Optimizing electromagnetic vibration energy harvester for wireless sensor node

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2016-10-31
Department
Major/Subject
Elektroniikka ja sovellukset
Mcode
S3007
Degree programme
Elektroniikka ja sähkötekniikka
Language
en
Pages
102 + 8
Series
Abstract
This Master’s Thesis constructs a mathematical model for single degree of freedom spring-mass-damper vibration energy harvester which can predict the resonance frequency and the maximum output power. The main focus is on the moving magnet and coil dimension optimization for maximum output power generation to the resistive load. Mathematical model for magnet springs were defined and validated against measurement which lead to accurate resonance frequency predictions using linearized spring constant near the magnet resting position. Four different algorithms for magnetic flux density were bench-marked and used to calculate flux linkage to the coil. Flux linkage calculation had a good agreement with measurements. Parameter optimization revealed that the most dominant factor affecting to the maximum output power of the harvester is the size of the moving magnet. While dimensioning and positioning of the coil is important their effects are not that significant. Other optimization result is that the coil wire diameter does not affect to the maximum output power but it defines the output voltage and output impedance. Two coil configuration is significantly better with small constrained construction sizes but the benefit diminishes with increasing construction size. Similarly the output power can be increased if the same magnet is used but the restriction of coil size is relaxed but the effect reduces with increased magnet size.

Tämä diplomityö luo matemaattisen mallin yhden vapausasteen jousi-massavaimennin periaatteeseen perustuvalle värinäenergiankeräimelle. Malli ennustaa energiankeräimen resonanssitaajuuden ja lähtötehon. Pääpaino työssä on energiankeräimen lähtötehon maksimointi resistiiviseen kuormaan optimoimalla liikkuvan magneetin ja kelan mittoja. Työssä määritettiin matemaattinen malli magneettijouselle ja sen toiminta vahvistettiin mittauksin. Lisäksi mallista linearisoitu jousivakio magneetin lepotilan ympäristössä mahdollisti tarkan arvion energiankeräimen resonanssitaajuudesta. Neljää eri algoritmia magneettivuontiheyden laskentaan vertailtiin ja niitä käytettiin kelaan kytkeytyvän magneettivuon ennustamiseen. Kelaan kytkeytyvä magneettivuo vastasi hyvin ennustettua. Parametrioptimointi paljasti, että liikkuvan magneetin koko vaikuttaa kaikista eniten energiankeräimen lähtötehoon ja vaikka kelan mitoitus on tärkeää, sen vaikutus lopputulokseen on huomattavasti pienempi. Toinen optimointitulos oli, että kelassa käytetyn johtimen halkaisijalla ei ole vaikutusta lähtötehoon, mutta sitä voidaan käyttää lähtöjännitteen ja lähtöimpedanssin sovittamiseen. Kahden kelan kokoonpano on merkittävästi parempi kuin yhden kelan kokoonpano, kun käytettävissä oleva tilavuus on pieni, mutta tämä hyöty pienenee käytettävissä olevan koon kasvaessa. Myös kokorajoitteen poistaminen kelalta parantaa lähtötehoa ja tämän vaikutus on kaikista merkittävintä pienillä magneeteilla.
Description
Supervisor
Sepponen, Raimo
Thesis advisor
Martin, Floran
Keywords
electromagnetic vibration energy harvester, SDOF spring-mass-damper, magnetic flux linkage, optimization, Wireless sensor node
Other note
Citation