítico e ótimo que reduzem o máximo pico nas funções de resposta em frequência sob a metodologia de Den Hartog. O amortecimento ótimo para excitação de ruído branco e as condições de coleta de energia ótima foram obtidas utilizando procedimentos padrões de diferenciação. Os resultados para o sistema linear acoplado a um dos circuitos elétricos estudados foram validados experimentalmente, com boa conformidade entre os dados numéricos e experimentais das funções de resposta em frequência. Além disso, as rigidezes não-lineares foram introduzidas aos sistemas eletromecânicos, onde o estudo foi realizado pela computação das curvas \textit{backbone}, diagramas de bifurcação e bacias de atração pelo uso de métodos de continuação e integração numéricos, e balanço harmônico. As expressões de projeto foram obtidas e tabeladas para facilidade de referência, e as principais conclusões foram que o elemento amortececedor pode ser completamente substituído pelo amortecedor eletromagnético; o circuito elétrico acoplado tem grande influência na dinâmica do sistema, até mesmo introduzindo o efeito de relaxamento; a não-linearidade de amaciamento melhora o isolamento de vibração; a de enrijecimento pode ser utilizada para alargar a banda de coletores de energia pela sintonização nas respostas isoladas encontradas e; tais respostas são um risco para o isolamento de vibração conforme a severidade da não-linearidade aumenta.Conventional vibration isolators have been used for a long time to isolate a receiver from a source of disturbance and probably the most popular application are in vehicle suspensions, which are essentially composed by spring and damper elements. The damper element is responsible for converting the mechanical energy, originated by the external disturbances, into heat during the damping process. The idea of recovering part of this energy has become an attractive topic among researchers in the last decades and the energy harvesting process became a hot topic. Usually, the energy harvesting requires the use of electromechanical systems and much work has been done in the field. Among the alternatives to realize the energy harvesting is the electromagnetic damping, which is a phenomena that the literature lacks, somehow, detailed information on its behavior, focusing more on building and testing new electromechanical devices rather than understanding the phenomena itself. In this context, a study was performed on the replacement of the damper element by electrical circuits coupled to the mechanical system through a permanent magnet and coil transducer, or in short: electromagnetic shunt dampers. The goals were to understand the effects of the electromagnetic damping on the electromechanical systems by providing design expressions for several conditions considering the linear systems, and lastly to understand the effects of introducing hardening and softening nonlinear behavior to the system stiffness and analyze its pros and cons regarding the dynamics, and the vibration isolation and energy harvesting capabilities compared to the linear systems. Different electrical circuits were considered to study the linear systems, and free and forced vibration cases were studied to obtain the critical damping and optimal damping that reduce the maximum peak in the frequency response function under Den Hartog's methodology. The optimal damping for white noise excitation and the energy harvesting optimal conditions were obtained using standard differentiation procedures. The results for the linear system coupled