Architecture optimization of electromagnetic energy harvesting

Abstract

The importance of autonomous energy harvesting systems has been rising among the scientific community. These systems are seen as the answer for the dissatisfaction felt towards the actual energy harvesting devices. Different approaches to modulate, simulate, and analyse the mechanical and electrical dynamics of these transductors are described in the literature. However, no methodology has been proved effective in the optimization of these non linear generators’ performance, especially in what the occurrence of different excitations than the ones to which it was geometrically projected is concerned. The present thesis focus in the optimization of energy harvesting from the oscillations of magnetic levitation. The main goal of this work is to maximize the harvesters’ performance. This was accomplished through the development of a geometric optimization tool, by means of a sophisticated method that controls the levitating magnet’s dynamics for either a priori known or variable frequencies. Based on a model that analytically approaches the fundamental dynamics of these harvesters, the frequency, acceleration, length of the generator and mass of the levitating magnet(s) were varied. The optimal adaptive length was examined, which allowed a higher efficiency when faced with variations in the excitation patterns.

A importância dos sistemas de geração autónoma de energia tem vindo a crescer significativamente na comunidade científica, visando solucionar a insatisfação perante as soluções atuais de fornecimento de energia. Este trabalho foca-se na otimização dos sistemas eletromagnéticos de geração de energia com arquitetura em levitação magnética. Na literatura estão descritos diferentes tipos de abordagens para modular, simular e analisar a dinâmica das componentes mecânica e elétrica destes transdutores. Contudo, nenhuma metodologia se mostrou adequada para otimizar o desempenho destes geradores não lineares, principalmente na ocorrência de excitações diferentes da qual foi geometricamente projetado. O principal objetivo deste estudo é a maximização do desempenho destes geradores, através do desenvolvimento de uma metodologia de otimização geométrica. Desenvolveu-se uma ferramenta de otimização para controlar a dinâmica do(s) íman(es) em levitação, tanto para excitações conhecidas a priori, como para excitações variáveis. Usando um modelo que aborda analiticamente a dinâmica fundamental destes geradores, foi variada a frequência, aceleração, comprimento do gerador e a massa do(s) íman(es) em levitação. O comprimento adaptativo ótimo foi explorado a partir da análise paramétrica, permitindo deste modo obter maiores eficiências face a variações nos padrões de excitação.