This paper presents structural topology optimization that is being applied for the design of electromagnetic vibration energy harvester. The design goal is to maximize the root-mean-square value of output voltage generated by external vibration leading structures. To calculate the output voltage, the magnetic field analysis is performed by using the finite element method, and the obtained magnetic flux linkage is interpolated by using Lagrange polynomials. To achieve the design goal, permanent magnet is designed by using topology optimization. The analytical design sensitivity is derived from the adjoint variable method, and the formulated optimization problem is solved through the method of moving asymptotes (MMA). As optimization results, the optimal location and shape of the permanent magnet are provided when the magnetization direction is fixed. In addition, the optimization results including the design of magnetization direction are provided.
Nguyen, Cuong C.;Ranasinghe, Damith C.;Al-Sarawi, Said F.
Smart Structures and Systems
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v.21
no.3
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pp.335-347
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2018
The fast-growing number of mobile and wearable applications has driven several innovations in small-scale electret-based energy harvesting due to the compatibility with standard microfabrication processes and the ability to generate electrical energy from ambient vibrations. However, the current modeling methods used to design these small scale transducers or microgenerators are applicable only for constant-speed rotations and small sinusoidal translations, while in practice, large amplitude sinusoidal vibrations can happen. Therefore, in this paper, we formulate an analytical model for electret-based microgenerators under general sinusoidal excitations. The proposed model is validated using finite element modeling combined with numerical simulation approaches presented in the literature. The new model demonstrates a good agreement in estimating both the output voltage and power of the microgenerator. This new model provides useful insights into the microgenerator operating mechanism and design trade-offs, and therefore, can be utilized in the design and performance optimization of these small structures.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2008.11a
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pp.193-193
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2008
Wearable and ubiquitous micro systems will be greatly growing and their related devices should be self-powered in order to avoid the replacement of finite power sources, for example, by scavenging energy from the environment. With ever reducing power requirements of both analog and digital circuits, power scavenging approaches are becoming increasingly realistic. One approach is to drive an electromechanical converter from ambient motion or vibration. Vibration-driven generators based on electromagnetic, electrostatic and piezoelectric technologies have been demonstrated. Among various generator types proposed so far, piezoelectric generator possesses considerable potential in micro system. To overcome low mechanical-to-electric energy conversion, the piezoelectric device should activate in resonance mode in response to external vibration. Normally, the external vibration excretes at low frequency ranging 0.1 to 200 Hz, whereas the resonant frequencies of the devices are fixed as constant. Therefore, keeping their resonant mode in varying external vibration can be one of important points in enhancing the conversion efficiency. We investigated the possibility of use of multi-bender type piezoelectric devices. To match the external vibration frequency with the device resonant frequency, the various devices with different resonant frequency were chosen.
Proceedings of the Korean Institute of Information and Commucation Sciences Conference
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2016.10a
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pp.533-536
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2016
This paper describes a vibrational energy harvesting circuit with MPPT control. A high-performance AC-DC converter of which the efficiency is improved by using body-bias technique and bulk-driven technique is proposed and applied for the vibrational energy harvesting circuit design. MPPT (Maximum Power Point Tracking) control function is implemented using the linear relationship between the open-circuit voltage of a vibrational device and its MPP voltage. The designed MPPT control circuit traces the maximum power point by periodically sampling the open circuit voltage of a vibrational device, makes the reference voltages using sampled voltage and delivers the maximum available power to load. The proposed circuit is designed with a $0.35{\mu}m$ CMOS process, and the chip area is $1.21mm{\times}0.98mm$.
Proceedings of the Korean Institute of Information and Commucation Sciences Conference
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2014.10a
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pp.267-270
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2014
This paper presents a CMOS interface circuit for vibration energy harvesting. The proposed circuit consists of an AC-DC converter and a DC-DC boost converter. The AC-DC converter rectifies the AC signals from vibration devices(PZT), and the DC-DC boost converter generates a boosted and regulated output at a predefined level. A full-wave rectifier using active diodes is used as the AC-DC converter for high efficiency, and a schottky diode type DC-DC boost converter is used for a simple control circuitry. A MPPT(Maximum Power Point Tracking) control is also employed to harvest the maximum power from the PZT. The proposed circuit has been designed in a 0.35um CMOS process. The chip area is $530um{\times}325um$. Simulation results shows that the maximum efficiencies of the AC-DC converter and DC-DC boost converter are 97.7% and 89.2%, respectively. The maximum efficiency of the entire system is 87.2%.
