Aktuální vydání

celé číslo

12

2022

Automatizace výrobních, montážních a balicích strojů a linek

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Mikrogenerátor energie pro vestavné přístroje

Moderní snímače jsou čím dál tím menší a současně schopné vykonávat stále složitější funkce, často i s bezdrátovým přenosem povelů a naměřených dat. Výrazně k tomu přispívá technika mikrosystémů (Micro-Electro Mechanical System – MEMS), umožňující v jednom miniaturním systému účelně kombinovat mechanické a elektronické polovodičové struktury. V důsledku toho rychle roste počet měřicích a řídicích úloh s miniaturními snímači začleněnými jako vestavné (embedded) elektronické přístroje přímo do měřeného objektu. Ty je ovšem třeba napájet, v nejjednodušším případě ze samostatného vnější zdroje elektrické energie. Mnohdy je však nutné snímače začlenit do příslušné struktury bez možnosti jakéhokoliv fyzikálního spojení s vnějším prostředím. Zde se nabízí možnost vestavět do snímače malinkaté „mikro“ baterie, a tím ho sice zbavit závislosti na vnějším zdroji napájení, ale současně omezit dobu jeho použití konečnou kapacitou baterie. Perspektivním řešením je použít k napájení snímače, popř. k dobíjení vestavěné baterie, elektrickou energii získanou konverzí z energie pohybové, tepelné, světelné apod., která je k dispozici vně snímače. V mnoha těchto případech je v poslední době zajímavé zejména využití pohybové energie z přirozeného mechanického chvění a pohybu v našem okolí.
 
Návrh koncepce a technického řešení mikrosystému pro generování elektrické energie při použití mechanického chvění (vibrací) se také stal náplní evropského výzkumného projektu Vibes (Vibration Energy Scavening), řešeného skupinou odborníků z University of Southampton, Velká Británie, pod vedením Dr. S. Beebyho [1]. Koncem minulého roku řešitelé představili odborné veřejnosti výsledek své více než tříleté činnosti – miniaturní vibrační generátor pro napájení vestavných elektronických přístrojů, jehož objem je menší než jeden krychlový centimetr a výkon řádu desítek mikrowattů.
 
Generátor využívá seismický pohyb magnetů s přídavnou setrvačnou hmotou upevněných na konci vetknutého nosníku, k němuž dochází při působení vibrací na tělo přístroje. Pohybující se magnety generují ve snímací cívce elektrický proud (obr. 1). Protože je z generátoru požadován napěťový výstup, je snímací cívka navinuta z velmi jemného drátu o průměru jen 12 μm. Díky tomu může mít cívka s vnějším průměrem 2,8 mm a tloušťkou 0,5 mm asi 2 800 závitů, což v kombinaci s optimalizovaným magnetickým obvodem umožňuje získat z vibrací o frekvenci 50 Hz a zrychlení asi 0,6 m·s–2 napětí o efektivní hodnotě větší než 700 mV, což odpovídá výstupnímu výkonu vyššímu než 55 µ W. Podle vedoucího řešitelského kolektivu je nový generátor desetkrát účinnější než všechny podobné přístroje známé v současné době a je navržen tak, aby jej bylo možné vyrábět s využitím progresivní mikrosystémové technologie. Podrobný popis přístroje byl zveřejněn ve [2] a je nyní dostupný také na webové stránce uvedeného časopisu.
 
Odborníci předpokládají, že nový mikrogenerátor bude nejdříve použit pro napájení bezdrátových snímačů, které sledují stav průmyslových výrobních zařízení. Velmi dobře by mohl být použitelný v bezdrátových senzorech v asistenčních systémech pro sledování tlaku v pneumatikách (Tire Pressure Monitoring System – TPMS) nebo k napájení kardiostimulátorů implantovaných v těle pacientů. Uvádí se, že v případě kardiostimulátoru stačí k fungování mikrogenerátoru i jen tlukot srdce pacienta. Jinou zajímavou úlohou je napájení snímačů uložených v nosných konstrukcích silničních a železničních mostů pro nepřetržité sledování jejich pevnosti. Velkou výhodou bezdrátových senzorů s integrovaným napájením je, že po odstranění kabeláže a vnějších baterií lze snímače snáze umístit i na dosud obtížně přístupných místech.
 
Výzkumný projekt Vibes byl řešen v době od 1. 1. 2004 do 30. 6. 2007 a Evropská unie ho podpořila částkou 4,13 milionu eur z tematické sekce Information society technologies šestého rámcového programu pro výzkum a technický rozvoj. Podrobnější informace lze nalézt na adrese http://www.vibes.ecs.soton.ac.uk
 
Literatura:
[1] EU-Project entwickelt kraftvollen Generator im Miniformat. CORDIS focus Newsletter, Nr. 281, August 2007, s. 15.
[2] BEEBY, S. P. et al.: Micro electromagnetic generator for vibration energy harvesting. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2007, vol. 17, June, pp. 1257–1265.
Ing. Karel Kabeš