Desenvolvimento de um dispositivo magneto-mecânico de captação de energia para aplicação em sensores de vibração sem fio

Abstract

Tecnologias de Captação de Energia a partir de Vibrações -- do inglês Vibrational Energy Harvesters (VEH's) -- se baseiam em processos em que ocorre a conversão de energia vibratória ou mecânica de uma fonte externa em energia elétrica. Tal energia pode ser armazenada e utilizada posteriormente na alimentação de pequenos dispositivos, tais como sensores sem fio (wireless) e sistemas de monitoramento de vibração e/ou temperatura. O interesse pelos chamados VEH's vem aumentando gradativamente nas duas últimas décadas e é justificado pela crescente demanda por mecanismos que providenciem maior flexibilidade e dispensem a utilização de baterias, cuja vida útil se reduz dependendo das condições de operação. Assim sendo, este trabalho apresenta tanto o estudo quanto o desenvolvimento de um dispositivo compacto de captação de energia a partir de vibrações do tipo eletromagnético, projetado para aplicações envolvendo a alimentação de sensores de monitoramento de vibração. Efetua-se primeiramente o mapeamento das principais tecnologias de VEH difundidas na literatura, assim como das técnicas de simulação e otimização numérica tipicamente adotadas em sua modelagem. Uma vez finalizada a revisão da literatura, parte-se para o detalhamento da desmontagem e consequente caracterização dos componentes de um dispositivo comercial de interesse. Em seguida, um estudo magneto-mecânico é realizado via software comercial COMSOL Multiphysics, o qual é validado com dados experimentais obtidos por meio de ensaios executados no Laboratório de Vibrações e Acústica (LVA). O próximo passo consiste então na aplicação de técnicas de otimização numérica para atender os requisitos estipulados pelo projeto e consequente prototipagem do design otimizado. Por fim, a concepção miniaturizada é validada experimentalmente e análises complementares são efetuadas sobre o protótipo fabricado. Este trabalho faz parte de um projeto de pesquisa desenvolvido no LVA em parceria com a empresa Dynamox, o qual contou também com a contribuição do Laboratório de Mecânica de Precisão (LMP) nas etapas de desmontagem e caracterização das peças constituintes do dispositivo em questão.

Abstract: Technologies for scavenging energy from vibrations -- known in English as Vibrational Energy Harvesters (VEHs) -- are based on processes that convert vibrational or mechanical energy from an external source into electrical energy. This energy can be stored and used later to power small devices such as wireless sensors and vibration and/or temperature monitoring systems. The interest in so-called VEHs has been gradually increasing over the last two decades, justified by the growing demand for mechanisms that provide greater flexibility and eliminate the use of batteries, whose lifespan is reduced depending on the operating conditions. Therefore, this work presents both the study and development of a compact electromagnetic-type vibrational energy harvester, designed for applications involving the power supply of vibration monitoring sensors. First, the main VEH technologies discussed in the literature are mapped, as well as the numerical simulation and optimization techniques typically adopted in the modeling of such devices. Once the literature review is completed, the disassembly and subsequent characterization of the components of a commercial device of interest are detailed. Then, a magneto-mechanical study is carried out using the commercial software COMSOL Multiphysics, which is validated with experimental data obtained from tests conducted at the Laboratory of Vibrations and Acoustics (LVA). The next step is to apply numerical optimization techniques to meet the requirements set by the project and subsequent prototyping of the optimized design. Finally, the miniaturized conception is validated experimentally, and additional analysis are performed on the fabricated prototype. This work is part of a research project developed at LVA in partnership with the company Dynamox, which also had the contribution of the Precision Mechanics Laboratory (LMP) in the stages of disassembly and characterization of the constituent parts of the device in question.