Cogging force and frequency bandwidth of a vibration energy harvester with nonlinear electromechanical resonance

• Autorzy: Jagieła M. , Kulik M.

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2017.01.73

Warianty tytułu

PL

Siła wewnętrzna i charakterystyki częstotliwościowe układu pozyskiwania energii z drgań mechanicznych z nieliniowym rezonansem elektromechanicznym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper analyses the open-circuit frequency characteristics of a mechanical vibration energy harvester comprising of a single-coil cored armature and two vibrating yokes with permanent magnets connected to a plate spring. The cogging force, developed by action of the magnetic flux on the core brings a nonlinear component into system kinematics and causes complex variation of the frequency characteristics. It is shown that depending on dimensions of the generator parts, the system is capable of developing the frequency characteristics whose resonant frequency decreases or increases with the magnitude of external force. Through analysis supported by computer simulations using the finite element models it is shown that the systems with decreasing resonant frequency are more practical due to wider frequency bandwidth and higher amplitude of the generated voltage.

PL

W artykule analizowane są właściwości układu przetwarzania drgań mechanicznych w energię elektryczną zbudowanego z generatora liniowego z pojedynczą cewką z rdzeniem ferromagnetycznym oraz dwóch ruchomych jarzm z magnesami trwałymi połączonymi z metalową sprężyną paskową. Pokazano, że układ o takiej budowie może wytwarzać dwa rodzaje charakterystyk częstotliwościowych, tj. takie w których częstotliwość rezonansowa maleje lub rośnie wraz z amplitudą zewnętrznej siły wymuszającej drgania. Za pomocą symulacji komputerowych z wykorzystaniem modeli siatkowych, pokazano, że w układach praktycznych powinno dążyć się do osiągnięcia pierwszego typu charakterystyk ze względu na szersze pasmo częstotliwości oraz większą amplitudę generowanego napięcia.

Słowa kluczowe

EN

energy harvesting; mechanical vibration; coupled problem

PL

pozyskiwanie energii elektrycznej; drgania mechaniczne; problemy sprzężone

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 93, nr 1
• Strony: 311--315
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., fot., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Jagieła M.

• Politechnika Opolska, Instytut Układów Elektromechanicznych i Elektroniki Przemysłowej, ul. Prószkowska 76, 45-758 Opole

autor

Kulik M.

• Politechnika Opolska, Instytut Układów Elektromechanicznych i Elektroniki Przemysłowej, ul. Prószkowska 76, 45-758 Opole

Bibliografia

• [1] Challa V. R. , Prasad M. G. , Shi Y. , Fisher F. T., A vibration energy harvesting device with bidirectional resonance frequency tunability, Smart Materials and Structures, 17 (2008), No. 1, IOP Science Publ., 1-11.
• [2] Chen S.M., Zhou J.J., Hu J.H., Experimental study and finite element analysis for piezoelectric impact energy harvesting using a bent metal beam, Int. Journ. of Applied Electromagnetics and Mechanics, 46 (2014), No. 4, IOS Press, 895-904.
• [3] Williams C.B., Shearwood C., Harradine M.A. , Mellor P.H. , Development of an electromagnetic microgenerator, IEE Proc. Circuits, Devices and Systems, 148 (2001), No. 6, 337-342.
• [4] Beeby S. P., Torah R. N., Tudor M. J., Glynne-Jones P., O'Donnell T., Saha C. R., Roy S., A micro electromagnetic generator for vibration energy harvesting, Journal of Micromechanics and Microengineering, 17(2007), IOP Publishing, 1257-1265.
• [5] Gieras J.F., Oh J.H., Huzmezan M., Electromechanical energy harvesting system, Int. Patent Publ. WO 2007/044008 A1, 2011.
• [6] Sato T. , Igarashi H. , A new wideband electromagnetic vibration energy harvester with chaotic oscillation, Journal of Physics, Conf. Series, 476 (2013), Conference 1, IOP Science Publ. 2013, Article No. 012119.
• [7] Sato T., Watanabe K., Igarashi H., Coupled analysis of electromagnetic vibration energy harvester with nonlinear oscillation, IEEE Trans. Magn., 50 (2014), No. 2, Article No. 7007604.
• [8] Ferreira A. J .M. , Matlab codes for finite element analysis, Solid mechanics and its applications 157, Springer, Netherlands, 2009.
• [9] Demenko A. , Sykulski J .K. , Network equivalents of nodal and edge elements in electromagnetics, IEEE Trans. Magn., 38 (2002), No. 2, 1305-1308.
• [10] Demenko A., Mendrela E.A. , Szelag W., Finite element analysis of saturation effects in tubular linear generator, The Intern. Journ. for Comp. and Math. in Electrical and Electronic Eng. COMPEL, 25 (2006), No. 1, 43-54.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).