Modellazione e verifica sperimentale di un harvester elettromagnetico per diagnostica su treni merci

Here a model for an electromagnetic Energy Harvesting system is presented. The system is able to gather electric energy from vibrations due to rail irregularities on the axle box wheelset bearing of a railroad car axle. The aim is to produce a device able to power a diagnostic sensor node, working on railway freight carriages. Electromagnetic transduction is studied, which here is due to relative movement between a magnet and a conductor at whose ends a voltage is induced according to Faraday’s law. The system is described through an analytic-numeric model, able to highlight the mutual interactions between mechanical and electrical systems. The magnetic field is studied using a numeric approach, based on a finite elements method. The proposed model gives an estimate of extracted voltage and electric power as a function of imposed acceleration and electrical and mechanical parameters. In order to validate the numeric model through an experimental campaign, an electromagnetic harvester prototype has been produced and here the choices made in designing and the chosen components are presented.

In questo lavoro è presentata la modellazione di un sistema Energy Harvesting elettromagnetico in grado di recuperare energia elettrica dalle vibrazioni presenti in corrispondenza della boccola di un assile ferroviario, causate dall’irregolarità del binario. L’obiettivo è la messa a punto di un dispositivo capace di alimentare un nodo sensoriale con finalità diagnostiche, da impiegare a bordo di carri ferroviari per il trasporto di merci. E’ studiata la trasduzione elettromagnetica, realizzata dal movimento relativo tra un magnete e un conduttore, ai capi del quale è generata una tensione governata dalla legge di Faraday. Il sistema è descritto attraverso un modello analitico-numerico, capace di evidenziare la mutua interazione tra il dominio meccanico ed il dominio elettrico. Il campo magnetico è studiato con un approccio numerico, basato sull’utilizzo di un codice ad elementi finiti. Il modello proposto fornisce una stima della tensione e della potenza elettrica estratta, in funzione dell’accelerazione imposta e dei parametri meccanici ed elettrici. Per validare il modello numerico attraverso una campagna sperimentale, è stato costruito un prototipo di harvester elettromagnetico, di cui sono illustrate le scelte progettuali e i componenti utilizzati.