to one of the studied electrical circuits were validated experimentally, presenting a good agreement between numerical and experimental data regarding the frequency response functions. Furthermore, the nonlinear stiffness was introduced to the electromechanical systems, and the study was performed by computing backbones, bifurcation diagrams and basins of attraction through the use of numerical continuation and integration, and harmonic balance methods. The design equations were obtained and tabulated for ease of reference, and the main conclusions were that the damper element can be fully replaced by an electromagnetic damper; the coupled electrical circuit greatly influences the dynamics of the system, even introducing the relaxation effect; that the softening nonlinearity can enhance vibration isolation; that hardening can be used for broadening the band of energy harvesters through the tuning on the isolated responses encountered and; that the same isolated responses are a risk for vibration isolation as the excitation frequency and/or nonlinearity severity increases.Herkömmliche Schwingungsisolatoren werden seit langem verwendet, um einen Empfänger von einer Störquelle zu isolieren, und die wahrscheinlich beliebteste Anwendung sind Fahrzeugaufhängungen, die im Wesentlichen aus Feder- und Dämpferelementen bestehen. Das Dämpferelement ist dafür verantwortlich, die durch die äußeren Störungen verursachte mechanische Energie während des Dämpfungsprozesses in Wärme umzuwandeln. Die Idee, einen Teil dieser Energie zurückzugewinnen, ist in den letzten Jahrzehnten unter Forschern zu einem attraktiven Thema geworden, und der Energiegewinnungsprozess wurde zu einem heißen Thema. Normalerweise erfordert die Energiegewinnung den Einsatz elektromechanischer Systeme, und auf diesem Gebiet wurde viel Arbeit geleistet. Zu den Alternativen zur Realisierung der Energiegewinnung gehört die elektromagnetische Dämpfung, ein Phänomen, bei dem es in der Literatur an detaillierten Informationen zu seinem Verhalten mangelt, wobei der Schwerpunkt eher auf dem Bau und Testen neuer elektromechanischer Geräte als auf dem Verständnis der Phänomene selbst liegt. In diesem Zusammenhang wurde eine Studie zum Austausch des Dämpferelements durch elektrische Schaltkreise durchgeführt, die über einen Permanentmagneten und einen Spulenwandler mit dem mechanischen System verbunden sind, oder kurz: elektromagnetische Nebenschlussdämpfer. Ziel war es, die Auswirkungen der elektromagnetischen Dämpfung auf die elektromechanischen Systeme zu verstehen, indem Konstruktionsausdrücke für verschiedene Bedingungen unter Berücksichtigung der linearen Systeme bereitgestellt werden, und schließlich die Auswirkungen der Einführung eines nichtlinearen Härtungs- und Erweichungsverhaltens auf die Systemsteifigkeit zu verstehen und deren Vor- und Nachteile zu analysieren in Bezug auf die Dynamik und die Schwingungsisolations- und Energiegewinnungsfähigkeiten im Vergleich zu den linearen Systemen. Verschiedene elektrische Schaltkreise wurden in Betracht gezogen, um die linearen Systeme zu untersuchen, und freie und erzwungene Vibrationsfälle wurden untersucht, um die kritische Dämpfung und optimale Dämpfung zu erhalten, die die maximale Spitze in der Frequenzantwortfunktion nach Den Hartogs Methodik reduzieren. Die optimale Dämpfung für die Anregung durch weißes Rauschen und die optimalen Bedingungen für die Energiegewinnung wurden unter Verwendung von Standarddifferenzierungsverfahren erhalten. Die Ergebnisse für das an einen der untersuchten