Low Frequency Vibration Energy Harvester Using Spherical Permanent Magnet with Controlled Mass Distribution

Abstract

This paper presents a vibration energy harvester using springless spherical permanent magnet with non-uniform mass distribution as a proof mass. The magnet has been designed to have its center-of-mass below the geometrical center, which generates a roly-poly-like motion in response to external vibrations and maintains the upright position. Utilizing this roly-poly-like magnets, proof of concept electromagnetic energy harvesters have been fabricated, tested and analyzed. An analytical model which explains the motion of the magnet assembly and resulting output voltage has been developed by finite element of analysis of magnetic field distribution and motion analysis of the magnet assembly. With the fabricated device, maximum open-circuit voltage of 48.85mVrms and output power of 9.03W has been obtained in response to a 20Hz sinusoidal vibration at 3g acceleration. Comparison between two different types of magnet assemblies with different center-of-mass position has also been presented. Moreover, effect of an additional magnet inside the package has also been investigated.;본 논문에서는 공진현상을 이용하여 변환 효율을 높이는 기존의 스프링-질량-댐퍼 시스템 기반의 에너지 하베스터의 한계를 극복하기 위하여 자유 진동하는 구 형태의 영구자석을 활용한 소자를 개발하였다. 제안된 질량체(proof mass)는 구 형상의 영구자석 표면에 밀도가 다른 재질로 제작된 구조물을 부착하여 무게중심의 위치를 기하학적인 중심보다 하부로 이동시킨 구조이다. 외부 진동이 인가될 경우 영구자석 질량체는 오뚝이와 같은 원리로 진동(wobble)하게 되며, 항상 직립하려는 성질을 갖게 되므로 구 형태의 자석을 사용한 종래의 에너지 하베스터와 달리 자극의 방향을 예측할 수 있고, 낮은 인체주파수 범위에도 동작하여 전압을 생산한다. 본 연구에서는 제안된 질량체 상부와 하부에 권선을 배치하여 전자력 방식의 에너지 하베스터를 제작하고 입력 가속도 및 주파수의 변화에 따른 출력 특성을 측정하였다. 또 유한요소해석을 사용한 자기장의 분포와 질량체의 움직임의 분석을 통해 주파수에 따른 출력전압을 예측하는 분석모델을 제안하였다. 제작된 소자는 최대 48.85mV_rms의 개방 회로 전압과 9.03μW 전력을 생산하였다. 추가적으로 무게중심의 위치에 따른 영구자석 구조물의 특성을 분석하였고 이에 다른 출력 변화를 측정하였다. 끝으로 패키지에 추가된 스프링과 자석으로 인한 하베스터의 출력 변화를 분석하였다.