Trentadue, Francesco;Quaranta, Giuseppe;Maruccio, Claudio;Marano, Giuseppe C.
Smart Structures and Systems
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v.24
no.3
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pp.333-343
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2019
The possibility of adopting vibration-powered wireless nodes has been largely investigated in the last years. Among the available technologies based on the piezoelectric effect, the most common ones consist of a vibrating beam covered by electroactive layers. Another energy harvesting strategy is based on the use of piezoelectric strips attached to a hosting structure subjected to dynamic loads. The hosting structure, for example, can be the system to be equipped with wireless nodes. Such strategy has received few attentions so far and no analytical studies have been presented yet. Hence, the original contribution of the present paper is concerned with the development of analytical solutions for the electrodynamic analysis and design of piezoelectric polymeric strips attached to relatively large linear elastic structural systems subjected to random vibrations at the base. Specifically, it is assumed that the dynamics of the hosting structure is dominated by the fundamental vibration mode only, and thus it is reduced to a linear elastic single-degree-of-freedom system. On the other hand, the random excitation at the base of the hosting structure is simulated by filtering a white Gaussian noise through a linear second-order filter. The electromechanical force exerted by the polymeric strip is negligible compared with other forces generated by the large hosting structure to which it is attached. By assuming a simplified electrical interface, useful new exact analytical expressions are derived to assess the generated electric power and the integrity of the harvester as well as to facilitate its optimum design.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.15
no.6
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pp.3357-3362
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2014
The purpose of this research was to develop a resonance electric power generator to harvest vibration energy while the vehicle is driving on a road surface. The electric power generator in the paper was designed using the resonance phenomenon to effectively respond to vibrations from the road surface, which is a comparatively small energy source. Vibration displacement analysis using MATLAB and transient analysis using Ansys MAXWELL, which is a commercial electromagnetic analysis program, was performed to predict the input velocity for the generator and verify the electric power generation. If this electric power generator is applicable to hybrid or electric vehicles, it can be valuable around an automotive electric system and help maintain the performance of the vehicle battery.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.30
no.1A
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pp.27-33
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2010
This study addresses a methodology to use small wind turbines for dual purposes, improving aerodynamic performance of flexible bridges and wind energy harvesting. A way to proper placement of small wind turbines on flexible bridges were proposed according on the analogy of conventional aerodynamic appendages. From the wind tunnel tests, it was found that the wind turbine attached like fairing was effective to reduce the vortex-induced vibration of bridge and the optimal spanwise interval of the wind turbine was 3-4.5 time of turbine diameter. Moreover the aerodynamic coefficients of the bridge were improved after installation of the wind turbines. Present results showed the general availability of wind turbine for improvement of aerodynamic performance and energy supply of flexible bridges although the capacity of wind power generation was strongly dependent on wind characteristics of the bridge site.
Seo, Wan-Suck;Kim, Min-Kyu;Yu, So-Hyeon;Yoon, Eun-Jung;Park, Jun-Ho;Yu, Chong-Gun
Proceedings of the Korean Institute of Information and Commucation Sciences Conference
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2011.10a
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pp.419-422
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2011
In this paper a dual-input self-powered power management system is proposed for low-power applications. The system is powered by merging the energy from a PZT vibration element and a solar cell. The proposed system consists of a charge pump for increasing the output voltage of a solar cell, a rectifier for DC conversion of the PZT output and a power management circuit for merging and managing the harvested energy. The performance of the design circuit has been verified through extensive simulation using a 0.18um CMOS technology. The chip area is $295um{\times}275um$.
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 $381{\mu}W/cm^3$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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