Optimization of compact electromagnetic energy harvesters for wireless sensor applications
Kompakt elektromanyetik enerji üreteçlerinin kablosuz algılayıcı uygulamaları için eniyilemesi
- Tez No: 474944
- Danışmanlar: PROF. DR. HALUK KÜLAH
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Enerji Üretimi, Titreşime Dayalı Enerji Üretimi, Elektromanyetik Enerji Üreteci, Eniyilenmiş Enerji Üreteci, Enerji Üreteci Modellemesi, Energy Harvesting, Vibration-Based Energy Harvesting, Electromagnetic Energy Harvester, Optimized Energy Harvester, Energy Harvester Modeling
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kablosuz algılayıcı sistemlerindeki son gelişmeler, araştırmacıları bu sistemlerin güç gereksinimlerini nasıl karşılayacaklarını analiz etmeye zorlamaktadır. Piller güç kaynağı olarak kullanılabilecek ana aday olabilir, bununla birlikte, sınırlı ömürleri nedeniyle kablosuz sistemlerin sürekliliğini olumsuz etkilemektedirler. Sürekli güç kaynağı sağlamak için enerji üreteci modülleri önerilmektedir. IC teknolojisindeki ilerlemelerle, üretilen enerjileri, kablosuz ortamlarda çalışan sensörler için güç kaynaklarına dönüştürmek mümkündür. Bu nedenle, kablosuz sensör düğümlerine istenen gücü üretmek için, optimize edilmiş üreteç tasarımı çok önemlidir. Bu tez çalışmasının amacı, kablosuz sistemler için güç kaynağı olarak kullanılmak üzere elektromanyetik (EM) enerji üreteci tasarlamak, optimize etmek, imal etmek ve test etmektir. Doğadaki titreşimlerin çoğu alçak frekans seviyelerinde (<10 Hz) mevcut olduğundan, önerilen üreteç düşük frekanslı ve düşük genlikli titreşimlerle çalışabilir olmalıdır. Ayrıca tasarım yeterince kompakt olmalı, bu nedenle cihaz hacmi 8 cm3 ile sınırlandırılmıştır. Bu tez çalışması, minyatür EM enerji üretecinin çalışma frekansını azaltmak ve çıkış gücünü artırmak için bir optimizasyon çalışması sunmaktadır. Eksenel olarak yönlendirilmiş hareketli mıknatıslarla birlikte manyetik olmayan bir atalet kütlesinin (tungsten) bir araya getirilmesi, eniyilenmiş sonuçlara ulaşmanın ana stratejisidir. Mıknatısların boyutları üreteç boyutlarına ve manyetik akı gradyanlarına göre optimize edilmiştir. Buna ek olarak bobin uzunluğu, genişliği, direnci ve konumu simülasyon analizi (FEA) ile eniyilenmiş ve deneysel olarak onaylanmıştır. Simülasyon sonuçları, tek mıknatıslı bir yapının kullanılmasının sistemin çıkış gücünün arttırılması için yeterli olmadığını göstermektedir. Ayrıca, test sonuçları, çok mıknatıslı yapıların daha yüksek çıkış gerilimlerine ve daha küçük rezonans frekanslarına neden olduğunu ortaya koymaktadır. Hareketli yapı üzerindeki iyileştirmelerin etkileri detaylı olarak analiz edilmiş ve deneysel olarak onaylanmıştır. Üretecin çalışma frekansı eksenel olarak yönlendirilmiş hareketli mıknatıslarla azalırken, çıkış gücü, itici kuvvetler tarafından sağlanan daha fazla manyetik akı katkısı nedeniyle artar. Tek mıknatıslı yapıya kıyasla, benzer boyuta sahip modifiye edilmiş bir tasarım, rezonans frekansında (15 Hz'den 7.2 Hz'ye) bir azalışa ve çıktı gücünde (161 µW'dan 266 µW'a )bir artışa neden olur. Optimize edilmiş üretecin hacmi 7 cm3'tür ve 0,53 VRMS, 266 μWRMS çıkış gücü üretir (@ 7.2 Hz ve 0,5 g tepe ivme).
Özet (Çeviri)
The developments in wireless sensor systems force researchers to analyze how to satisfy power requirements of these systems. Batteries can be the main candidate to be used as power source; however, they affect negatively the continuity of the wireless systems due to their limited lifetime. In order to provide continuous power source, energy harvester modules are proposed. With the advancements on IC technology, it is possible to convert extracted energies to power sources for the sensors operating in wireless environments. Therefore, the optimized design of the harvester to generate desired power for wireless sensor nodes is essential. The aim of this thesis study is to design, optimize, fabricate and test the electromagnetic (EM) energy harvesters to be used as power source for wireless systems. Since most of the vibrations in nature exist in low frequency levels (< 10 Hz), the proposed harvester should be capable of operating at low frequency and low amplitude vibrations. Additionally, the design should be compact enough is size; hence, device volume is limited with 8 cm3. This thesis study presents an optimization study for decreasing the operation frequency and increasing the output power of a miniature EM energy harvester. Incorporating a non-magnetic inertial mass (tungsten) along with the axially oriented moving magnets is the main strategy to reach optimum results. Dimensions of the magnets are optimized according to the harvester dimensions and magnetic flux gradients. Additionally, coil length, width, resistance and position have been optimized through finite element analysis (FEA) and experimentally validated. Simulation results show that using a single-magnet structure is not sufficient for increasing the output power of the system. Also, test results reveal that multi-magnet structures yield to higher output voltages and smaller resonance frequencies. Effects of the improvements on the moving structure are analyzed in detail and experimentally validated. The operation frequency of the harvester decreases with axially oriented moving magnets, while the output power increases due to greater magnetic flux contributions provided by repulsive forces. Compared to the single-magnet structure, a modified design with a similar size yields to a decrease in the resonance frequency (from 15 Hz to 7.2 Hz) and an increase in the output power. The optimized harvester has a volume of 7 cm3 and generates 0.53 VRMS, 266 µWRMS output power (@7.2 Hz and 0.5g peak acceleration).
Benzer Tezler
- Design and optimization of compact vivaldi antenna with matching medium for microwave brain imaging applications
Mikrodalga beyin görüntüleme uygulamaları için eşleştirme ortamına sahip kompak vıvaldı antenin tasarımı ve optimizasyonu
CAFER UYANIK
Doktora
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN
- Sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak süperiletken bobin ve bobin yığınlarının elektromanyetik, termal ve elektromekanik analizi
Electromagnetic, thermal and electro-mechanical analysis of superconducting coils and coil stacks using the finite element method
GAZİ ÇAĞLAR KAÇAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji MühendisliğiKırşehir Ahi Evran Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞÜKRÜ YILDIZ
- Elektrikli araçlar için kablosuz şarj sistemi tasarımı ve optimizasyonu
Design and optimization of a wireless charging system for electric vehicles
BAGER ÖZBEY
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
- Yüksek verimli DC-DC rezonans dönüştürücülerinde boyutlandırma
Sizing of high efficiency DC-DC resonant converters
İBRAHİM ESKİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİleri Enerji Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ RIFAT BOYNUEĞRİ
- Design and analysis of interior permanent magnet machines equipped with novel semi-overlapping windings for electric vehicle applications
Elektrikli araç uygulamaları için yeni yarı kesişen sargılarla donanımlı gömülü kalıcı mıknatıslı makinaların tasarımı ve analizi
TAYFUN GÜNDOĞDU
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜVEN KÖMÜRGÖZ KIRIŞ