Réseaux quasi-périodiques d’oscillateurs non-linéaires faiblement couplés pour la récupération d’énergie vibratoire par voies électromagnétique ou bien électromagnétique-piézoélectrique

Quasiperiodic arrays of weakly coupled nonlinear oscillators for vibration energy harvesting by electromagnetic or electromagnetic-piezoelectric transductions

• Auteur / Autrice : Kaouthar Aouali
• Direction : Noureddine Bouhaddi, Mohamed Haddar, Najib Kacem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec Université de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Skandar Basrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Noureddine Bouhaddi, Mohamed Haddar, Najib Kacem, Skandar Basrour, Mohamed Ichchou, Mnaouar Chouchane, Fakhreddine Dammak
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mohamed Ichchou, Mnaouar Chouchane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piézoélectricité

Oscillateurs

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Récupération d’énergie vibratoire

Couplage faible

Quasi-périodicité

Localisation d’énergie

Non-linéarité

Transductions électromagnétique et piézoélectrique

Reseaux d'oscillateurs

Piézoélectricité

Résonance interne

Optimisation multiobjectifs

Vibration energy harvesting

Weak coupling

Quasiperiodicity

Energy localization

Nonlinearity

Electromagnetic transductions

Array of oscillators

Piezoelectric transduction

Internal resonance

Multiobjective optimization

Résumé

Une étude sur les réseaux d’oscillateurs électromagnétiques et hybrides non-linéaires pour la récupération d’énergie vibratoire est menée dans cette thèse. Les limitations courantes des récupérateurs d’énergie, à savoir la bande passante étroite et la faible quantité d’énergie récupérée, sont surmontées en étudiant différentes approches d’amélioration. Dans un premier temps, le phénomène de localisation d’énergie a été fonctionnalisé pour un système à 2-ddls à transduction électromagnétique. Il a été montré qu’il permet de minimiser le coût, le nombre des circuits électriques et l’encombrement de la structure. De plus, la combinaison de la non-linéarité et de la localisation de mode a été étudiée. Il a été montré que la non-linéarité assure une robustesse de la localization de mode. Aussi, cette combinaison permet d’améliorer la puissance récupérée jusqu’à 19% et la bande passante jusqu’à 116% et assure une amélioration jusqu’à 101% et 79% en termes de puissance récupérée et de bande passante de fréquence dans le cas d’un dispositif quasi-périodique à 5-DOFs. Par ailleurs, afin d’améliorer davantage la puissance totale récupérée, le système électromagnétique a été transformé en système hybride en ajoutant des couches piézoélectriques aux poutres. Le phénomène de résonance interne est également étudié pour la structure hybride. Des distances entre aimants bien choisies entraînent l’activation de la résonance interne 2:1 et une amélioration significative des performances de sortie de la moissonneuse hybride a été démontrée. Il a été démontré qu’il est possible de réduire le volume du récupérateur de près de deux fois tout en augmentant la bande passante de fréquence et la puissance récupérée de 300% et 100% respectivement par rapport à un récupérateur non linéaire loin de la résonance interne .

A study on nonlinear electromagnetic and hybrid oscillator arrays for vibration energy harvesting is conducted in this thesis. The common harvesters’ limitations namely the narrow bandwidth and the low amount of the harvested energy are overcome by investigating different enhancement approaches. First, the energy localization phenomenon was functionnalized in a 2-DOFs with electromagnetic transduction system. It has been shown that it permits minimizing the number and the cost of electrical circuits and therefore the technological constraints of the structure. After that, the combination of nonlinear dynamics with the mode localization phenomenon has been studied. It has been proven that nonlinear dynamics allow a robustness of the mode localization phenomenon. Add to that, this combination permits improving the harvested power up to 19 % and the frequency of the bandwidth up to 116% and ensures an enhancement up to 101% and 79% in terms of harvested power and frequency bandwidth in the case of quasiperiodic 5-DOFs device. Moreover, in order to further improve the total harvested power, the electromagnetic system was transformed into hybrid one by adding piezoelectric layers. The internal resonance phenomenon is, also, investigated for the hybrid electromagnetic piezoelectric structure. Well-chosen gaps between the magnets result in activating the 2:1 internal resonance and a significant improvement of the hybrid harvester output performance has been demonstrated. It has been shown that it is possible to reduce the harvester’s volume by nearly two times while increasing the frequency bandwidth and the harvested power by 300% and 100% respectively comparing to a nonlinear harvester away from internal resonance.