Analytical modeling and experimental verification of a multi-DOF spherical pendulum electromagnetic energy harvester

有限元法 磁铁 振动 电磁线圈 钟摆 声学 能量(信号处理) 工程类 机械工程 控制理论(社会学) 物理 计算机科学 电气工程 结构工程 控制(管理) 量子力学 人工智能
作者
Xin Wang,Tao Wang,Haobin Lv,Hao Wang,Fanqin Zeng
出处
期刊:Energy [Elsevier BV]
卷期号:286: 129428-129428 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.energy.2023.129428
摘要

Low-frequency vibration energy harvesting is a promising technology for providing floating buoys and small marine robots with sustainable energy from ocean waves. A spherical vibration energy harvester with multiple degrees of freedom has the advantages of good multi-directional adaptability and compact structure. However, its magnetic field distribution in three-dimension space is much more complex due to the combined effect of a series of cylindrical permanent magnets mounted on the surface of a gimbaled pendulum. The traditional finite element method is too time-consuming to perform efficient parameter design and optimization. To solve this problem, this work develops an analytical electromagnetic model for the spherical vibration energy harvester based on Biot-Savart Law. This model can be used to predict spatial magnetic flux distribution and electromotive force for given magnet and coil parameters. The accuracy and computational cost of the analytical model is verified by the comparison with the finite element method. Furthermore, the optimization of electromagnetic parameters is implemented to achieve maximum energy conversion efficiency. Finally, an optimized prototype is fabricated and tested in both laboratory and real sea. The resonant frequency and energy conversion efficiency of the prototype reaches 1.0 Hz and 25.45 %, respectively. It is shown that the experimental results are in good accordance with the analytical results.
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