Università degli studi di Modena e Reggio Emilia

Autonomous electronic devices and sensors are essential to reduce expensive maintenance, increasing job security and reliability, avoiding battery replacements and wired systems. Industrial systems and civil structures vibrate dissipating an important amount of energy that can be harvested to power small devices. This work continues and extends a previous work from the authors (Castagnetti 2019 Meccanica 54 749–60). Here we improved that initial configuration by proposing a tunable multi-arm electromagnetic pendulum for ultra-low frequency vibrations energy harvesting. This configuration features five electromagnetic converters and a magnetic spring, each supported by a pendulum arm with different length: when excited by external vibrations, this six arms frame is free to oscillate around a central pivot. The paper starts from conceptual design, includes a detailed multiphysics dynamic simulation implemented with Matlab Simscape software, presents the prototype development through three-dimensional printing and experimental validation. Systematic experimental tests investigated different pendulum configurations for three stiffness levels of the magnetic spring and confirmed both the ultra-low frequency response (from 2 to 10 Hz), as predicted by the dynamic simulation, and the good voltage and power outputs. Specifically, for the higher stiffness of the magnetic spring, corresponding to an oscillation frequency of about 9.5 Hz, the power output was up to 8.4 mW and the output voltage of about 2 Volt.

Il lavoro presenta lo sviluppo di un modello multi-fisico che simula il funzionamento di un pendolo per il recupero di energia dalle vibrazioni ambientali a bassa frequenza mediante convertitori elettromagnetici. La dinamica del dispositivo può essere associata a quella di un sistema massa-molla-smorzatore rotante. La molla è caratterizzata da magneti che si attraggono con una legge fortemente non lineare e lo smorzamento è causato dalla conversione di energia. Il modello simulativo è descritto in due parti principali: la dinamica sviluppata in un modello multi-body che include anche la sorgente delle vibrazioni e i segnali di output, e l’analisi EF del campo magnetico generato dai magneti permanenti dei convertitori. Combinando il modello multi-body con i risultati ottenuti nell’analisi agli elementi finiti si ottiene una descrizione completa e accurata del funzionamento del dispositivo, confermata dal confronto con il prototipo reale durante una campagna di test sperimentali.