The output energy was increased from 20 to 30% compared with conventional type

Download (0)

Full text

(1)

L ��������������������������

Study on L-Shaped Energy Harvester Using Magnetostrictive Material

��� ��

*1

����� ��

*2

���������� ��

*2

������

Ryusuke SAKAMOTO, Toshiyuki UENO (Mem.), Sotoshi YAMADA (Mem.)

We investigate a L-shaped vibrational energy harvesting device using magnetostrictive material (Galfenol) for high output generation and efficiency. Galfenol is ductile magnetostrictive material with large inverse magnetostrictive effect. The device features higher output and efficiency compared with our conventional type. The device is a pair of L-shaped parallel beams consisting of Galfenol plate wound coil and stainless yoke and bias magnet.

When a bending force is applied at the tip of the beam, bending moment is exerted on the Galfenol plate which yields uniform axial stress inside plate. Due to the inverse magnetostrictive effect, this stress causes flux change which time variation generates voltage on the wound coils. Prototype was verified maximum instantaneous power of 11.4W and maximum power of 0.1 J at a free vibration of frequency of 60 Hz. The output energy was increased from 20 to 30%

compared with conventional type. The energy conversion efficiency more than 30 % was observed.

Keywords: energy harvester using ambient vibration, magnetostrictive material, iron-gallium alloy, inverse magnetostrictive effect, L-shaped frame.

�����

�������������������� [1 � 2] �

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������� [3] ������������ 100 mW

���� [4] ������������������

����������������� Galfenol[5, 6] �

������������������������

����� [7] ������������������

������������������������

������������������������

������������ 1.5 T ���������

������������������������

������������������������

������ 3.6 W ���� 30% ���������

�������� [8] ���������������

���������������������� [9] �

������������������������

������������������������

���������������� L �������

������������������������

������������������������

������������������������

��������

����������

������������ Fig. 1 ��������

� L ����������������������

������������� 2 ����������

������������������� 2 ����

������������������������

������ 90° �����������������

L ������������������������

������������������������

�������� Fig. 2 �������������

������������������������

������������������������

������������������������

���� ��� ����920-1192 ����������

����������������

e-mail: ueno@ec.t.kanazawa-u.ac.jp

*1

�����

*2

����

����

(2)

Fig. 2 Principle of energy harvesting (top: forces applied to Galfenol plates by bending force, bottom: electric energy

generation by vibration).

��������������������� Fig. 2

������������������������

������������������������

������

L ����������������������

������������������������

���� ���������������������

�������� Fig. 3 �������������

������������������������

������������������������

������������������������

�������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

���������������

��� L �������������������

������������������������

��������������������� Fig. 4

���������������������� L �

Fig. 4 Stress distribution calculated by FEM.

�������� 100 N � Fig. 2 ������ ����

�������� 120 N � Fig. 3 ����������

������������������������

�������������� Solid Works 2008SP 5.0

���� L ��������� 9261 ���� 15692 �

���������� 8215 ���� 14341 �����

������������������������

���������� (a) ������ S ������

������������������������

������������������������

���� L ����� (b) �������������

���������������� -10 MPa ����

��������� -30 MPa � L ������ -20 MPa

�������� L ���������������

������������������������

������������������������

�����

����������

���������������� Fig. 5 ����

���������� Fig. 6 �����������

�� 1190 turn ��� 6.5

������������

�������� (100 × 15 × 3 mm

3

) � L �����

(SUS430) ��������������������

����� 10 mm ��������� 80 mm ���

������������ 2 �����������

���� Nd-Fe-B, 25 ×15 ×10 mm

3

, 2 ��������

������������������������

��� (SUS304) �����������������

(3)

Fig. 5 Fabricated device.

Fig. 6 Dimensions.

Fig. 7 Measurement setup of stress distribution using strain gauge.

������������������������

������������������������

��

3.1

������������

�����������������������

������������������������

��� Fig. 7 ������������������

����������� 70 GPa �������

(A5052P) ������������� 5965 � INSTRON

������������������������

����� KFG-6-120-C1 � KYOUWA �������

���������� CDV-700A � KYOWA ����

Fig. 8 Stress distribution.

������������������������

��������� A ����� B ��������

����� 0 ��

x = 5

� 20 � 40 � 60 � 75 mm ����

� 10 ������ ����������������

��� -10 MPa ����� L ������� 100 N �

��������� 125 N ������������

Fig. 8 ���������������������

�������� 5 mm ���� -23 MPa ���� A

��� 3 MPa ������� B ������

x

���

������������������������

�� L ���������������������

������ A �� -13 MPa ����� -10 MPa �� 3 MPa ����������������������

������������������������

������������������ L �����

������������������������

�������������������������

�����������������������

3.2

����������

������������

B

����������

�����

B dT � � � H � � � � � � � � 1 �

d

������

T

����

H

����

���������

��������� 1 ����������� 2 ��

����������������� (1) ������

������������������������

������������ �������������

�����������������������

����������������������

(4)

Fig. 9 Measurement setup of magnetic flux density distribution using pick-up coil.

