عنوان

طراحی بهبودیافته میکروژنراتور الکترومغناطیسی

Number

پ۲۵۲۹۱

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

طراحی بهبودیافته میکروژنراتور الکترومغناطیسی

First Statement of Responsibility

محمدرضا بالازاده‌بهار

Name of Publisher, Distributor, etc.

مهندسی برق و کامپیوتر

Date of Publication, Distribution, etc.

۱۴۰۰

Specific Material Designation and Extent of Item

۱۳۶ص.

Accompanying Material

سی دی

Dissertation or thesis details and type of degree

دکتری

Discipline of degree

برق الکترونیک

Date of degree

۱۴۰۰/۰۶/۰۸

Text of Note

در این مطالعه، سه نوع طراحی و شبیه‌سازی انجام گرفته است. در طراحی اول، یک میکروژنراتور الکترومغناطیسی برای تبدیل نوسانات محیطی به توان الکتریکی خروجی ارائه شده است. این میکروژنراتور از تیر مکانیکی، آهنربا، و سیم‌پیچ متصل به بار مقاومتی تشکیل یافته است. نوسانات مکانیکی باعث نوسان تیر شده و آهنربا داخل سطح مقطع سیم‌پیچ شروع به نوسان می‌کند. تغییرات فلوی مغناطیسی ناشی از آهنربا، گذرنده از سطح مقطع سیم‌پیچ، باعث القای ولتاژ خروجی در ترمینال‌های سیم‌پیچ می‌گردد. ابعاد و ساختار میکروژنراتور برای رسیدن به توان خروجی و چگالی توان بالا، بهینه شده است. تاثیر پارامترهای مختلف نظیر تعداد دور سیم‌پیچ، دامنه نوسان مکانیکی آهنربا، فاصله هوایی، قطر سیم‌پیچ، شکل آهنربا و سیم‌پیچ، بر روی توان خروجی مورد مطالعه قرار گرفته است. بهینه‌سازی‌های الکتریکی و هندسی نیز صورت گرفته و یک پیکربندی جدید برای ترکیب آهنربا و سیم‌پیچ ارائه شده است. در یک حجم ثابت معین، تعداد ترکیب آهنربا و سیم‌پیچ تغییر داده شده تا تعداد بهینه به دست آید. ساختار میکروژنراتور برای سیم‌پیچ 100 دور بهینه شده و در نهایت طراحی بهینه انجام گرفته است. توان خروجی بهینه µW98/419 می‌باشد. برای تایید نتایج شبیه‌سازی، نمونه اولیه میکروژنراتور با دو نوع سیم‌پیچ ساخته شده است. نوع آهنربای به کار رفته NdFeB با درجه N42 می‌باشد. فرکانس تشدید تیر مکانیکی در عمل Hz 61/5 به دست آمد. دامنه ولتاژ مدار باز برای سیم‌پیچ‌های 100 دور و 200 دور به ترتیب mV 2/39 و mV 76 اندازه‌گیری شد. توان خروجی به ترتیب µW 42/8 و µW 91/20 به بارهای Ω 10 و Ω 18 اعمال شد. نتایج شبیه‌سازی با تقریب خوب نتایج عملی را تایید می‌کنند.در مطالعه دوم، میکروژنراتور با استفاده از تکنولوژی MEMS مورد طراحی قرار گرفت. روش الکترومغناطیسی برای تولید انرژی الکتریکی دارای مزایای بیش‌تری نسبت به سایر روش‌هاست. بنابراین، میکروژنراتور الکترومغناطیسی مورد طراحی قرار گرفت. افزاره پیشنهادی شامل فنر و سیم‌پیچ صفحه‌ای طراحی‌شده با استفاده از تکنولوژی MEMS، آهنربا و هسته مغناطیسی می‌باشد. پیکربندی‌های مختلف برای رسیدن به توان خروجی بهینه پیشنهاد شد. یک ساختار جدید هسته مغناطیسی برای حداکثر نمودن توان خروجی ارائه شد. توان خروجی بهینه به میزان µW 0344/1 و چگالی توان µW/cm3 94/2 می‌باشد.در مطالعه سوم، سیستم‌های مختلف میکروژنراتور الکترومغناطیسی بررسی شده است. سیستم‌های تشدید، چند-تشدید و غیر-تشدید در این کار مورد مقایسه قرار گرفته است. همچنین، توان خروجی، پهنای باند و پیکربندی‌های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. میکروژنراتور چند-تشدید، پهنای باند بالاتری در مقایسه با میکروژنراتور تشدید به نمایش می‌گذارد. در این کار، میکروژنراتور دو-تشدید طراحی شده است. سیستم غیر-تشدید با استفاده از روش بالا بردن فرکانس (Frequency up CONVersion technique (FCONV)) طراحی شد تا انرژی الکتریکی مکانیکی ضربان قلب در محدوده فرکانسی Hz 1-3 را به توان خروجی الکتریکی تبدیل نماید. فرکانس‌های بالا برده‌شده بهینه مکانیکی و الکتریکی به ترتیب Hz 60 و Hz 120 به دست آمد. حداکثر توان خروجی سیستم غیر-تشدید µW 17.75 می‌باشد. در سیستم غیر-تشدید، توان خروجی متوسط برای فرکانس نوسان مکانیکی ورودی Hz 1، Hz 2 و Hz 3 به ترتیب µW 57/6، µW 42/9 و µW 79/10 به دست آمد. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که روش غیر-تشدید پهنای باند عریض‌تری نسبت به‌روش چند-تشدید ارائه می‌کند.در مطالعه چهارم، کاربرد میکروژنراتور به‌عنوان سنسور شتاب مطرح شده است. میکروژنراتورها جایگزین مناسبی برای منابع انرژی الکتریکی با عمر محدود هستند و می‌توانند برای تغذیه مدارات الکترونیکی به کار برده شوند. در این روش تولید انرژی، نوسانات مکانیکی به توان خروجی الکتریکی تبدیل می‌شوند. به‌علت مزایای مختلف، در این کار، روش تولید انرژی الکتریکی به‌صورت الکترومغناطیسی به کار بسته شده است. ولتاژ خروجی میکروژنراتور به شتاب ورودی مکانیکی وابسته است. با استفاده از آنالیز ولتاژ خروجی، می‌توان شتاب ورودی را تخمین زد. در این کار تحقیقاتی، پاسخ گذرای میکروژنراتور برای تخمین شتاب مکانیکی مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور شبکه عصبی RBF (Radial Basis Function) با ولتاژ پاسخ گذرای میکروژنراتور تعلیم داده می‌شود تا شتاب مکانیکی به دست آید. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد، ترکیب میکروژنراتور الکترومغناطیسی و شبکه عصبی می‌تواند به‌عنوان یک سنسور شتاب کاربردی و جدید به کار گرفته شود

