On the design of electromechanical vibration isolators and energy harvesters - Kuhnert, Willian Minnemann [UNESP] (2020)
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 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.