Stromkreise gekoppelte lineare System wurden experimentell validiert und zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen numerischen und experimentellen Daten hinsichtlich der Frequenzantwortfunktionen. Darüber hinaus wurde die nichtlineare Steifheit in die elektromechanischen Systeme eingeführt, und die Studie wurde durchgeführt, indem Rückgrate, Bifurkationsdiagramme und Anziehungsbecken unter Verwendung numerischer Fortsetzungs- und Integrationsmethoden sowie harmonischer Gleichgewichtsmethoden berechnet wurden. Die Konstruktionsgleichungen wurden zur leichteren Bezugnahme erhalten und tabellarisch aufgeführt, und die wichtigsten Schlussfolgerungen waren, dass das Dämpferelement vollständig durch einen elektromagnetischen Dämpfer ersetzt werden kann; Der gekoppelte Stromkreis beeinflusst die Dynamik des Systems stark und führt sogar den Relaxationseffekt ein. dass die nichtlineare Erweichung die Schwingungsisolation verbessern kann; Dieses Härten kann verwendet werden, um das Band der Energy Harvester zu erweitern, indem auf die isolierten Reaktionen abgestimmt wird und; dass die gleichen isolierten Reaktionen ein Risiko für die Schwingungsisolation darstellen, wenn die Anregungsfrequenz und / oder der Schweregrad der Nichtlinearität zunimmt.従来の防振装置は、レシーバーを外乱源から隔離するために長い間使用されてきました。おそらく最も一般的なアプリケーションは、本質的にばねとダンパーの要素で構成される車両のサスペンションです。ダンパーエレメントは、外乱によって発生した機械的エネルギーをダンピングプロセス中に熱に変換する役割を果たします。このエネルギーの一部を回収するという考えは、過去数十年で研究者の間で魅力的なトピックになり、エネルギー収穫プロセスはホットな話題になりました。通常、環境発電には電気機械システムを使用する必要があり、多くの作業が現場で行われています。エネルギーハーベスティングを実現するための代替策の1つは、電磁減衰です。これは、現象自体を理解するのではなく、新しい電気機械デバイスの構築とテストに重点を置いた、その動作に関する詳細情報が文献に欠けている現象です。 これに関連して、永久磁石とコイルトランスデューサーを介して機械システムに結合された電気回路、つまり、電磁シャントダンパーによるダンパー要素の交換に関する研究が行われました。目標は、線形システムを考慮したいくつかの条件の設計式を提供することにより、電気機械システムへの電磁減衰の影響を理解し、最後にシステムの剛性に非線形動作の硬化と軟化を導入することの影響を理解し、その長所と短所を分析することでしたダイナミクス、および線形システムと比較した振動絶縁およびエネルギー取得機能に関して。 さまざまな電気回路が線形システムを研究するために考慮され、自由および強制振動のケースが研究されて、Den Hartogの方法論の下で周波数応答関数の最大ピークを低減する臨界減衰と最適減衰を取得しました。ホワイトノイズ励起の最適な減衰とエネルギーハーベストの最適条件は、標準的な微分手順を使用して取得されました。調査された電気回路の1つに結合された線形システムの結果は実験的に検証され、周波​​数応答関数に関する数値データと実験データの間の良い一致を示しています。さらに、非線形剛性が電気機械システムに導入され、研究は、数値の継続と積分、および調和平衡法を使用して、バックボーン、分岐図、引力の盆地を計算することによって行われました。 設計方程式が得られ、参照しやすいように表にまとめられました。主な結論は、ダンパー要素を完全に電磁ダンパーに置き換えることができるということです。結合された電気回路は、システムのダイナミクスに大きく影響し、緩和効果さえももたらします。軟化する非線形性が振動絶縁を強化できること。その強化は、発生した分離された応答の調整を通じてエネルギーハーベスタの帯域を拡大するために使用できます。励振周波数や非線形性の厳しさが増すと、同じ絶縁された応答が振動絶縁のリスクになります。Les isolateurs de vibrations conventionnels sont utilisés depuis longtemps pour isoler un récepteur d'une source de perturbation et probablement les applications les plus courantes sont les suspensions de véhicules, qui sont essentiellement composées d'éléments à ressort et amortisseur. L'élément amortisseur est responsable de la conversion de l'énergie mécanique, générée par les perturbations externes, en chaleur pendant le processus d'amortissement. L'idée de récupérer une partie de cette énergie est devenue un sujet attrayant parmi les chercheurs au cours des dernières décennies et le processus de récupération d'énergie est devenu un sujet brûlant. Habituellement, la récupération d'énergie nécessite l'utilisation de systèmes électromécaniques et beaucoup de travail a été effectué sur le terrain. Parmi les alternatives pour réaliser la récupération d'énergie, il y a l'amortissement électromagnétique, qui est un phénomène pour lequel la littérature manque, d'une manière ou d'une autre, d'informations détaillées sur son comportement, se concentrant davantage sur la construction et le test de nouveaux