Text of Note

In this research work three design and simulation is performed. In the first design, an electromagnetic micro generator is proposed to scavenge low frequency environmental vibrations and convert it into electrical power. The proposed micro generator is composed of cantilever beam, magnet and coil which is connected to a resistance load. Mechanical vibrations bend the beam and force the magnet to oscillate inside coil cross section. This phenomenon induces current in the coil and generates output electrical power. Dimensions and structure of the micro generator is optimized and output power and power density is modified. Consequently, mechanical vibrations could be converted into electrical power. Impact of different parameters such as coil turns, mechanical vibration amplitude, air gap, coil diameter and shape of magnet and coil on output power is studied. Geometrical and electrical optimizations for the proposed power harvester is performed. An innovative configuration for coil and magnet structure is proposed. At a constant special volume, number of coil and magnet composition is varied to find the optimum number of composition. So, the structure of the micro generator for 100 turn coil is optimized. Finally, the optimum design is proposed. The obtained results demonstrate that output power could be increased to 419.98 µW. For validation of the simulation results, a prototype with two types of coils are fabricated; to estimate the practical parameters. The type of utilized magnet is NdFeB grade of N42. The resonant frequency of the beam practically is measured to be 5.61 Hz. Open circuit voltage amplitude for 100 turn and 200 turn coil is measured to be approximately 39.2 mV and 76 mV, respectively. The measured output power is 8.42 µW and 20.91 µW which is delivered to optimal resistance load of 10 Ω and 18 Ω, respectively. The obtained simulation results are approximately confirming the achieved practical results.In the second study, micro generator with MEMS technology is designed. Electromagnetic transduction method has more advantages in comparison with other methods, hence, electromagnetic micro generator is considered to be applied in this work. The proposed device, consists of a spring and a planar coil, designed using MEMS technology, and also, magnet and magnetic core. Different configurations are proposed to optimize the output power of the micro generator. An innovative structure for magnetic core is used to maximize the output power. The results show that output power is increased up to 1.0344 µW and power density is 2.94 µW/cm3.In third study, analysis of different electromagnetic micro generator systems is performed. Resonant, multi-resonant and non-resonant systems are compared and tradeoff between different architectures are demonstrated. Also, Output power, bandwidth and performance of different systems are discussed. Multi-resonant micro generator exhibits higher bandwidth in comparison with resonant mode structure. A non-resonant system is designed using Frequency up CONVersion technique (FCONV) to convert 1 – 3 Hz heart beat mechanical vibrations to output electrical power. The optimum up converted mechanical vibration frequency is 60 Hz and output voltage frequency is 120 Hz. The peak output power of FCONV is 17.75 µW. For 1 Hz, 2 Hz and 3 Hz mechanical vibration frequency of FCONV with 4 trigger at one period of input mechanical vibration, average output powers are 6.57 µW, 9.42 µW and 10.79 µW, respectively. The achieved results illustrate that the FCONV exhibits better and wider frequency response in comparison with multi-resonant system

Variant Title

Modified Design of Electromagnetic Micro Generator

Entry Element

‏بالازاده‌بهار،

Part of Name Other than Entry Element

‏‏ محمدرضا

Relator Code

تهيه کننده

Entry Element

‏بهرامی،

Entry Element

‏ بناءشریفیان،

Part of Name Other than Entry Element

‏ منوچهر

Part of Name Other than Entry Element

‏ محمدباقر

Dates

استاد راهنما

Dates

استاد مشاور

Entry Element

‏ تبریز