IT201900003099A1

IT201900003099A1 - Raccoglitore di energia e dispositivo corrispondente

Info

Publication number: IT201900003099A1
Application number: IT102019000003099A
Authority: IT
Inventors: Rosa Roberto La; Salvatore Baglio; Carlo Trigona
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2020-09-04
Also published as: US11632029B2; US20200287453A1

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:

“Raccoglitore di energia e dispositivo corrispondente”

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Campo tecnico

La descrizione si riferisce a raccoglitori di energia (“energy harvesters”). In particolare, una o più forme di attuazione si possono riferire alla raccolta di energia cinetica, ad es., da vibrazioni.

Una o più forme di attuazione possono essere utilizzate in una varietà di applicazioni, ad es., sistemi senza batteria quali reti di sensori senza fili o wireless (“Wireless Sensor Networks”, WSN).

Sfondo tecnologico

Nella raccolta di energia (o, secondo altre designazioni, raccolta di potenza o recupero di energia), l’energia da fonti quali, ad es., pannelli solari, generatori eolici, generatori termici di vari tipi è immagazzinata per un possibile utilizzo in dispositivi quali dispositivi portatili wireless o sensori wireless (ad es., in applicazioni di reti di sensori wireless).

Al giorno d’oggi, sempre più applicazioni emergenti possono essere facilitate dalla disponibilità di sistemi senza batteria basati su diversi approcci di raccolta (cioè, fotovoltaica, piezoelettrica, elettromagnetica, ecc.), allo scopo di implementare sistemi a basso costo con piattaforme wireless altamente integrate. Inoltre, i sistemi senza batteria possono facilitare sviluppi in tutti gli scenari in cui la sostituzione periodica della batteria di un nodo può essere poco pratica, ad es., per via o di un gran numero di nodi o della collocazione inaccessibile del nodo (ad es., dispositivi medici impiantati, sistemi per “calcestruzzo intelligente”, o in generale dispositivii posizionati in ambienti difficili da raggiungere o pericolosi). Esiste di conseguenza una richiesta crescente di dispositivi di raccolta di energia migliorati (raccoglitori di energia).

Un campo di interesse crescente per le reti di sensori wireless è rappresentato dalla cosiddetta “Industria 4.0”, in cui può essere desiderabile la capacità di raccogliere energia e di raccogliere informazioni da vibrazioni meccaniche (ad es., da un motore, un pezzo di un macchinario industriale, ecc.).

Scopo e sintesi

Nonostante l’estesa attività nell’area, sono desiderabili ulteriori soluzioni migliorate.

Ad esempio, sono desiderabili soluzioni per fornire sensori di vibrazioni (miniaturizzati) con capacità di raccolta di energia cinetica, ad es., per realizzare nodi sensori senza batteria e cosiddetti “set-and-forget”. I nodi sensori set-and-forget possono essere intrinsecamente (quasi) senza manutenzione, facilitando così il fatto che i dispositivi di IoT (Internet delle Cose o Internet-of-Things) siano virtualmente onnipresenti.

Specificatamente, sono desiderabili delle soluzioni in cui un raccoglitore di energia cinetica può fornire allo stesso tempo una funzionalità di alimentazione e una funzionalità di misurazione di vibrazioni di un sensore di vibrazioni. Un tale sensore di vibrazioni può di conseguenza essere wireless e senza batteria.

Sono desiderabili delle soluzioni per fornire raccoglitori di energia cinetica con una durabilità aumentata.

Sono desiderabili delle soluzioni per fornire raccoglitori di energia con dimensioni ridotte (ad es., altamente miniaturizzati) e capacità di raccolta di potenza migliorate, ad es., con un rapporto potenza/volume migliorato.

Uno scopo di una o più forme di attuazione è contribuire a fornire tali soluzioni migliorate.

Secondo una o più forme di attuazione, un tale scopo può essere conseguito per mezzo di un raccoglitore di energia avente le caratteristiche esposte nelle rivendicazioni che seguono.

Una o più forme di attuazione si possono riferire ad un corrispondente dispositivo, quale un raccoglitore di energia “intelligente” operante come un sensore per misurare una quantità di vibrazioni nell’ambiente dove è posto il raccoglitore di energia.

Le rivendicazioni sono una parte integrante dell’insegnamento tecnico qui fornito rispetto alle forme di attuazione.