Fig. 10 Relationship between stress and magnetic flux density of linear frame type.

Fig. 11 Relationship between stress and magnetic flux density of L-shaped frame type.

������������������� Fig. 9 ��

������������������������

���������� 5 �������������

���� DC ���� 6L01 � NEC ���������

������������������������

������ L �������������� 10 MPa

������������ 0.06 × 10

-6

T/Pa �����

� (1) ��� 1 ��

d

���������������

������������������������

����� Fig. 8 �����������������

������������� 1.4 T ������ 1.1 T

������� 20 MPa �������������

���������� 1.5 T �����������

������������������������

������������������������

������� L ����������������

������������������������

�������������������� 0.75 T �

������������������������

������������� 0.5 T ������ 0.7 T

������������������������

������������������������

������������������������

�������������� 20 � 80 mm �����

40 � 60 mm ������ 0 mm ������

3.3

���������������

����������������������

���������������������

m(kg)

������������������������

������������������������

��� Fig. 12 ������������������

�� LK-G35H � KEYENCE �� ����������

������������ 120

���������

���������������� TM502A � Tektronix

��������� Fig. 13 � L ����������

�������

F(=mg)

� 235 N(23.5 kgf) �������

������������������������

������������ 11.4 W ��������

(5)

Fig. 12 Measurement setup of free vibration.

Fig. 13 Time response of displacement, voltage and current at free vibration triggered by 235 N (23.5 kgf).

Fig. 14 Distribution of the output energy.

0.1 J �������������� 1 �������

60 Hz ���������������������

����� 2 ������������������

������������������������

�����������������

�����������������������

Fig. 15 Relationship between force and input energy, output energy and energy conversion efficiency of

linear frame type.

Fig. 16 Relationship between force and input energy, output energy and energy conversion efficiency of

L-shaped frame type.

������ Fig. 14 ���� �

F

� 100 N(10 kgf) ���

����������� 5 ������������

�� 20 mm ������� 40 mm ���������

������ (100%) �������� L ������

������������������������

������������������������

�� 40 mm �������������������

��������������������� Fig. 10

������������������������

���� L ��������� Fig. 11 �������

������������������������

����������������

��� ��������� Fig. 15 ���������

Fig. 16 � L �������

F

��������

Wi

��

(6)

Fig. 17 Relationship between input energy and output energy.

������

Wo

� ���������

�������

����������

F

� 235 N(23.5 kgf) �����

������ 0.06 J ���������������

����� 10 kgf ���� 30% ����������

������������������������

�������������������������

������������������������

������������������������

������������������������

������� 10 kgf ��������������

������ Fig. 10 ��� 10 kgf ������� 7 MPa �

������������������������

� 10 kgf ��������������������

������������������������

������������������������

������

��� L ��������

F

� 20 kgf ������

����� 2 ������������������

�� 31% ������� 20 kgf �������� 20 kgf

������������� 20 MPa ���� Fig. 11

�����������������������

Fig.17 ���������������������

������ L �����������������

� 20% �� 30% ���������� L ������

��������������

�����

����������������� L �����

������������������������

���������������������� L �

��

� ������ 24 ���������������

�� B ��������������

(2012 � 10 � 6 ���� 2013 � 3 � 22 ���� )

����

[1] �������������Energy Regeneration ��

Energy Harvesting�����������������

���pp. 96-101, 2009.

[2] �������������������������

��������������pp. 13-14, 2009.

[3] Kymisis, J., Kendall, C., Paradiso, J. and Gershenfeld, N., Parasitic Power Harvesting in Shoes, Proc. of the Second IEEE International Conference on Wearable Computing, (ISWC), IEEE Computer Society Press, pp. 132-139, 1998.

[4] ������������TM�2009, http://www.doundpower.co.jp/.

[5] A.E. Clark, M. Wun-Fogle, J.B.Restorff, Magnetostrictive Properties of Body-Centered Cubic Fe-Ga and Fe-Ga-Al Alloy,IEEE,Trans.Mag.,Vol. 37, pp. 3238-3240, 2000.

[6] A.E. Clark, M. Wun-Fogle, J.B.Restorff, Magnetostrictive property of Galfenol alloys under compressive stress, Materials Transaction, Vol. 43, pp. 881-886, 2002.

[7] �������������������������

�������������������������

��pp. 375-380, 2011.

[8] �������������������������

�������������������������

�������������, ROMBUNNO.A-80, 2011.

[9] �������������������������

�����������������������

ROMBUNNO.A-72, 2011.

Figure

Updating...

References

Related subjects :