dispositifs électromécaniques plutôt que sur la compréhension du phénomène lui-même. Dans ce cadre, une étude a été réalisée sur le remplacement de l'élément amortisseur par des circuits électriques couplés au système mécanique via un aimant permanent et un transducteur à bobine, ou en bref: des amortisseurs à shunt électromagnétique. Les objectifs étaient de comprendre les effets de l'amortissement électromagnétique sur les systèmes électromécaniques en fournissant des expressions de conception pour plusieurs conditions en considérant les systèmes linéaires, et enfin de comprendre les effets de l'introduction d'un comportement non linéaire d'écrouissage et d'adoucissement sur la rigidité du système et d'analyser ses avantages et ses inconvénients. concernant la dynamique et les capacités d'isolation des vibrations et de récupération d'énergie par rapport aux systèmes linéaires. Différents circuits électriques ont été considérés pour étudier les systèmes linéaires, et des cas de vibrations libres et forcées ont été étudiés pour obtenir l'amortissement critique et l'amortissement optimal qui réduisent le pic maximal de la fonction de réponse en fréquence selon la méthodologie de Den Hartog. L'amortissement optimal pour l'excitation du bruit blanc et les conditions optimales de récupération d'énergie ont été obtenus en utilisant des procédures de différenciation standard. Les résultats pour le système linéaire couplé à l'un des circuits électriques étudiés ont été validés expérimentalement, présentant un bon accord entre les données numériques et expérimentales concernant les fonctions de réponse en fréquence. De plus, la rigidité non linéaire a été introduite dans les systèmes électromécaniques, et l'étude a été réalisée en calculant des squelettes, des diagrammes de bifurcation et des bassins d'attraction grâce à l'utilisation de méthodes de continuation et d'intégration numériques et d'équilibre harmonique. Les équations de conception ont été obtenues et tabulées pour faciliter la référence, et les principales conclusions étaient que l'élément amortisseur peut être entièrement remplacé par un amortisseur électromagnétique; le circuit électrique couplé influence fortement la dynamique du système, introduisant même l'effet de relaxation; que la non-linéarité adoucissante peut améliorer l'isolation des vibrations; que le durcissement peut être utilisé pour élargir la bande des collecteurs d'énergie grâce à l'accord sur les réponses isolées rencontrées et; que les mêmes réponses isolées présentent un risque d'isolation des vibrations lorsque la fréquence d'excitation et / ou la gravité de la non-linéarité augmentent.Los aisladores de vibración convencionales se han utilizado durante mucho tiempo para aislar un receptor de una fuente de perturbación y probablemente la aplicación más popular sea en las suspensiones de vehículos, que están compuestas esencialmente por elementos de resorte y amortiguador. El elemento amortiguador es el encargado de convertir la energía mecánica, originada por las perturbaciones externas, en calor durante el proceso de amortiguación. La idea de recuperar parte de esta energía se ha convertido en un tema atractivo entre los investigadores en las últimas décadas y el proceso de recolección de energía se convirtió en un tema candente. Por lo general, la recolección de energía requiere el uso de sistemas electromecánicos y se ha trabajado mucho en el campo. Entre las alternativas para realizar la captación de energía se encuentra el amortiguamiento electromagnético, que