Progettazione e validazione sperimentale di un energy harvester elettromeccanico = Design and experimental validation of an electromechanical energy harvester

Nel presente lavoro di tesi magistrale si prosegue lo sviluppo del progetto di un Energy Harvester elettromeccanico denominato Harvey, avviato nel 2021 dal Politecnico di Torino, in collaborazione con SKF Group, nell’ambito del progetto "PNRR M4C2, Investimento 1.4 - Avviso n. 3138 del 16/12/2021 - CN00000022 National Research Centre for Agricultural Tecnologies (Agritech) Spoke 6 - CUP E13C22001010001". L’obiettivo della ricerca è la generazione di energia elettrica tramite un sistema di magneti permanenti e bobine alloggiati rispettivamente nello statore e nel rotore, al fine di alimentare un modulo Bluetooth Low Energy (BLE) destinato al monitoraggio in tempo reale dei dischi di semina, riducendo i fermi macchina e semplificando le operazioni di manutenzione. In questa tesi è stato ricostruito da zero il modello tridimensionale dell’Harvey sul software CST Studio Suite, parametrizzando tutte le quote geometriche di lamina, bobine, magneti e viti. Sono state quindi introdotte dodici viti in corrispondenza delle dodici bobine collegate in serie, al fine di incrementare il flusso concatenato e la tensione indotta. È stato osservato che tale modifica, se da un lato incrementa la potenza e la tensione disponibile per l’elettronica, dall’altro aumenta la coppia magnetica agente sui magneti dello statore, che non è vincolato rigidamente, ma mantiene la posizione per inerzia grazie a tre pesi di bilanciamento. Sono state condotte simulazioni parametriche magnetostatiche per calcolare, al variare della posizione meccanica del rotore, il flusso concatenato da ciascuna bobina e la coppia agente su ciascun magnete per diversi valori di traferro e lunghezza delle viti. I dati ottenuti sono stati esportati e successivamente elaborati, combinandoli per ottenere la tensione complessiva ai capi della serie delle dodici bobine e la coppia totale agente sullo statore. Successivamente è stato assemblato il banco prova precedentemente progettato che comprende l’Harvey, il motore primo e il controllo di velocità. Sono state eseguite prove sperimentali variando lunghezza delle viti e traferro per identificare configurazioni in grado di garantire tensione sufficiente per l’alimentazione del PCB e, al contempo, limitare le oscillazioni dello statore per evitare la sua rotazione. Infine sono stati eseguiti test elettrici a diverse velocità di rotazione, misurando la tensione e ricavando la potenza erogata su un carico resistivo. I risultati ottenuti indicano la possibilità di incrementare la tensione disponibile mediante l’ottimizzazione delle viti e del traferro, senza compromettere significativamente la stabilità dello statore. Questo lavoro rappresenta un passo fondamentale verso la validazione sperimentale del sistema e fornisce indicazioni utili per attività future, tra cui la caratterizzazione dell’Harvey tramite PXIe e l’analisi armonica delle coppie agenti sui magneti per una più approfondita comprensione del comportamento del sistema.