Un convertitore di energia da vibrazioni basato su molle coniche: progettazione e convalida sperimentale

Lo sviluppo di sensori elettronici e circuiti di controllo con consumi sempre più bassi rende possibile la loro autoalimentazione, recuperando energia dall’ambiente circostante. Particolarmente promettente a tale scopo è la conversione di energia cinetica ambientale in energia elettrica mediante materiali piezoelettrici, generatori elettromagnetici o elettrostatici. Per ottenere un’effettiva autonomia energetica del dispositivo, è fondamentale convertire in modo efficiente l’energia ambientale, essenzialmente sviluppando dispositivi multifrequenza in un intervallo di frequenze basso (inferiore ai 200 Hz). Questo lavoro presenta la progettazione, la prototipazione e la convalida sperimentale di un convertitore elettromeccanico. Il sistema si basa su due molle coniche contrapposte e precaricate per realizzare un sistema elastico a bassa rigidezza. Nello specifico, il prototipo sviluppato impiega molle coniche con spacchi radiali, ma può accogliere anche molle coniche continue (Belleville). Il convertitore elettromagnetico, abbinato al sistema elastico, impiega fino a cinque magneti permanenti cilindrici per la generazione del campo magnetico. Coassiali al pacco dei magneti, su lati opposti, si affacciano due bobine di avvolgimenti. Queste spire, aventi una particolare configurazione ad otto, sono solidali alla parte mobile del sistema elastico e si muovono radialmente rispetto ai magneti. Quando il sistema eccitato dinamicamente entra in risonanza, le spire vedono una variazione di flusso magnetico dovuta al moto relativo rispetto ai magneti e ciò genera una tensione elettrica ai loro capi. Il prototipo è stato interamente realizzato impiegando componenti commerciali e parti realizzate in ABS. Le prove sperimentali svolte hanno messo in luce un ottimo comportamento del sistema, che mostra già con bassa accelerazione (0.35g) una significativa generazione elettrica su un ampio intervallo di frequenze molto al di sotto dei 100 Hz.