es un fenómeno del que la literatura carece, de alguna manera, de información detallada sobre su comportamiento, enfocándose más en construir y probar nuevos dispositivos electromecánicos que en comprender el fenómeno en sí. En este contexto, se realizó un estudio sobre la sustitución del elemento amortiguador por circuitos eléctricos acoplados al sistema mecánico a través de un imán permanente y un transductor de bobina, o en definitiva: amortiguadores de derivación electromagnéticos. Los objetivos eran comprender los efectos del amortiguamiento electromagnético en los sistemas electromecánicos proporcionando expresiones de diseño para varias condiciones considerando los sistemas lineales y, por último, comprender los efectos de la introducción de un comportamiento no lineal de endurecimiento y ablandamiento en la rigidez del sistema y analizar sus pros y contras. con respecto a la dinámica y las capacidades de aislamiento de vibraciones y recolección de energía en comparación con los sistemas lineales. Se consideraron diferentes circuitos eléctricos para estudiar los sistemas lineales, y se estudiaron casos de vibración libre y forzada para obtener la amortiguación crítica y la amortiguación óptima que reducen el pico máximo en la función de respuesta de frecuencia bajo la metodología de Den Hartog. La amortiguación óptima para la excitación del ruido blanco y las condiciones óptimas de recolección de energía se obtuvieron utilizando procedimientos de diferenciación estándar. Los resultados para el sistema lineal acoplado a uno de los circuitos eléctricos estudiados fueron validados experimentalmente, presentando una buena concordancia entre los datos numéricos y experimentales respecto a las funciones de respuesta en frecuencia. Además, se introdujo la rigidez no lineal a los sistemas electromecánicos, y el estudio se realizó mediante el cálculo de backbones, diagramas de bifurcación y cuencas de atracción mediante el uso de métodos de continuación e integración numérica y balance armónico. Las ecuaciones de diseño se obtuvieron y tabularon para facilitar la referencia, y las principales conclusiones fueron que el elemento amortiguador se puede reemplazar por completo por un amortiguador electromagnético; el circuito eléctrico acoplado influye mucho en la dinámica del sistema, incluso introduciendo el efecto de relajación; que la no linealidad del ablandamiento puede mejorar el aislamiento de vibraciones; que el endurecimiento se puede utilizar para ampliar la banda de recolectores de energía mediante el ajuste de las respuestas aisladas encontradas y; que las mismas respuestas aisladas son un riesgo para el aislamiento de vibraciones a medida que aumenta la frecuencia de excitación y / o la severidad de la no linealidad.传统的振动隔离器已经使用了很长时间，以将接收器与干扰源隔离开来，并且可能最流行的应用是车辆悬架，该悬架主要由弹簧和减震器元件组成。阻尼器元件负责在阻尼过程中将由外部干扰产生的机械能转换为热量。在过去的几十年中，回收部分能量的想法已成为研究人员的一个有吸引力的话题，并且能量收集过程也成为热门话题。通常，能量收集需要使用机电系统，并且在该领域已经完成了很多工作。在实现能量收集的替代方案中，电磁阻尼是一种现象，文献中不知怎地缺少关于其行为的详细信息，而是更多地关注于构建和测试新的机电设备，而不是了解现象本身。 在这种情况下，研究了通过通过永磁体和线圈换能器或简称为电磁分流阻尼器耦合到机械系统的电路替换阻尼器元件的研究。目的是通过提供考虑线性系统的几种条件的设计表达式，以了解电磁阻尼对机电系统的影响，最后了解将硬化和软化非线性行为引入系统刚度的影响并分析其优缺点与线性系统相比，在动力学，振动隔离和能量收集功能方面。 考虑使用不同的电路来研究线性系统，并研究了自由振动和强迫振动的情况，以获得根据Den Hartog的方法减小频率响应函数中最大峰值的临界阻尼和最佳阻尼。使用标准微分程序获得了白噪声激发的最佳阻尼和能量收集的最佳条件。实验验证了耦合到所研究电路之一的线性系统的结果，从而在数值和实验数据之间就频率响应函数达成了良好的一致性。此外，将非线性刚度引入到机电系统中，并通过使用数值连续和积分以及谐波平衡方法来计算主干，分叉图和吸引盆来进行研究。 设计方程式已获得并制成表格以便于参考，主要结论是减震器元件可以完全用电磁减震器代替。耦合电路极大地影响了系统的动力学，甚至引入了松弛效应。软化的非线性可以增强隔振效果；通过调整遇到的孤立响应，可以使用硬化来扩大能量收集器的范围，并且；当激励频率和/或非线性严重性增加时，相同的隔离响应会产生振动隔离的风险。