Estudo do Comportamento Dinâmico de Coletores Piezelétricos Multiestáveis: Modelagem Numérica e Experimentação

Resumo

Este projeto de pesquisa tem como objetivo principal o estudo teorico e experimental de um coletor piezeletrico de energia multiestavel atraves da introduc'ao de efeitos magneticos nao lineares intencionais, os quais, em associac'ao com o efeito piezeletrico busca melhorar a capacidade de gerac'ao de energia do coletor, tanto em relac'ao a faixa de frequencia de operac'ao quanto a potencia eletrica gerada pelo coletor piezeletrico. O projeto de pesquisa se insere na area de estruturas inteligentes que utilizam os materiais piezeletricos, os quais possuem ampla gama de aplicac'oes, dentre elas a area de coleta piezeletrica de energia. A presente investigac'ao se apresenta no contexto da coleta piezeletrica de energia, que busca projetar dispositivos eletromecanicos, empregando para tanto materiais piezeletricos, capazes de converter sinais de vibrac'ao estrutural em tensao eletrica util. O modelo da viga cantilever, parcial ou totalmente recoberta com uma fina camada de ceramica piezeletrica e com uma massa rigida em sua extremidade livre tem sido muito utilizado no projeto de coletores de energia. Embora util, este modelo apresenta limitac'oes, sendo a principal delas a faixa de frequencias de conversao eletromecanica, uma vez que, para maximizac'ao da conversao energetica e indispensavel que o dispositivo opere em uma faixa de frequencia muito estreita, na vizinhanc'a de sua frequencia natural. Uma segunda limitac'ao refere-se à adaptabilidade da frequencia de operac'ao do dispositivo visto que, em aplicac'oes praticas nao e incomum ocorrer alterac'oes na frequencia do disturbio externo. Uma soluc'ao para aumentar a faixa de frequencia do dispositivo e a introduc'ao dos efeitos nao lineares intencionais, por exemplo magnéticos, os quais introduzem efeitos nao lineares no comportamento dinamico do coletor. Nesse sentido, o chamados coletores piezeletricos multiestaveis tem sido objeto de muitas pesquias nos ultimos anos, visto que possuem caracteristicas dinamicas interessantes para fins nao somente de garantir uma faixa de frequencias de operac'ao mais ampla mas tambem de gerar uma quantidade de energia eletrica maior quando comparado ao correspondente modelo linear. Desta forma, este projeto de pesquisa tem como objetivo principal estudar um coletor piezeletrico multiestavel, a partir do modelo da viga cantilever, usando a configurac'ao bimorph, e empregando-se efeitos magneticos intencionais atraves do posicionamento de magnetos de neodimio proximos a extremidade livre da viga cantilever. A partir de uma determinada configurac'ao geometrica sera formulado um modelo eletromecanico nao linear composto essencialmente de duas equac'oes diferenciais, sendo uma delas para a estrutura da viga e a outra para a tensao do material piezeletrico. Essas equac'oes, acopladas nas coordenadas generalizadas de deslocamento absoluto e tensao eletrica serao utilizadas em um estudo numerico, no qual pretende-se investigar os principais parametros que influenciam o comportamento do modelo quanto a gerac'ao de energia eletrica a partir de um determinado estimulo mecanico. Um prototipo sera construido para os ensaios experimentais cujos dados serao posteriormente utilizados na verificac'ao do modelo analitico. Modelo e experimento possibilitarao o estudo de varias configurac'oes do coletor piezeletrico, dentre elas a configurac'ao linear e as configurac'oes monoestavel e biestavel, merecedoras de grande atenc'ao na literatura sobre o tema. A partir dos estudos analitico-numerico e experimental busca-se obter configurac'oes geometricas quanto ao posicionamento linear e angular dos magnetos, que possibilitem a maximizac'ao da potencia eletrica de saida do dispositivo. Tambem serao investigadas configurac'oes multiestaveis adicionais as configurac'oes mono e biestavel, como e o caso da configurac'ao triestavel.