Una o più forme di attuazione si possono riferire ad un raccoglitore di energia cinetica “ibrido” che coinvolge trasduttori sia piezoelettrici sia elettromagnetici per un rapporto potenza/volume migliorato.

Breve descrizione delle figure

Una o più forme di attuazione saranno ora descritte, a puro titolo di esempio, facendo riferimento alle figure annesse, in cui:

- la figura 1 è una vista in sezione trasversale esemplificativa di un raccoglitore di energia secondo una o più forme di attuazione;

- la figura 2 è una vista in sezione trasversale esemplificativa di un altro raccoglitore di energia secondo una o più forme di attuazione;

- la figura 3 è un diagramma a blocchi circuitale esemplificativo di un dispositivo secondo una o più forme di attuazione; e

- la figura 4 è esemplificativa di un possibile comportamento nel tempo di segnali in una o più forme di attuazione.

Si apprezzerà che, per chiarezza e semplicità di illustrazione, le varie figure possono non essere disegnate nella stessa scala, e possono inoltre far riferimento a diverse forme di attuazione.

Descrizione dettagliata

Nella descrizione che segue sono illustrati uno o più dettagli specifici, mirati a fornire una comprensione approfondita di esempi di forme di attuazione di questa descrizione. Le forme di attuazione si possono ottenere senza uno o più dei dettagli specifici, o con altri procedimenti, componenti, materiali, ecc. In altri casi, strutture, materiali, o operazioni note non sono illustrati o descritti nel dettaglio in modo che certi aspetti di forme di attuazione non siano resi poco chiari.

Un riferimento a “una forma di attuazione” nel quadro della presente descrizione è inteso per indicare che una particolare configurazione, struttura, o caratteristica descritta in relazione alla forma di attuazione è compresa in almeno una forma di attuazione. Pertanto, frasi quali “in una forma di attuazione” che possono essere presenti in uno o più punti della presente descrizione non fanno necessariamente riferimento alla medesima e alla stessa forma di attuazione. Inoltre, particolari conformazioni, strutture, o caratteristiche si possono combinare in qualsiasi modo adeguato in una o più forme di attuazione.

In tutte le figure qui annesse, parti o elementi simili sono indicati con riferimenti/numeri simili ed una corrispondente descrizione non verrà ripetuta per brevità.

I riferimenti qui utilizzati sono forniti meramente per comodità e pertanto non definiscono l’estensione di protezione o l’ambito delle forme di attuazione.

In varie applicazioni industriali, rilevare vibrazioni (ad es., in un motore, un pezzo di un macchinario industriale, o simili) può essere desiderabile per rilevare problemi quali, ad esempio, l’allentamento di un accoppiamento meccanico tra due parti di un motore o di un pezzo di un macchinario industriale.

L’installazione di un sensore di vibrazioni, ad esempio sulla testa di una vite, su un tassello, su un rivetto, su un tirante o su un diverso tipo di ammortizzatore può facilitare il rilevamento di tali problemi relativi alle vibrazioni. In aggiunta, i sensori di vibrazioni possono essere vantaggiosamente provvisti di capacità di raccolta di energia cinetica, in modo da fornire un funzionamento senza batteria.

In questo contesto, i seguenti documenti sono esemplificativi di alcuni approcci al problema della raccolta di energia cinetica:

- S. Naifar ed altri, “A Smart Energy Harvester for Axial-Force Measurements in Vibrating Environments”, 2018 IEEE Sensors Applications Symposium (SAS), 12-14 marzo 2018, doi: 10.1109/SAS.2018.8336726;

- A. Haroun ed altri, “Investigation of Kinetic Energy Harvesting from Human Body Motion Activities using Free/Impact Based Micro Electromagnetic Generator”, Journal of Diabetes and Cholesterol Metabolism (DCM), 2016, Vol.

1(1), pagg. 12-16;

- R. Olaru ed altri, “Analysis and Design of a Vibration Energy Harvester using Permanent Magnets”, Revue Roumaine des Sciences Techniques - Serie Électrotechnique et Énergétique, aprile 2014, Vol. 59(2), pagg. 131-140;

- M. P. Soares dos Santos ed altri, “Magnetic Levitation-based Electromagnetic Energy Harvesting: a Semi-Analytical non-linear Model for Energy Transduction”, Scientific Reports 6, 2016, Numero di articolo: 18579, doi: 10.1038/srep18579 (2016); e

- X. Zhou ed altri, “Nonlinear Hybrid Piezoelectric and Electromagnetic Energy Harvesting Driven by Colored Excitation”, Energies, febbraio 2018, Vol. 11(3), doi: 10.3390/en11030498.

