A technique for improving magnetic plucking in electromechanical systems with focus on piezoelectric vibration energy harvesters

This thesis work is focused on the exploitation of magnetic interaction forces for enhancing the performances of a vibrational energy harvester represented by a clamped piezoelectric cantilever beam. In particular, the possibility to establish and enhance a plucking mechanism is investigated through the manipulation of magnetic field by means of magnetic flux concentrators. In general, the beam plucking is reached through physical contact of its tip, which causes an early damaging of the piezoelectric material. By exciting the beam through a contactless magnetic interaction force, such inconvenience would be prevented. The beam behaviour was studied through a semi-analytical lumped-parameter model implemented in MATLAB and provided by the Civil and Environmental Engineering Department of Politecnico di Milano. The magnetic forces were computed with the commercial finite element software COMSOL Multiphysics and applied to the semi-analytical model as positional forces. Finally, a set of experimental tests were performed to verify the correctness of the analytical results. The numerical study showed that it is possible to increase the magnetic force sharpness through the application of the magnetic flux concentrators. Implementing the magnetic forces in the semi-analytical model, it was proved that excitation sharpness is a key parameter for enhancing the device performances and establishing the beam plucking. However, such results were not totally confirmed by the experimental tests. For high intensity excitations, a discrepancy in both the response peak and frequency emerged, suggesting that the implementation of some non linearities in the piezoelectric constitutive model could be necessary.

Il presente lavoro di tesi è focalizzato sullo sfruttamento delle forze di interazione magnetica per migliorare le prestazioni di un dispositivo per il recupero di energia vibrazionale, rappresentato da una trave piezoelettrica a incastro. In particolare, viene studiata la possibilità di instaurare e accentuare un meccanismo di "plucking" attraverso la manipolazione del campo magnetico per mezzo di concentratori di flusso magnetico. In generale, tale fenomeno viene provocato tramite un contatto fisico con l'estremitá della trave, che rischia peró di provocare un precoce danneggiamento del materiale piezoelettrico. Eccitando la trave attraverso una forza di interazione magnetica che non richiede alcun contatto, tale inconveniente puó essere evitato. Il comportamento della trave è stato studiato attraverso un modello semi-analitico a parametri concentrati implementato in MATLAB e fornito dal Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del Politecnico di Milano. Le forze magnetiche sono state calcolate tramite il software commerciale a elementi finiti COMSOL Multiphysics e applicate al modello semi-analitico come forze posizionali. Infine, sono state eseguite una serie di prove sperimentali per verificare la correttezza dei risultati analitici. Lo studio numerico ha mostrato che è possibile rendere piú acuminata la curva di interazione magnetica attraverso l'applicazione dei concentratori di flusso magnetico. Implementando le forze magnetiche nel modello semi-analitico, è stato dimostrato che la suddetta proprietá è un parametro chiave per migliorare le prestazioni del dispositivo e instaurare il "plucking" della trave. Tuttavia, tali risultati non sono stati totalmente confermati dalle prove sperimentali. Per eccitazioni ad alta intensità, è emersa una discrepanza sia nel picco di risposta che nella frequenza, suggerendo che potrebbe essere necessaria l'implementazione di alcune non linearità nel modello costitutivo piezoelettrico.