Biomechanické zdroje energie pro napájení mobilních senzorů

Jan Štigler

Diplomová práce

Biomechanical Energie Sources to Power Mobile Sensors

Anotace:

Tato práce se zabývá vývojovým a optimalizačním procesem zařízení na přeměnu biomechanické pohybové energie na energii elektrickou. Nejprve jsou zpracovány teoretické základy nutné k porozumění procesu vzniku biomechanické energie v lidském těle. Dále je vyhodnocena škála pohybů použitelných pro pohon generátoru. Je identifikován pohyb těžiště jako vhodný kandidát pro aplikaci zařízení. Na základě poznatků ze studia mechaniky tohoto pohybu je navržen koncept pro lineární generátor využívající pohybu cívky v magnetickém poli, vytvořeném pomocí permanentních magnetů. Následně je sestrojen fyzikální model na základě vstupních parametrů permanentních magnetů, který modeluje magnetické pole v prostoru generátoru. Hodnoty tohoto pole jsou využity pro následné výpočty a optimalizace. Je vytvořen simulační software schopný modelovat chování lineárního generátoru za proměnlivých vstupních podmínek. Tyto podmínky zahrnují mechanické parametry generátoru s vypočteným permanentním magnetickým polem a biologické parametry uživatele. Na základě výstupů modelů tohoto software je navrženo elektrické schéma usměrňovače, jehož úkolem je upravit elektrickou energii pro potřeby akumulace v baterii.

Abstract:

This paper adresses development and optimalization of a biomechanical energy conversion device. First the theoretical basis concerning the creation of biomechanical energy in human body are studied. Next the number of available motions is studied which are appliable for powering the generator with biomechanical motion power. The center of mass movement is identified as a suitable candidate. Based on the knowledge aquired from studiing this motion we propose a linear generator concept with a coil moving through a permanent magnetic field. This field is computed for known design of permanent magnets. Values characteristic for this field are used for computing and optimalization. Simulation software is programmed, which is capable of simulating the behaviour of the linear PM generator with changing input parameters. Theese contain mechanical input parameters of the generator with the calculated magneticfield and biological parameters of the user. Based on the model outputs we propose electrical rectification circuit, which transoforms the output electrical energy according to the battery needs.

Klíčová slova

Biomechanika lidského těla, kloub, sval, hmotný střed, těžiště, Energyharvesting, biomechanická energie, permanentní magnet, neodym, magnetická indukce, vektor intenzity magnetického pole, tuhost pružiny, cívka, funkce pohybu těžiště v čase, indukované napětí, vstupní výkon lidského těla, výstupní výkon generátoru

Keywords

Human biomechanics, joint, muscle, center of mass, energy harvesting, biomechanical energy, permanent magnet, neodym, magnetic flux density, megnetic vector, spring constant, center of masss function, induced voltage, input power generated by human body, generator output power

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 7. 5. 2014

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 3. 6. 2014
• Vedoucí: David Vala
• Oponent: Tereza Kocichová

VŠB - Technická univerzita Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Magisterský studijní program / obor:
Elektrotechnika / Biomedicínské inženýrství