Investigating electromagnetic vibrational energy harvesters

Abstract

Un problema fundamental para el Internet de las Cosas (IoT por sus siglas en inglés) es el cambio de baterías en los dispositivos y sensores inalámbricos. Esto representa un alto coste económico y medioambiental. Para solucionar dicho problema se han desarrollado distintas tecnologías de obtención de energía en pequeña escala. Este proyecto presenta los experimentos realizados a un recolector electromagnético de energía a través de las vibraciones en, 2D ya existente. Los experimentos se centraban en el estudio de la fricción para poder entender y minimizar las pérdidas mecánicas. Desarrollando estos experimentos surgió la idea de otro diseño de un cosechador basado en un péndulo esférico, esto busca no tener pérdidas mecánicas y poder obtener energía desde vibraciones en dos dimensiones y en una amplia banda de bajas frecuencias. El diseño consiste en posicionar bobinas como masa inercial del péndulo que se mueve sobre una base llena de imanes, produciéndose un movimiento relativo entre ellos. El diseño fue imprimido en 3D. La ecuación de movimiento fue obtenida mediante las ecuaciones de Newton-Euler. El diseño fue estudiado en un vibrador 2D con vibraciones en 1D y 2D obteniendo información de la potencia y voltaje generado por diferentes configuraciones del diseño. Finalmente, los distintos resultados fueron comparados para obtener una configuración óptima.

A fundamental issue for the "Internet of Things" (IoT) network is the battery replacement of wireless devices, which represents a big economical and environmental problem. To find a solution in this subject, different energy harvesting technologies are being developed. This project presents the experimental assessment regarding the friction of an already existing 2D electromagnetic vibration energy harvester (EMVEH) and the alternative found to solve the mechanical friction problems. This alternative consists of an spherical pendulum design, which aims to be a 2D harvester with no mechanical losses that can harvest energy in a broad band of low frequencies. The coils are positioned as the inertial mass and the base contains the magnets. The device was built with 3D printing because of the versatility of the technique. The equation of motion was derived using Newton-Euler´s equations. The harvester was tested in a 2D shaker with 1D and 2D vibrations obtaining information of the power and voltage generated by different set-ups of the pendulum. Finally, this results were compared so an optimal configuration was found.