This thesis proposes a new technique for optimizing load resistances of vibration-based energy harvesters considering third-harmonic distortion in response. It is observed that for a magnetically coupled two-degree-of-freedom bistable energy harvester, the second beam has the third-order sinusoidal component in interwell motion due to mechanical nonlinearity. Because impedance matching, the most well-known technique for designing load resistances, assumes the system is linear, a new method considering this third-harmonic distortion is conceived to overcome the inherent limitation of the matched resistances. As a result, especially at the highest excitation frequency within the range of interwell motion, which is 17.5 Hz, the root-mean-square power of the second beam is improved by 1.6 times compared to the matched output. Moreover, it is identified that optimizing resistances at 17.5 Hz is a well-informed decision for enhanced broadband performance. Although only the third-harmonic distortion is considered in this study, the optimization process has a promising potential to be utilized whenever any higher-order harmonics emerge in nonlinear energy harvesters.
본 학위논문은 3차 조화파 왜곡 응답 특성을 가지는 진동 기반 에너지 수확기의 부하 저항을 최적화하기 위한 새로운 기법을 제안한다. 우물간 운동을 하는 2자유도 자기결합 쌍안정 에너지 수확기에서, 두 번째 보가 기계적 비선형성으로부터 기인한 3차 정현파 응답을 가짐이 관찰되었다. 부하 저항을 설계하기 위한 가장 유명한 기법인 임피던스 정합 기법은 계가 선형임을 가정하기 때문에 정합 저항의 근본적 한계를 타개하기 위해서 3차 조화파 왜곡을 고려하는 새로운 방법을 고안하였다. 이로써 우물간 운동을 하는 범위에서 가장 높은 주파수인 17.5 Hz에서는 두 번째 보의 제곱평균제곱근 전력이 정합 전력에 비해 1.6배 개선되었다. 뿐만 아니라, 17.5 Hz에서 저항을 최적화하는 것은 광대역 성능도 개선함을 확인하였다. 비록 본 연구에서는 3차 조화파 왜곡만을 고려하였지만, 제안하는 최적화 과정은 비선형 에너지 수확기가 가지는 임의의 조화파 왜곡을 고려할 수 있도록 확장하여 적용될 수 있을 것이다.
