Energy Harvesting (2)Gerätesynthese

Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik

TU Chemnitz - Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik - Gerätesynthese: „Energy Harvesting (2)“

Agenda1. Projektvorhaben

2. Lösungsansätze3. Gewählte Lösung

– Funktionsprinzip– Berechnung & Auslegung– CAD-Konstruktion

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1. Projektvorhaben

elektromagnetisch (induktiv)piezoelektrisch

elektrostatisch(kapazitiv)

Wandlerprinzipien

Vibrationsspektrum der Werkzeugmaschine:

Randbedingungen:

- max. Bauvolumen des Harvesters: 100cm³

- min. zu erzeugende mittlere Leistung: 50µW

Ziel: Vibration elektrische Energie

kinetischer Energiewandler an einer Werkzeugmaschine zur Versorgung eines Temperatursenors mit drahtloser Datenübertragung

elektromagnetisch (induktiv)

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𝑓 𝑒𝑟𝑟 ≈ 40𝐻𝑧

𝑎≈2𝑚𝑠2

2. Lösungsansätze

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Quelle: Dirk Spreemann, Yiannos Manoli: Electromagnetic Vibration Energy Harvesting Devices, Springer 2012

Elektromagnetische Induktion:

𝑈 𝑖𝑛𝑑 ,𝐿𝑒𝑖𝑡𝑒𝑟=−(𝐵×𝑣)⋅𝑙𝐹𝑚𝑎𝑔 ,𝐿𝑒𝑖𝑡𝑒𝑟=𝐵× 𝐼 ⋅𝑙

𝑈 𝑖𝑛𝑑=−𝑑Φ𝑑𝑡

=−𝑑 (𝐵⋅ 𝐴 )

𝑑𝑡=−𝐵⋅ 𝑑𝐴

𝑑𝑡=−𝐵⋅ 𝑑𝐴

𝑑𝑥⋅ 𝑑𝑥𝑑𝑡 (𝐵⊥𝑣)

2. Lösungsansätze

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Quelle: Dirk Spreemann, Yiannos Manoli: Electromagnetic Vibration Energy Harvesting Devices, Springer 2012

3. Funktionsprinzip

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➀

➀ Federeinspanner

➁ Stahlbandfeder

➁

➂ NdFeB Magnet

➂

➃ Luftspule

➃

➄ Zusatzmasse

➄

Faraday‘sche Induktionsesetz

𝑈 𝑖𝑛𝑑 ,𝑆𝑝𝑢𝑙𝑒=−𝑁 ⋅𝑑Φ𝑑𝑡

=−𝑁 ⋅𝐵⋅𝑑𝐴𝑑𝑡

𝑈 𝑖𝑛𝑑 ,∎𝑆𝑝𝑢𝑙𝑒=−𝑁 ⋅𝐵⋅𝑙 ⋅𝑑 𝑥𝑑𝑡

(𝐵⊥𝑣)

𝑈 𝑖𝑛𝑑 ,2𝑀𝑎𝑔𝑛𝑒𝑡𝑒=−𝑁 ⋅𝐵⋅(𝑑 (𝐴1− 𝐴2)𝑑𝑡 )

3. Gewählte Lösung

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Mechanisches TeilsystemElektrisches Teilsystem

𝑓 𝑒𝑖𝑔𝑒𝑛=12 ⋅Π √ 𝐸𝐹 ⋅𝑏𝐹 ⋅ h𝐹

❑3

4 ⋅𝑙𝐹❑3 ⋅𝑚

𝐵=2 ⋅𝐻𝑐 ⋅𝑏𝑚 ⋅𝜇0𝑙𝐿𝑢𝑓𝑡𝜇𝐿𝑢𝑓𝑡

+𝑙𝐸𝑖𝑠𝑒𝑛𝜇𝐹𝑒

𝑏𝑒𝑙=𝑙𝑆𝑝𝑢𝑙𝑒❑ 2 ⋅𝐵2⋅𝑁 𝑆𝑝𝑢𝑙𝑒

❑ 2

𝑅𝐿𝑎𝑠𝑡+𝑅𝐿+𝜔𝑒𝑟𝑟 ⋅ 𝐿𝑆𝑝𝑢𝑙𝑒

+

𝑄=1

2⋅ 𝑑𝑟 ⋅√1−𝑑𝑟2

𝑑𝑟=𝑏

2 ⋅√𝑐𝐹𝑒𝑑𝑒𝑟 ⋅𝑚

𝜃=2 ⋅ 𝜋 ⋅ 𝑓 𝑒𝑖𝑔𝑒𝑛

2 ⋅𝑄

𝒇 𝒓𝒆𝒔=√ 𝒇 𝒆𝒊𝒈𝒆𝒏❑ 𝟐−𝟐⋅𝜽𝟐

Dämpfungsmaß:

Abklingkonstante:

Güte:

Resonanzfrequenz:

Eigenfrequenz:Magnetische Flussdichte:

Elektrische Dämpfung:

𝑃𝑒𝑙=𝑚⋅𝑎2

8⋅ 𝜋 ⋅ 𝑓 𝑟𝑒𝑠 ⋅ 𝑑𝑟

𝑚⋅𝑠 ′ ′+(𝑏¿¿𝑒𝑙+𝑏 h𝑚𝑒𝑐 )⋅𝑠 ′+𝑐 𝐹𝑒𝑑𝑒𝑟 ⋅ 𝑠=𝑚⋅𝑎¿PT2 (schwingend in Resonanz):

𝑠 (𝑡 )=𝑠0 ⋅sin(𝜔⋅𝑡)

Maximum umgewandelte Energie