傳統的振動隔離器已經使用了很長時間，以將接收器與乾擾源隔離開來，並且可能最流行的應用是車輛懸架，該懸架主要由彈簧和減震器元件組成。阻尼器元件負責在阻尼過程中將由外部干擾產生的機械能轉換為熱量。在過去的幾十年中，回收部分能量的想法已成為研究人員的一個有吸引力的話題，並且能量收集過程也成為熱門話題。通常，能量收集需要使用機電系統，並且在該領域已經完成了很多工作。在實現能量收集的替代方案中，電磁阻尼是一種現象，文獻中不知怎地缺少關於其行為的詳細信息，而是更多地關注於構建和測試新的機電設備，而不是了解現象本身。 在這種情況下，研究了通過通過永磁體和線圈換能器或簡稱為電磁分流阻尼器耦合到機械系統的電路替換阻尼器元件的研究。目的是通過提供考慮線性系統的幾種條件的設計表達式，以了解電磁阻尼對機電系統的影響，最後了解將硬化和軟化非線性行為引入系統剛度的影響並分析其優缺點與線性系統相比，在動力學，振動隔離和能量收集功能方面。 考慮使用不同的電路來研究線性系統，並研究了自由振動和強迫振動的情況，以獲得根據Den Hartog的方法減小頻率響應函數中最大峰值的臨界阻尼和最佳阻尼。使用標準微分程序獲得了白噪聲激發的最佳阻尼和能量收集的最佳條件。實驗驗證了耦合到所研究電路之一的線性系統的結果，從而在數值和實驗數據之間就頻率響應函數達成了良好的一致性。此外，將非線性剛度引入到機電系統中，並通過使用數值連續和積分以及諧波平衡方法來計算主幹，分叉圖和吸引盆來進行研究。 設計方程式已獲得併製成表格以便於參考，主要結論是減震器元件可以完全用電磁減震器代替。耦合電路極大地影響了系統的動力學，甚至引入了鬆弛效應。軟化的非線性可以增強隔振效果；通過調整遇到的孤立響應，可以使用硬化來擴大能量收集器的範圍，並且；當激勵頻率和/或非線性嚴重性增加時，相同的隔離響應會產生振動隔離的風險。تم استخدام عوازل الاهتزاز التقليدية لفترة طويلة لعزل جهاز الاستقبال عن مصدر الاضطراب وربما يكون التطبيق الأكثر شيوعًا هو تعليق السيارة ، والذي يتكون أساسًا من عناصر الربيع والمثبط. عنصر المثبط مسؤول عن تحويل الطاقة الميكانيكية ، الناتجة عن الاضطرابات الخارجية ، إلى حرارة أثناء عملية التخميد. أصبحت فكرة استعادة جزء من هذه الطاقة موضوعًا جذابًا بين الباحثين في العقود الماضية وأصبحت عملية حصاد الطاقة موضوعًا ساخنًا. عادة ، يتطلب حصاد الطاقة استخدام الأنظمة الكهروميكانيكية وقد تم إنجاز الكثير من العمل في هذا المجال. من بين البدائل لتحقيق حصاد الطاقة التخميد الكهرومغناطيسي ، وهي ظاهرة تفتقر إليها الأدبيات ، بطريقة أو بأخرى ، معلومات مفصلة عن سلوكها ، مع التركيز بشكل أكبر على بناء واختبار أجهزة كهروميكانيكية جديدة بدلاً من فهم الظاهرة نفسها. في هذا السياق ، تم إجراء دراسة على استبدال عنصر المثبط بدارات كهربائية مقترنة بالنظام الميكانيكي من خلال مغناطيس دائم ومحول ملف ، أو باختصار: مخمدات تحويلية كهرومغناطيسية. كانت الأهداف هي فهم تأثيرات التخميد الكهرومغناطيسي على الأنظمة الكهروميكانيكية من خلال توفير تعبيرات التصميم للعديد من الشروط مع الأخذ في الاعتبار الأنظمة الخطية ، وأخيراً فهم تأثيرات إدخال التصلب والتليين السلوك غير الخطي إلى صلابة النظام وتحليل إيجابياته وسلبياته فيما يتعلق بالديناميات وعزل الاهتزاز وقدرات تجميع الطاقة مقارنة بالأنظمة الخطية. تم دراسة الدوائر الكهربائية المختلفة لدراسة الأنظمة الخطية ، وتمت دراسة حالات الاهتزاز الحر والقسري للحصول على التخميد الحرج والتخميد الأمثل الذي يقلل الذروة القصوى في وظيفة استجابة التردد وفقًا لمنهجية Den Hartog. تم الحصول على التخميد الأمثل لإثارة الضوضاء البيضاء والظروف المثلى لحصاد الطاقة باستخدام إجراءات التمايز القياسية. تم التحقق من صحة نتائج النظام الخطي المقترن بإحدى الدوائر الكهربائية المدروسة تجريبياً ، مما يدل على توافق جيد بين البيانات العددية والتجريبية بخصوص وظائف الاستجابة الترددية. علاوة على ذلك ، تم إدخال الصلابة اللاخطية في الأنظمة الكهروميكانيكية ، وتم إجراء الدراسة عن طريق حساب العمود الفقري ومخططات التشعب وأحواض الجذب من خلال استخدام الاستمرارية والتكامل العددي وطرق التوازن التوافقي. تم الحصول على معادلات التصميم وجدولتها لتسهيل الرجوع إليها ، وكانت الاستنتاجات الرئيسية هي أنه يمكن استبدال عنصر المخمد بالكامل بمخمد كهرومغناطيسي ؛ تؤثر الدائرة الكهربائية المقترنة بشكل كبير على ديناميكيات النظام ، حتى أنها تقدم تأثير الاسترخاء ؛ أن التليين اللاخطي يمكن أن يعزز عزل الاهتزاز ؛ يمكن استخدام هذا التصلب لتوسيع نطاق حصادات الطاقة من خلال ضبط الاستجابات المعزولة التي تمت مواجهتها و ؛ أن نفس الاستجابات المعزولة تشكل خطرًا على عزل الاهتزاز مع زيادة وتيرة الإثارة و / أو شدة اللاخطيةCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)FAPESP: 2016/17083-4FAPESP: 2018/02150-3CAPES: 1651708CAPES: 88887.500460/2020-00Universidade Estadual Paulista (Unesp)Gonçalves, Paulo José Paupitz [UNESP]Cammarano, AndreaUniversidade Estadual Paulista (Unesp)Kuhnert, Willian Minnemann2020-10-05T13:16:42Z2020-10-05T13:16:42Z2020-09-03info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/11449/19371933004056080P8enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UNESPinstname:Universidade Estadual Paulista (UNESP)instacron:UNESP2024-06-28T19:38:38Zoai:repositorio.unesp.br:11449/193719Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.unesp.br/oai/requestopendoar:29462024-08-05T18:51:21.349586Repositório Institucional da UNESP - Universidade Estadual Paulista (UNESP)false