Gli inventori hanno notato che tali approcci precedenti hanno vari svantaggi.

Ad esempio, il dispositivo proposto da S. Naifar ed altri può essere soggetto ad una progressiva usura della bobina, che è una parte mobile del dispositivo, e della molla meccanica, che alla lunga può non ritornare al suo stato di riposo iniziale.

I dispositivi proposti da R. Olaru ed altri e M. P. Soares dos Santos ed altri non sono ibridi, risultando in una bassa efficienza in termini di rapporto potenza/volume. Gli svantaggi principali del dispositivo proposto da X. Zhou ed altri sono un’efficienza ridotta dovuta ad un effetto di smorzamento esercitato da un “cantilever” su un magnete mobile, e la voluminosità del dispositivo.

Le figure 1 e 2 sono viste in sezione trasversale esemplificative di diverse forme di attuazione di un raccoglitore di energia 1 che mirano a superare uno o più degli svantaggi summenzionati.

Come esemplificato nelle figure 1 e 2, un raccoglitore di energia 1 può comprendere un involucro tubolare allungato 10 che si estende attorno ad un asse longitudinale X10 tra una prima e una seconda estremità opposte 10A, 10B dell’involucro 10, almeno un corpo 12, 12A, 12B (ad es., almeno una massa) disposto nell’involucro 10, e almeno un avvolgimento elettrico elicoidale 14 avvolto attorno all’asse longitudinale X10 dell’involucro 10.

L’involucro 10 può avere la forma di un prisma retto avente un qualunque numero di lati (ad es., un prisma triangolare, un prisma a base quadrata, un prisma a base esagonale, e così via). Preferibilmente, l’involucro 10 ha una forma cilindrica, con la prima e la seconda estremità opposte 10A, 10B che sono dei cerchi.

Anche l’almeno un corpo 12, 12A, 12B può avere la forma di un prisma retto, preferibilmente corrispondente alla forma dell’involucro 10 (cioè, triangolare se l’involucro è triangolare, quadrata se l’involucro è a base quadrata, circolare se l’involucro è cilindrico, e così via).

Nonostante sia una caratteristica preferita, la corrispondenza tra la forma dell’involucro 10 e dell’almeno un corpo 12, 12A, 12B non è obbligatoria, a patto che l’almeno un corpo abbia una forma che consente ad esso di spostarsi per inerzia (ad es., sotto l’azione di forze esterne che agiscono sul raccoglitore di energia 1) nell’involucro tubolare allungato 10 lungo una relativa direzione longitudinale.

Ad esempio, la cooperazione fra un involucro 10 avente una forma cilindrica ed un corpo circolare 12, 12A, 12B può facilitare la riduzione dell’attrito dovuto al movimento del corpo 12, 12A, 12B all’interno dell’involucro 10.

L’almeno un corpo 12 (come esemplificato in figura 1) o 12A, 12B (come esemplificato in figura 2) può comprendere un prisma retto avente un’altezza (cioè, una dimensione nella direzione longitudinale definita dall’asse X10) inferiore alla sua larghezza (cioè, la dimensione in una direzione trasversale all’asse X10), assomigliando così ad una sorta di disco. Tuttavia, un tale rapporto tra l’altezza e larghezza del corpo è puramente esemplificativo, e in varie forme di attuazione l’altezza del corpo può essere uguale a o superiore alla relativa larghezza.

Come esemplificato nelle figure 1 e 2, l’avvolgimento elettrico 14 può avere un primo terminale 14’ e un secondo terminale 14” per l’accoppiamento elettrico, ad es., alla circuiteria esterna al raccoglitore di energia 1.

L’almeno un corpo 12, 12A, 12B può essere disposto nell’involucro 10 mobile lungo l’asse longitudinale X10 tra la prima estremità 10A e la seconda estremità 10B dell’involucro. Di conseguenza, l’almeno un corpo può essere mobile di un movimento alternato dalla prima estremità 10A verso la seconda estremità 10B dell’involucro 10, e viceversa.

