Studio di un energy harvester elettromagnetico per il monitoraggio di veicoli industriali = Study of an electromagnetic energy harvester for industrial vehicles monitoring

La tesi tratta lo studio analitico e sperimentale della dinamica di un energy harvester elettromagnetico per la conversione dell’energia vibrazionale in potenza elettrica. Il dispositivo presentato in questo lavoro è costituito da una sospensione magnetica ed è destinato ad applicazioni di diagnostica e monitoraggio di veicoli industriali. Per soddisfare le recenti esigenze e sviluppi del monitoraggio strutturale e della diagnostica dei veicoli sono stati concepiti dei sistemi AIOT combinando sensori wireless ed energy harvesters opportunamente progettati. L’utilizzo degli energy harvesters come fonte di energia permette di sostituire le batterie convenzionali che richiedono l’intervento di un operatore per la loro sostituzione, generando così energia per tutto il ciclo di vita dei dispositivi elettronici di diagnostica. I sistemi AIOT alimentati dagli energy harvesters possono dunque essere posizionati in zone inaccessibili all’operatore umano e fornire informazioni cruciali di tipo strutturale e operativo durante l’esercizio. Si descrive la progettazione e l’ottimizzazione dei sottosistemi accoppiati quali strutturale, elettrico e magnetico dell’energy harvester, il cui comportamento dinamico è studiato tramite modellazione numerica e simulazione in ambiente Matlab/Simulink. Il modello proposto è quello di un sistema massa molla smorzatore non lineare a 1 grado di libertà, eccitato da una forzante esterna sinusoidale. La non linearità del sistema deriva dalla dipendenza della rigidezza e dello smorzamento dalla posizione del magnete mobile che varia nel tempo sotto l’eccitazione esterna. La rigidezza del sistema è quella di una molla magnetica ed è definita tramite interpolazione di dati ottenuti da test sperimentali sull’harvester. Lo smorzamento del sistema dipende dall’azione viscosa dell’aria, dall’attrito tra il magnete mobile e la superficie interna del cilindro in cui scorre, dalle correnti indotte negli avvolgimenti. Il coefficiente di accoppiamento elettromagnetico, il quale lega la meccanica e la parte circuitale del sistema, è ottenuto dalla variazione del flusso magnetico concatenato con gli avvolgimenti durante l’oscillazione del magnete. L’obiettivo principale del lavoro è la valutazione della potenza elettrica generata dall’energy harvester in condizioni di risonanza attraverso simulazioni con diverse frequenze ed ampiezze di eccitazione. Al fine di ottimizzare la potenza elettrica è condotta un’analisi sull’influenza dei parametri del circuito elettrico quali il numero di avvolgimenti e il carico resistente. Per valutare l’accuratezza dei dati ottenuti dal modello elettrico proposto sono comparati con i risultati dei test di laboratorio su prototipi di energy harvester. Infine, è valutata l’efficienza del dispositivo in un’applicazione reale su un treno merci tramite confronto della potenza elettrica effettivamente generata rispetto a quella teorica sotto input sinusoidale. Il confronto è possibile grazie ai dati di monitoraggio su accelerazioni verticali durante la corsa del treno. L’eccitazione random è ricondotta a una somma di sinusoidi a diversa ampiezza tramite il conteggio dei cicli e il diagramma delle eccedenze. Il segnale così ottenuto può essere implementato in ambiente Simulink per valutare il comportamento dinamico e la potenza elettrica generata dal dispositivo installato. Si introduce il concetto di duty cycle per valutare l’applicabilità dell’harvester nel circuito complessivo del sistema autonomo.