dc.title.none.fl_str_mv On the design of electromechanical vibration isolators and energy harvesters
Projeto de isoladores de vibração e coletores de energia eletromecânicos
Diseño de aisladores de vibraciones y colectores de energía electromecánicos
隔振器和机电式能量收集器的设计
隔振器和機電式能量收集器的設計
Konstruktion von Schwingungsisolatoren und elektromechanischen Energiekollektoren
Conception d'isolateurs de vibrations et de collecteurs d'énergie électromécaniques
防振装置と電気機械エネルギーコレクターの設計
تصميم عوازل الاهتزاز ومجمعات الطاقة الكهروميكانيكية
title On the design of electromechanical vibration isolators and energy harvesters
spellingShingle On the design of electromechanical vibration isolators and energy harvesters
Kuhnert, Willian Minnemann
Vibration isolation
Energy harvesting
Nonlinear
Suspension system
Optimization
Isolamento de vibração
Coleta de energia
Não-linear
Sistema de suspensão
Otimização
Aislamiento de vibraciones
Recolección de energía
No lineal
Sistema de suspensión
Mejoramiento
title_short On the design of electromechanical vibration isolators and energy harvesters
title_full On the design of electromechanical vibration isolators and energy harvesters
title_fullStr On the design of electromechanical vibration isolators and energy harvesters
title_full_unstemmed On the design of electromechanical vibration isolators and energy harvesters
title_sort On the design of electromechanical vibration isolators and energy harvesters
author Kuhnert, Willian Minnemann
author_facet Kuhnert, Willian Minnemann
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Gonçalves, Paulo José Paupitz [UNESP]
Cammarano, Andrea
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
dc.contributor.author.fl_str_mv Kuhnert, Willian Minnemann
dc.subject.por.fl_str_mv Vibration isolation
Energy harvesting
Nonlinear
Suspension system
Optimization
Isolamento de vibração
Coleta de energia
Não-linear
Sistema de suspensão
Otimização
Aislamiento de vibraciones
Recolección de energía
No lineal
Sistema de suspensión
Mejoramiento
topic Vibration isolation
Energy harvesting
Nonlinear
Suspension system
Optimization
Isolamento de vibração
Coleta de energia
Não-linear
Sistema de suspensão
Otimização
Aislamiento de vibraciones
Recolección de energía
No lineal
Sistema de suspensión
Mejoramiento
description Isoladores de vibração convencionais são utilizados há muito tempo para isolar um receptor de uma fonte de distúrbios e, provavelmente, os exemplos mais populares de sua aplicação estão nos sistemas de suspensão veiculares, que são compostos essencialmente por molas e amortecedores. O elemento amortecedor é responsável por converter a energia mecânica, originada pelos distúrbios externos, em calor durante o processo de amortecimento. A ideia de recuperar parte desta energia tornou-se um assunto atrativo entre pesquisadores nas últimas décadas e o processo de coleta de energia tornou-se um tópico de destaque. Geralmente, a coleta de energia requer o uso de sistemas eletromecânicos, e muito trabalho tem sido realizado neste campo. Dentre as alternativas para