Come esemplificato nelle figure 1 e 2, la prima estremità 10A e la seconda estremità 10B dell’involucro 10 possono comprendere rispettivi trasduttori piezoelettrici 16A, 16B. In alternativa, in una o più forme di attuazione, solo una fra la prima estremità 10A e la seconda estremità 10B può comprendere un rispettivo trasduttore piezoelettrico.

Ciascuno dei trasduttori piezoelettrici 16A, 16B può comprendere una rispettiva coppia di terminali 16A’, 16A” e 16B’, 16B” per l’accoppiamento elettrico, ad es., alla circuiteria esterna al raccoglitore di energia 1.

In entrambe le forme di attuazione esemplificate nelle figure 1 e 2, un movimento alternato dell’almeno un corpo 12 (o 12A, 12B) lungo l’asse longitudinale X10 può risultare in una variazione del flusso magnetico attraverso le spire dell’avvolgimento elettrico 14, producendo così una forza elettromotrice attraverso l’avvolgimento elettrico 14 che può essere raccolta ai terminali 14’ e 14”. Inoltre, in entrambe le forme di attuazione esemplificate nelle figure 1 e 2, almeno un trasduttore piezoelettrico 16A, 16B è configurato per cooperare in una relazione di trasferimento di energia cinetica con l’almeno un corpo come un risultato del fatto che l’almeno un corpo raggiunge una posizione di fine corsa verso il trasduttore piezoelettrico durante il movimento, risultando in una tensione elettrica che viene prodotta nel trasduttore piezoelettrico, che può essere raccolta ai terminali 16A’ e 16A” (e/o 16B’ e 16B”).

Una o più forme di attuazione come esemplificate in figura 1 possono comprendere una struttura di guida 18 configurata per guidare il movimento del corpo 12 lungo l’asse longitudinale X10 dell’involucro 10.

Ad esempio, la struttura di guida può comprendere un palo 18 che si estende lungo l’asse X10 tra la prima estremità 10A e la seconda estremità 10B dell’involucro 10, con il corpo 12 che è accoppiato in modo scorrevole al palo 18 (ad es., per mezzo di un foro passante che passa attraverso il corpo 12 in corrispondenza dell’asse longitudinale X10).

In modo vantaggioso, il corpo 12 può avere una dimensione in una direzione trasversale all’asse longitudinale X10 che è inferiore alla dimensione interna trasversale dell’involucro 10, cioè il corpo 12 guidato in modo scorrevole dal palo 18 può non essere a contatto con la superficie interna dell’involucro 10, riducendo così l’attrito che può ostacolare il movimento del corpo 12 e può ridurre l’efficienza complessiva del raccoglitore di energia 1.

Verrà apprezzato che una tale struttura di guida 18, come esemplificata in riferimento ad una forma di attuazione esemplificativa illustrata in figura 1, può essere fornita in una forma di attuazione esemplificativa come illustrata in figura 2, ad es., con un palo che si estende lungo l’asse X10 e che passa attraverso i corpi 12A, 12B.

Una o più forme di attuazione come esemplificate in figura 1 possono comprendere formazioni d’urto (“bumper formations”) 120A, 120B (ad es., che agiscono come dispositivi di fine corsa) che sporgono dalla prima e seconda estremità 10A, 10B dell’involucro 10 verso il volume interno dell’involucro 10, ad es., essendo interposte tra i trasduttori piezoelettrici 16A, 16B e il corpo mobile 12.

Tali formazioni d’urto 120A, 120B possono comprendere, ad esempio, un corpo anulare che si estende nella direzione longitudinale dell’involucro 10, e possono essere configurate per:

- impedire al corpo 12 di arrivare a contatto con i trasduttori piezoelettrici 16A, 16B, e

- trasferire almeno parzialmente l’energia cinetica del corpo 12 ai trasduttori piezoelettrici 16A, 16B come risultato del fatto che il corpo 12 urta contro le formazioni d’urto 120A, 120B.

Verrà apprezzato che tali formazioni d’urto 120A, 120B come esemplificate in riferimento a una forma di attuazione esemplificativa illustrata in figura 1 possono essere fornite anche in una forma di attuazione esemplificativa come illustrata in figura 2.

