Els recol·lectors electromagnètics d’energia de vibracions converteixen energia mecànica, en forma de vibracions, a electricitat. Són per tant, dispositius amb un gran potencial però també amb grans desavantatges pel que fa a adaptabilitat, eficiència i cost.
El seu comportament és complex de caracteritzar, especialment quan hi ha una interacció magnètica significativa entre el propi dispositiu i components magnètics o electromagnètics externs, fet que podria derivar en un comportament no-lineal i afectar considerablement al seu rendiment. L’objectiu principal d’aquest projecte és el d’entendre millor la influencia d’aquestes forces magnètiques al rendiment mecànic d’aquest tipus de dispositius desenvolupant una eina de simulació que permeti predir el comportament d’un recol·lector sota diferents escenaris d’interès.
El model que es proposa és el d’un sistema massa-esmorteïdor-molla d’un grau de llibertat amb forces magnètiques aplicades. La resposta del sistema és calculada per a una excitació d’entrada sinusoidal i a través de dos mètodes diferents. El primer és un mètode d’integració temporal mentre que el segon, conegut com a harmonic balance method, es calcula en l’espai freqüencial. Per unir la part magnètica amb la mecànica s’empra un acoblament dèbil; calculant en primer lloc les forces magnètiques que rep el dispositiu per posteriorment introduir-les en l’equació de moviment del sistema.
Diferents tests experimentals representatius dels diversos escenaris a estudiar es duen a terme per tal de validar l’eina de simulació. Tant experimentalment com numèricament, en aquells casos en que hi ha forces magnètiques aplicades, s’observa un canvi substancial en la freqüència de ressonància del sistema, és a dir, un canvi en la seva rigidesa. Aquest canvi implica una reducció en la rigidesa del sistema quan l’imant del recol·lector està subjecte a forces d’atracció i un augment quan les forces són de repulsió.
Electromagnetic vibration energy harvesters convert mechanical energy, in the form of vibrations, into electricity. They are, therefore, devices with huge potential but also with major drawbacks regarding adaptability, efficiency and return of investment.
Their behaviour is complex to characterize, especially when there is a significant magnetic interaction between the device and external ferromagnetic or magnetic components, which could result in strong non-linear behaviours that might affect the performance of the device. The aim of this project is to understand better the influence of these magnetic forces on the mechanical system response by developing a simulation tool which can predict the behaviour of a harvester under different scenarios of interest.
The proposed model is a one-degree-of-freedom spring-damper-mass system with applied magnetic forces. Its system response is computed for a sinusoidal excitation input and through two different methods. The former being a time domain integration method and the latter known as harmonic balance method, which is performed in the frequency domain. A weak coupling between magnetic and mechanical phenomena is assumed by performing the electromagnetic simulation independently and later inputting the results in the equation of motion of the system.
Several experimental tests representing the different case scenarios are carried out in order to validate the simulation tool. Both experimentally and numerically, when magnetic forces are being applied, the harvester is seen to experience a significant shift in its resonant frequency, i.e., a change in its stiffness. This shift results in a softening effect if the oscillation magnet is subjected to attraction forces and in a hardening effect if, on the contrary, it is subjected to repulsion forces.
gmail.com