a realização da coleta de energia está o amortecimento eletromagnético, fenômeno em que a literatura carece, de certo modo, de informações detalhadas sobre o seu funcionamento, geralmente focando mais em construir e testar novos dispositivos eletromecânicos do que em entendê-lo. Neste contexto, realizou-se um estudo da substituição do elemento amortecedor por circuitos elétricos acoplados ao sistema mecânico por meio de um transdutor de ímã permanente e bobina, ou, resumidamente de: amortecedores eletromagnéticos com circuito elétrico. Os objetivos foram o de entender os efeitos do amortecimento eletromagnético nos sistemas eletromecânicos pelo fornecimento de expressões de projeto para diversas situações considerando os sistemas lineares e, por último, entender os efeitos decorrentes da introdução de rigidezes não-lineares com comportamento de enrijecimento e amaciamento ao sistema, analisando os prós e contras com relação à dinâmica e as capacidades de isolamento de vibração e coleta de energia comparadas aos sistemas lineares. Diferentes circuitos elétricos foram considerados para estudar os sistemas lineares, e os casos de vibração livre e forçada foram estudados para a obtenção de amortecimento crítico e ótimo que reduzem o máximo pico nas funções de resposta em frequência sob a metodologia de Den Hartog. O amortecimento ótimo para excitação de ruído branco e as condições de coleta de energia ótima foram obtidas utilizando procedimentos padrões de diferenciação. Os resultados para o sistema linear acoplado a um dos circuitos elétricos estudados foram validados experimentalmente, com boa conformidade entre os dados numéricos e experimentais das funções de resposta em frequência. Além disso, as rigidezes não-lineares foram introduzidas aos sistemas eletromecânicos, onde o estudo foi realizado pela computação das curvas \textit{backbone}, diagramas de bifurcação e bacias de atração pelo uso de métodos de continuação e integração numéricos, e balanço harmônico. As expressões de projeto foram obtidas e tabeladas para facilidade de referência, e as principais conclusões foram que o elemento amortececedor pode ser completamente substituído pelo amortecedor eletromagnético; o circuito elétrico acoplado tem grande influência na dinâmica do sistema, até mesmo introduzindo o efeito de relaxamento; a não-linearidade de amaciamento melhora o isolamento de vibração; a de enrijecimento pode ser utilizada para alargar a banda de coletores de energia pela sintonização nas respostas isoladas encontradas e; tais respostas são um risco para o isolamento de vibração conforme a severidade da não-linearidade aumenta.
publishDate 2020
dc.date.none.fl_str_mv 2020-10-05T13:16:42Z
2020-10-05T13:16:42Z
2020-09-03
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://hdl.handle.net/11449/193719
33004056080P8
url http://hdl.handle.net/11449/193719
identifier_str_mv 33004056080P8
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Estadual Paulista (Unesp)
publisher.none.fl_str_mv Universidade Estadual Paulista (Unesp)
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UNESP
instname:Universidade Estadual Paulista (UNESP)
instacron:UNESP
instname_str Universidade Estadual Paulista (UNESP)
instacron_str UNESP
institution UNESP
reponame_str Repositório Institucional da UNESP
collection Repositório Institucional da UNESP
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UNESP - Universidade Estadual Paulista (UNESP)
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1808128992283197440

Registros relacionados