In una o più forme di attuazione come esemplificate in figura 1, il corpo 12 disposto nell’involucro 10 può comprendere materiale magnetizzato (ad es., un magnete permanente). Preferibilmente, il materiale magnetizzato nel corpo 12 può fornire una polarizzazione magnetica del corpo 12 che è sostanzialmente parallela all’asse longitudinale X10 dell’involucro 10. Ad esempio, il corpo 12 può comprendere una prima porzione 12’ che affaccia verso la prima estremità 10A dell’involucro 10 e avente una prima polarità magnetica (ad esempio, polarità nord) e una seconda porzione 12” che affaccia verso la seconda estremità 10B dell’involucro 10 e avente una seconda polarità magnetica opposta alla prima polarità magnetica (ad esempio, polarità sud).

In aggiunta, in una o più forme di attuazione come esemplificate in figura 1, un raccoglitore di energia 1 può comprendere ulteriori magneti permanenti 122A, 122B disposti rispettivamente in corrispondenza della prima e della seconda estremità dell’involucro 10 (ad es., interposti tra ciascuna delle prima e seconda estremità 10A, 10B dell’involucro 10 e le rispettive formazioni d’urto 120A, 120B).

In particolare, i magneti permanenti 122A, 122B possono avere rispettive polarizzazioni magnetiche che sono orientate in una direzione opposta alla polarizzazione magnetica del magnete nel corpo 12, in modo da esercitare una forza magnetica repulsiva sul corpo mobile 12 e contrastare l’urto del corpo mobile 12 contro le formazioni d’urto 120A, 120B.

In una o più forme di attuazione come esemplificate in figura 1, l’avvolgimento elettrico 14 può essere avvolto attorno all’involucro tubolare allungato 10, cioè, su una relativa superficie esterna.

In alternativa, l’avvolgimento elettrico 14 può essere avvolto su una superficie interna dell’involucro 10, lungo la direzione longitudinale dell’asse X10.

Quindi, in una o più forme di attuazione come esemplificate in figura 1, il movimento di un corpo magnetizzato 12 in una direzione longitudinale dell’involucro 10 può risultare in una variazione del flusso magnetico attraverso le spire dell’avvolgimento elettrico elicoidale 14, che a sua volta può produrre una forza elettromotrice attraverso l’avvolgimento elettrico 14 ai terminali 14’ e 14”. Di conseguenza, l’energia cinetica del corpo 12 può essere almeno parzialmente raccolta utilizzando un accoppiamento elettromagnetico del corpo magnetizzato 12 e dell’avvolgimento elettrico 14.

In aggiunta, i trasduttori piezoelettrici 16A, 16B posizionati alle estremità opposte 10A e 10B possono essere configurati per cooperare in una relazione di trasferimento di energia cinetica con il corpo 12 come risultato del fatto che il corpo 12 raggiunge una rispettiva posizione di fine corsa in detto movimento alternato verso la prima estremità, rispettivamente la seconda estremità, dell’involucro tubolare allungato 10.

In particolare, in assenza delle formazioni d’urto 120A, 120B e in assenza dei magneti permanenti 122A, 122B, il corpo 12 può urtare direttamente contro i trasduttori piezoelettrici 16A, 16B alle estremità 10A, 10B, producendo così una tensione elettrica nei trasduttori piezoelettrici 16A, 16B ad ogni urto. Le posizioni di fine corsa del corpo 12 possono di conseguenza corrispondere ad una condizione di contatto contro i trasduttori piezoelettrici 16A, 16B.

Nel caso in cui siano provviste formazioni d’urto 120A, 120B tra il corpo 12 e i trasduttori piezoelettrici 16A, 16B, il corpo 12 può urtare contro le formazioni d’urto 120A, 120B che a loro volta possono trasferire almeno parzialmente l’energia cinetica del corpo 12 ai trasduttori piezoelettrici 16A, 16B.

Le formazioni d’urto 120A, 120B possono avere una certa elasticità, ad es. per via del loro materiale o della loro forma. Una bassa elasticità (rispettivamente alta) delle formazioni d’urto può risultare in una grande quantità (rispettivamente piccola) di energia cinetica che viene trasferita dal corpo 12 ai trasduttori piezoelettrici 16A, 16B. Di conseguenza, la regolazione dell’elasticità delle formazioni d’urto 120A, 120B può fornire la possibilità di regolare il funzionamento del raccoglitore di energia 1, ad es., in termini di rapporto tra l’energia raccolta per mezzo dei trasduttori piezoelettrici 16A, 16B e l’energia raccolta per mezzo dell’avvolgimento elettrico In aggiunta, nel caso in cui siano provvisti magneti permanenti 122A, 122B nel raccoglitore di energia 1, anche la regolazione del valore di magnetizzazione di tali magneti permanenti può fornire la possibilità di regolare il rapporto tra l’energia raccolta per mezzo dei trasduttori piezoelettrici 16A, 16B e l’energia raccolta per mezzo dell’avvolgimento elettrico 14.

