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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
TU Chemnitz - Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik - Gerätesynthese: „Energy Harvesting (2)“ Seite 1/6
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)
TU Chemnitz - Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik - Gerätesynthese: „Energy Harvesting (2)“ Seite 2/6
𝑓 𝑒𝑟𝑟 ≈ 40𝐻𝑧
𝑎≈2𝑚𝑠2
2. Lösungsansätze
TU Chemnitz - Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik - Gerätesynthese: „Energy Harvesting (2)“ Seite 3/6
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
TU Chemnitz - Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik - Gerätesynthese: „Energy Harvesting (2)“ Seite 4/6
Quelle: Dirk Spreemann, Yiannos Manoli: Electromagnetic Vibration Energy Harvesting Devices, Springer 2012
3. Funktionsprinzip
TU Chemnitz - Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik - Gerätesynthese: „Energy Harvesting (2)“ Seite 5/6
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
TU Chemnitz - Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik - Gerätesynthese: „Energy Harvesting (2)“ Seite 6/6
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