This paper describes the design and analyses of vibration driven electromagnetic energy harvester with high power generation which is suitable for supplying power generator from human body motion. The proposed harvester consists of magnet, coil, and SM (Soft magnetic Material). In order to generate more induced voltage, the SM to concentrate flux lines from end of magnetic poles was arranged into insert moving magnet. Each model was designed and analyzed by using ANSYS software to simulation. The maximum power is generated when load resistance of $1303\;{\Omega}$ is equal to coil resistance. The generated maximum power of for harvesters with SM is $677.85\;{\mu}W$ and 5.46 times higher than without SM at 6 Hz vibration frequency.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.32
no.6
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pp.661-668
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2012
Wireless sensor network is one of prospective methods for railway monitoring due to the long-term operation and low-maintenance performances. How to supply power to the wireless sensor nodes has drawn much attention recently. In railway monitoring, the idea of converting ambient vibration energy from vibration of railway track induced by passing trains to electric energy has made it a potential way for powering the wireless sensor nodes. In this paper, a bimorph cantilever piezoelectric energy harvester was designed based on a single degree-of-freedom model. Experimental test was also performed to validate the design. The first natural frequency of the bimorph piezoelectric energy harvester was decreased from 117.1 Hz to 65.2 Hz by adding 4 gram tip mass to the free end of the 8.6 gram energy harvester. In addition, the power generation of the piezoelectric energy harvester with 4 gram tip mass at resonant frequency was increased from 0.14 mW to 0.74 mW from $2.06m/s^2$ base excitation compared to stand-alone piezoelectric energy harvester without tip mass.
The development of the low power application such as wireless sensors and health monitoring systems, attract a great attention to low power vibration energy harvesters. The recent vibration energy harvesters use smart materials in their structures to convert ambient mechanical energy into electricity. The frequent model of this harvesters is cantilevered beam. In the literature, the base excitation cantilevered harvesters are mainly investigated, and the related models are presented. This paper investigates a tip excitation cantilevered beam energy harvester with permendur. In the first section, the mechanical model of the harvester and magneto-mechanical model of the permendur are presented. Later, to find the maximum output of the harvester, based on the response surface method (RSM), some experiments are done, and the results are analyzed. Finally, to verify the results of RSM, a harvester with optimum design variables is made, and its output power is compared. The last comparison verifies the estimation of the RSM method which was about $381{\mu}W/cm^3$.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.22
no.4
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pp.372-376
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2012
The most common type of the piezoelectric energy harvester is the cantilevered beam since it is attached to the host structure and tuned to the frequency of the base excitation easily. However, the excessive strain at the fixed end of cantilevered beam causes some problems such as fatigue and durability. The use of higher vibration modes of the cantilevered beam may reduce the concentration of the strain at the fixed end since the strains of higher modes are distributed along the span. The results show that the use of high vibration mode is not efficient for power generation, but it reduces the excessive strain lever at typical region to prevent the failure by fatigue.
In this paper, sol-gel-spin coated $Pb(ZrTi)O_3$ thin film with $ZrO_2$ buffer-layer and $PbTiO_3$ seed-layer was investigated for vibration MEMS energy harvester to scavenge power from ambient vibration via d33 piezoelectric mode. Piezoelectric thin film deposition techniques on insulating layer is the important key for $d_{33}$ mode of piezoelectric vibration energy harvester. $ZrO_2$ buff-layer was utilized as an insulating layer. $PbTIO_3$ seed-layer was applied as an inter-layer between PZT and $ZrO_2$ layer to improve the crystalline of PZT thin film. The fabricated PZT thin film had a remanent polarization of 5.3uC/$cm^2$ and the coercive field of 60kV/cm. The fabricated energy harvester using PZT thin film with PTO seed-layer generated 1.1uW of electrical power to $2.2M{\Omega}$ of load with $4.4V_{pvp}$ from vibration of 0.39g at 528Hz.
Seo, Jongho;Lee, Hanmin;Oh, Jae-eung;Kim, Young-cheol
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2013.04a
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pp.415-418
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2013
This paper presents an electromagnetic kinetic energy harvester which is suitable for supplying power for body-worn sensors and personal electric devices. Human motions are investigated by measuring the acceleration signal at each points of the body during walking and running. The dynamic characteristics of the harvester can be calculated from the transfer function of the system. The transduction factor can be calculated from the electromagnetic field analysis by Maxwell software. The prototype of the harvester is designed and manufactured. The theoretical power characteristics are compared with the experiment results.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.16
no.1
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pp.70-76
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2017
The pollution problem of fossil energy sources has caused the development of green energy harvesting systems. Piezoelectric energy harvesting technology has been developed under those external environmental factors. A piezoelectric energy harvester can be defined as a device which transforms mechanical vibration or impact energy into electrical energy. Most researches have focused on bender structures. However, these have a limitation on energy efficiency because of the small effective electromechanical coupling factor, around 10%. Therefore, we should look for a new design for energy harvesting. A cymbal energy harvester can be a good candidate for the high-power energy harvester because it uses a high amplification mechanism using endcaps while keeping a higher electromechanical coupling factor. In this research, we focused on energy efficiency improvements of the cymbal energy harvester by changing the polarization direction, because the electromechanical coupling factor of the k33 mode and the k15 mode is larger than that of the k31 mode. Theoretically, we checked the cymbal harvester with radial polarization and it could obtain 6 times larger energy than that with the k31 direction polarization. Furthermore, we verified the theoretical expectation using the finite element method program. Consequently, we could expect a more efficient cymbal harvester with the radial polarization by comparing two polarization directions.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2010.06a
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pp.238-238
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2010
This paper describes the design and analysis of vibration driven energy harvester for low frequency. The maximum output powers at load were $124.2{\sim}132.2\;{\mu}W$ with magnets during 3 mm input displacement at 6 Hz resonant frequency of system.
This paper describes the design and fabrication of a low frequency vibration driven high-efficiency electromagnetic energy harvester based on FR(Flame Resistance)-4 spring which converts mechanical energy into useful electrical power. The fabricated generator consists of a vertically polarized NdFeB permanent magnet attached to the center of spring and a planar type copper coil which has higher efficiency compare with cylindrical type coil. ANSYS finite analysis and Matlab were used to determine the resonance frequency and output power. The generator is capable of producing up to 1.36 $V_{pp}$ at 9 Hz, which has the maximum power of 639 ${\mu}W$ with a load resistance of $3.25k{\Omega}$.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.23
no.11
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pp.906-910
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2010
This paper describes the design and analysis of vibration driven cylindric electromagnetic energy harvester. The proposed harvester consists with spring, coil and rear earth magnet. The design utilizes an electromagnetic transducer and its operating principle is based on the relative movement of a magnet pole with respect to a coil. In order to optimal design and analysis, ANSYS FEA (Finite Elements Analysis) and Matlab model were used to predict the magnetic filed density with vibration and the generated maximum output power with load resistance. The system was designed for 6 Hz of natural frequency and spring constant was 39.48 N/m between 2 mm and 6 mm of displacement in moving magnet. When moving magnet of system was oscillated, each model was obtained that induced voltage in the coil was generated 2.275 Vpp, 2.334 Vpp and 2.384 Vpp, respectively. Then maximum output powers of system at load resistance ($1303{\Omega}$) were generated $124.2{\sim}132.2\;{\mu}W$ during magnets input displacement of 3 mm and 6 Hz periodic oscillation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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