Transcript Präsentation 2 Energy Harvesting induktiv V2

Professur für Mikrosystemund Gerätetechnik
Energy Harvesting (2)
Gerätesynthese
TU Chemnitz - Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik - Gerätesynthese: „Energy Harvesting (2)“
Agenda
1. Projektvorhaben
2. Lösungsansätze
3. Gewählte Lösung
– Funktionsprinzip
– Berechnung & Auslegung
– CAD-Konstruktion
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1.
Projektvorhaben
 kinetischer Energiewandler an einer Werkzeugmaschine zur Versorgung
eines Temperatursenors mit drahtloser Datenübertragung
Vibrationsspektrum der
Werkzeugmaschine:
Randbedingungen:
- max. Bauvolumen des Harvesters: 100cm³
- min. zu erzeugende mittlere Leistung: 50µW
Ziel: Vibration  elektrische Energie
Wandlerprinzipien
𝑓𝑒𝑟𝑟 ≈ 40𝐻𝑧
𝑚
𝑎≈2 2
𝑠
elektrostatisch
(kapazitiv)
piezoelektrisch
elektromagnetisch
(induktiv)
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2.
Lösungsansätze
 Elektromagnetische Induktion:
𝑈𝑖𝑛𝑑 = −
𝑑Φ
𝑑 𝐵⋅𝐴
𝑑𝐴
𝑑𝐴 𝑑𝑥
=−
= −𝐵 ⋅
= −𝐵 ⋅
⋅
𝑑𝑡
𝑑𝑡
𝑑𝑡
𝑑𝑥 𝑑𝑡
Quelle: Dirk Spreemann, Yiannos Manoli: Electromagnetic Vibration Energy Harvesting Devices, Springer 2012
𝑈𝑖𝑛𝑑,𝐿𝑒𝑖𝑡𝑒𝑟 = −(𝐵 × 𝑣) ⋅ 𝑙
(𝐵 ⊥ 𝑣)
𝐹𝑚𝑎𝑔,𝐿𝑒𝑖𝑡𝑒𝑟 = 𝐵 × 𝐼 ⋅ 𝑙
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2.
Lösungsansätze
Quelle: Dirk Spreemann, Yiannos Manoli: Electromagnetic Vibration Energy Harvesting Devices, Springer 2012
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3.
Funktionsprinzip
 Faraday‘sche Induktionsesetz
𝑑Φ
𝑑𝐴
𝑈𝑖𝑛𝑑,𝑆𝑝𝑢𝑙𝑒 = −𝑁 ⋅
= −𝑁 ⋅ 𝐵 ⋅
𝑑𝑡
𝑑𝑡
𝑑𝑥
𝑈𝑖𝑛𝑑,∎𝑆𝑝𝑢𝑙𝑒 = −𝑁 ⋅ 𝐵 ⋅ 𝑙 ⋅
𝑑𝑡
➀
➁
➂
➃
➄
(𝐵 ⊥ 𝑣)
➀ Federeinspanner
➁ Stahlbandfeder
➂ NdFeB Magnet
➃ Luftspule
➄ Zusatzmasse
𝑈𝑖𝑛𝑑, 2𝑀𝑎𝑔𝑛𝑒𝑡𝑒 = −𝑁 ⋅ 𝐵 ⋅
𝑑(𝐴1 − 𝐴2 )
𝑑𝑡
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3.
Gewählte Lösung
PT2 (schwingend in Resonanz): 𝑚 ⋅ 𝑠 ′′ + (𝑏𝑒𝑙 +𝑏𝑚𝑒𝑐ℎ ) ⋅ 𝑠′ + 𝑐𝐹𝑒𝑑𝑒𝑟 ⋅ 𝑠 = 𝑚 ⋅ 𝑎
𝑠 𝑡 = 𝑠0 ⋅ sin(𝜔 ⋅ 𝑡)
Elektrisches Teilsystem
Mechanisches Teilsystem
Magnetische Flussdichte:
Eigenfrequenz:
𝑓𝑒𝑖𝑔𝑒𝑛
1
𝐸𝐹 ⋅ 𝑏𝐹 ⋅ ℎ𝐹
=
2⋅Π 4⋅𝑙 3⋅𝑚
𝐹
3
𝐵=
2 ⋅ 𝐻𝑐 ⋅ 𝑏𝑚 ⋅ 𝜇0
𝑙𝐿𝑢𝑓𝑡 𝑙𝐸𝑖𝑠𝑒𝑛
𝜇𝐿𝑢𝑓𝑡 + 𝜇𝐹𝑒
2
2
2
Elektrische Dämpfung: 𝑏 = 𝑙𝑆𝑝𝑢𝑙𝑒 ⋅ 𝐵 ⋅ 𝑁𝑆𝑝𝑢𝑙𝑒
𝑒𝑙
𝑅𝐿𝑎𝑠𝑡 + 𝑅𝐿 + 𝜔𝑒𝑟𝑟 ⋅ 𝐿𝑆𝑝𝑢𝑙𝑒
𝑏 = 𝑏𝑒𝑙 +𝑏𝑚𝑒𝑐ℎ ⇒ 𝑏𝑒𝑙 =𝑏𝑚𝑒𝑐ℎ  Maximum umgewandelte Energie
Dämpfungsmaß:
𝑑𝑟 =
Güte:
𝑄=
Abklingkonstante:
𝜃=
Resonanzfrequenz:
𝑏
2 ⋅ 𝑐𝐹𝑒𝑑𝑒𝑟 ⋅ 𝑚
𝒇𝒓𝒆𝒔 =
1
2 ⋅ 𝑑𝑟 ⋅ 1 − 𝑑𝑟 2
2 ⋅ 𝜋 ⋅ 𝑓𝑒𝑖𝑔𝑒𝑛
2⋅𝑄
𝟐
𝒇𝒆𝒊𝒈𝒆𝒏 − 𝟐 ⋅ 𝜽𝟐
𝑚 ⋅ 𝑎2
𝑃𝑒𝑙 =
8 ⋅ 𝜋 ⋅ 𝑓𝑟𝑒𝑠 ⋅ 𝑑𝑟
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