Energy Harvesting (2) Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik 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 TU Chemnitz - Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik - Gerätesynthese: „Energy Harvesting (2)“ Seite 1/6

1. Projektvorhaben kinetischer Energiewandler an einer Werkzeugmaschine zur Versorgung eines Temperatursenors mit drahtloser Datenübertragung Randbedingungen: max. Bauvolumen des Harvesters: 100cm³ min. zu erzeugende mittlere Leistung: 50µW Vibrationsspektrum der Werkzeugmaschine: Ziel: Vibration  elektrische Energie Wandlerprinzipien 𝑓 𝑒𝑟𝑟 ≈40𝐻𝑧 𝑎≈2 𝑚 𝑠 2 elektrostatisch (kapazitiv) piezoelektrisch elektromagnetisch (induktiv) elektromagnetisch (induktiv) TU Chemnitz - Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik - Gerätesynthese: „Energy Harvesting (2)“ Seite 2/6

2. Lösungsansätze (𝐵⊥𝑣)  Elektromagnetische Induktion: 𝑈 𝑖𝑛𝑑 =− 𝑑Φ 𝑑𝑡 =− 𝑑 𝐵⋅𝐴 𝑑𝑡 =−𝐵⋅ 𝑑𝐴 𝑑𝑡 =−𝐵⋅ 𝑑𝐴 𝑑𝑥 ⋅ 𝑑𝑥 𝑑𝑡  Elektromagnetische Induktion: (𝐵⊥𝑣) 𝑈 𝑖𝑛𝑑,𝐿𝑒𝑖𝑡𝑒𝑟 =−(𝐵×𝑣)⋅𝑙 𝐹 𝑚𝑎𝑔,𝐿𝑒𝑖𝑡𝑒𝑟 =𝐵×𝐼⋅𝑙 Quelle: Dirk Spreemann, Yiannos Manoli: Electromagnetic Vibration Energy Harvesting Devices, Springer 2012 TU Chemnitz - Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik - Gerätesynthese: „Energy Harvesting (2)“ Seite 3/6

2. Lösungsansätze Quelle: Dirk Spreemann, Yiannos Manoli: Electromagnetic Vibration Energy Harvesting Devices, Springer 2012 TU Chemnitz - Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik - Gerätesynthese: „Energy Harvesting (2)“ Seite 4/6

3. Funktionsprinzip ➀  Faraday‘sche Induktionsesetz ➂ ➁ ➃ ➄ (𝐵⊥𝑣) 𝑈 𝑖𝑛𝑑, 𝑆𝑝𝑢𝑙𝑒 =−𝑁⋅ 𝑑Φ 𝑑𝑡 =−𝑁⋅𝐵⋅ 𝑑𝐴 𝑑𝑡 ➄ 𝑈 𝑖𝑛𝑑, ∎𝑆𝑝𝑢𝑙𝑒 =−𝑁⋅𝐵⋅𝑙⋅ 𝑑𝑥 𝑑𝑡 (𝐵⊥𝑣) ➀ Federeinspanner ➁ Stahlbandfeder ➂ NdFeB Magnet ➃ Luftspule ➄ Zusatzmasse 𝑈 𝑖𝑛𝑑, 2𝑀𝑎𝑔𝑛𝑒𝑡𝑒 =−𝑁⋅𝐵⋅ 𝑑( 𝐴 1 − 𝐴 2 ) 𝑑𝑡 TU Chemnitz - Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik - Gerätesynthese: „Energy Harvesting (2)“ Seite 5/6

3. Gewählte Lösung PT2 (schwingend in Resonanz): 𝑚⋅ 𝑠 ′′ + (𝑏 𝑒𝑙 + 𝑏 𝑚𝑒𝑐ℎ )⋅𝑠′+ 𝑐 𝐹𝑒𝑑𝑒𝑟 ⋅𝑠=𝑚⋅𝑎 𝑠 𝑡 = 𝑠 0 ⋅ sin (𝜔⋅𝑡) Elektrisches Teilsystem Mechanisches Teilsystem 𝐵= 2⋅ 𝐻 𝑐 ⋅ 𝑏 𝑚 ⋅ 𝜇 0 𝑙 𝐿𝑢𝑓𝑡 𝜇 𝐿𝑢𝑓𝑡 + 𝑙 𝐸𝑖𝑠𝑒𝑛 𝜇 𝐹𝑒 Magnetische Flussdichte: Eigenfrequenz: 𝑓 𝑒𝑖𝑔𝑒𝑛 = 1 2⋅Π 𝐸 𝐹 ⋅ 𝑏 𝐹 ⋅ ℎ 𝐹 3 4⋅ 𝑙 𝐹 3 ⋅𝑚 𝑏 𝑒𝑙 = 𝑙 𝑆𝑝𝑢𝑙𝑒 2 ⋅ 𝐵 2 ⋅ 𝑁 𝑆𝑝𝑢𝑙𝑒 2 𝑅 𝐿𝑎𝑠𝑡 + 𝑅 𝐿 + 𝜔 𝑒𝑟𝑟 ⋅ 𝐿 𝑆𝑝𝑢𝑙𝑒 Elektrische Dämpfung: 𝑏= 𝑏 𝑒𝑙 + 𝑏 𝑚𝑒𝑐ℎ ⇒ 𝑏 𝑒𝑙 = 𝑏 𝑚𝑒𝑐ℎ  Maximum umgewandelte Energie 𝑑𝑟= 𝑏 2⋅ 𝑐 𝐹𝑒𝑑𝑒𝑟 ⋅𝑚 Dämpfungsmaß: 𝑄= 1 2⋅𝑑𝑟⋅ 1−𝑑 𝑟 2 Güte: 𝜃= 2⋅𝜋⋅ 𝑓 𝑒𝑖𝑔𝑒𝑛 2⋅𝑄 Abklingkonstante: 𝑃 𝑒𝑙 = 𝑚⋅ 𝑎 2 8⋅𝜋⋅ 𝑓 𝑟𝑒𝑠 ⋅𝑑𝑟 𝒇 𝒓𝒆𝒔 = 𝒇 𝒆𝒊𝒈𝒆𝒏 𝟐 −𝟐⋅ 𝜽 𝟐 Resonanzfrequenz: TU Chemnitz - Professur für Mikrosystem- und Gerätetechnik - Gerätesynthese: „Energy Harvesting (2)“ Seite 6/6