Impact of scale factor on performance of miniature DC power source based on wideband vibration energy converter

• Autorzy: Kulik Marcin , Górecki Krzysztof , Jagieła Mariusz

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2022.08.34

Warianty tytułu

PL

Wpływ współczynnika skali na parametry miniaturowego źródła prądu stałego opartego o szerokopasmowy przetwornik energii drgań

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents a miniature DC source based on a dual system of nonlinear vibration energy converters along with a converter of an induced voltage. The considered electromagnetic system converts vibrations into electrical energy using internal nonlinearity due to magnetic force dependent on relative position of a moving part. This results in a significant widening of the operating frequency band in comparison to linear system. Based on initial design, the output power and voltage were investigated as functions of the scale factor for the systems with the optimized winding. The result of the study is a construction of a DC power source that generates the output power of minimum of 2 mW (with maximum reaching 8.5 mW) over the frequency range between 15 and 40 Hz, proving the applicability of the system in powering of wireless sensor systems.

PL

W pracy zaprezentowano miniaturowe źródło prądu stałego oparte o układ podwójny nieliniowych przetworników energii drgań wraz z przetwornicą napięcia. Zastosowane elektromagnetyczne układy przetwarzające drgania na energię elektryczną charakteryzują się dodatkową siłą wewnętrzną, co powoduje znaczne poszerzenie pasma częstotliwości pracy w stosunku do układów liniowych. Na podstawie początkowego projektu, przeprowadzono badania mocy oraz napięcia wyjściowego w zależności od współczynnika skalującego, z uwzględnieniem optymalizacji rozłożenia zwojów cewek. W wyniku badań zbudowano źródło prądu stałego generujące minimum 2 mW (max 8.5 mW) w zakresie częstotliwości od 15 do 40 Hz, co dowodzi możliwości zastosowania w zasilaniu bezprzewodowych systemów pomiarowych.

Słowa kluczowe

EN

vibration energy harvesting; electromechanical converter; nonlinear resonance; frequency response

PL

pozyskiwanie energii z drgań; przetwornik elektromechaniczny; nieliniowy rezonans; odpowiedź częstotliwościowa

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 98, nr 8
• Strony: 185--188
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kulik Marcin

• Opole University of Technology, Faculty of Electrical Engineering, Automatic Control and Informatics, ul. Prószkowska 76, 45-758 Opole

• https://orcid.org/0000-0003-0120-3523

autor

Górecki Krzysztof

• Opole University of Technology, Faculty of Electrical Engineering, Automatic Control and Informatics, ul. Prószkowska 76, 45-758 Opole

• https://orcid.org/0000-0002-6029-8473

autor

Jagieła Mariusz

• Opole University of Technology, Faculty of Electrical Engineering, Automatic Control and Informatics, ul. Prószkowska 76, 45-758 Opole

• https://orcid.org/0000-0002-2110-0727

Bibliografia

• [1] Mitcheson P.D., Yeatman E.M., Rao G.K., Holmes A.S., Green T.C.: Energy Harvesting From Human and Machine Motion for Wireless Electronic Devices, Proceedings of the IEEE, 96 (2008), No. 9, 1457–1486, DOI: 10.1109/JPROC.2008.927494
• [2] Blokhina E., El Aroudi A., Alarcon E., Galayko D., Nonlinearity in Energy Harvesting Systems: Micro- and Nanoscale Applications, Springer, 2016, DOI: 10.1007/978-3-319-20355-3
• [3] Kulik M., Jagieła M., Łukaniszyn M., Surrogacy-based maximization of output power of a low-voltage vibration energy harvesting device, Applied Sciences, 10 (2020), DOI: 10.3390/app10072484.
• [4] Dal Bo L., Gardonio P., Turco E., Analysis and scaling study of vibration energy harvesting with reactive electromagnetic and piezoelectric transducers, Journal of Sound and Vibration, 484 (2020), 115510, DOI: 10.1016/j.jsv.2020.115510
• [5] Eshtehardiha R., Tikani R., Ziaei-Rad S., Investigating themultiple scales method based on a new scaling for energy harvesting from a double cantilever beam with internal resonance, Meccanica, 57 (2022), 1281–1306, DOI: 10.1007/s11012-022-01504-w
• [6] Moss S.D, Payne O.R, Hart G.A, Ung C., Scaling and power density metrics of electromagnetic vibration energy harvesting devices, Smart Materials and Structures, 24 (2015), 023001, DOI: 10.1088/0964-1726/24/2/023001
• [7] Geisler M., Boisseau S., Perez M., Ait-Ali I., Perraud S., Scaling effects in a non-linear electromagnetic energy harvester for wearable sensors, Journal of Physics: Conference Series, 773 (2016), 012044, DOI: 10.1088/1742-6596/773/1/012044
• [8] Jagieƚa M., Kulik M., Wideband electromagnetic converter ofmechanical vibrations energy into electrical energy (in Polish), Patent Office of the Republic of Poland, No. Pat.239301, March 27, 2017.
• [9] Tang Y., Khaligh A., A Multi-input Bridgeless Resonant AC–DC Converter for Electromagnetic Energy Harvesting, IEEE Transactions on Power Electronics, 31 (2016), No. 3, DOI: 10.1109/TPEL.2015.2426700
• [10] Wang H., Tang Y., Khaligh A., A Bridgeless Boost Rectifier for Low-Voltage Energy Harvesting Applications, IEEE Transactions on Power Electronics, 28 (2013), No. 11, 5206–5214, DOI: 10.1109/TPEL.2013.2242903
• [11] Ravaud R., Lemarquand G., Lemarquand V., Depollier C., Discussion about the analytical calculation of the magnetic field created by permanent magnets, Progress In Electromagnetics Research B, 11 (2009), 281-297, DOI: 10.2528/PIERB08112102
• [12] Akyel C., Babic S., Kincic S., New and fast procedures forcalculating the mutual inductance of coaxial circular coils (circular coil-disk coil), IEEE Transactions on Magnetics, 38 (2002), No. 5, 2367-2369, DOI: 10.1109/TMAG.2002.803576

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).