In una o più forme di attuazione come esemplificate in figura 2, l’involucro tubolare allungato 10 di un raccoglitore di energia 1 può comprendere materiale magnetico per generare un campo magnetico all’interno dell’involucro 10, preferibilmente un campo magnetico non uniforme.

In una o più forme di attuazione come esemplificate in figura 2, l’avvolgimento elettrico elicoidale 14 comprende una molla elicoidale di materiale elettricamente conduttivo disposta nell’involucro tra la prima estremità 10A e la seconda estremità 10B, ad es., avente una prima estremità in contatto con la prima estremità 10A e una seconda estremità in contatto con la seconda estremità 10B. La molla elicoidale 14 può avere un primo terminale 14’ e un secondo terminale 14” per l’accoppiamento elettrico, ad es., alla circuiteria esterna al raccoglitore di energia 1.

La forma e/o la dimensione della molla elicoidale 14 possono variare secondo diverse forme di attuazione. Ad esempio, la molla elicoidale 14 può avere varie larghezze, lunghezze, distanze tra le spire, forma delle spire, ecc. In aggiunta o in alternativa, la molla elicoidale 14 può comprendere un mix di elementi a molla e spire deformabili.

In una o più forme di attuazione come esemplificate in figura 2, almeno un corpo (ad es., due corpi 12A, 12B) atto a muoversi per via di effetti inerziali può essere accoppiato meccanicamente (ad es., collegato, fissato) alla molla elicoidale 14, ad esempio con un primo corpo 12A accoppiato alla molla elicoidale 14 in prossimità della prima estremità 10A dell’involucro 10 e un secondo corpo 12B accoppiato alla molla elicoidale 14 in prossimità della seconda estremità 10B dell’involucro 10.

Quindi, in una o più forme di attuazione come esemplificate in figura 2, il movimento dei corpi 12A, 12B lungo l’asse longitudinale X10 può risultare nella deformazione della molla elicoidale 14 lungo l’asse longitudinale X10 (ad es., un movimento e/o una deformazione di almeno una spira della molla elicoidale 14). In presenza di un campo magnetico (non uniforme) all’interno dell’involucro 10, la deformazione e/o il movimento dell’avvolgimento elettrico 14 possono risultare in una variazione del flusso magnetico attraverso di esso, che a sua volta può risultare in una forza elettromotrice che viene prodotta attraverso l’avvolgimento elettrico 14 ai terminali 14’ e 14”. Di conseguenza, l’energia cinetica dei corpi 12A, 12B può essere raccolta almeno parzialmente utilizzando un trasduttore elettromagnetico.

In aggiunta, i trasduttori piezoelettrici 16A, 16B possono essere configurati per cooperare in una relazione di trasferimento di energia cinetica con i corpi 12A, 12B, ad es., raccogliendo energia cinetica in conseguenza degli urti dei corpi 12A, 12B contro i trasduttori piezoelettrici 16A, 16B. Si può scegliere un coefficiente elastico della molla elicoidale 14 in modo che, in presenza di vibrazioni del raccoglitore di energia 1 lungo la direzione longitudinale, il primo corpo 12A urti contro il primo trasduttore piezoelettrico 16A e il secondo corpo 12B urti contro il secondo trasduttore piezoelettrico 16B, in modo alternato, fornendo così mezzi per raccogliere l’energia cinetica dei corpi 12A, 12B tramite i trasduttori piezoelettrici 16A, 16B.

La regolazione del coefficiente elastico della molla elicoidale 14 può fornire la possibilità di regolare il funzionamento del raccoglitore di energia 1, ad es., in termini di rapporto tra l’energia raccolta per mezzo dei trasduttori piezoelettrici 16A, 16B e l’energia raccolta per mezzo dell’avvolgimento elettrico 14.

In una o più forme di attuazione (non visibili nelle figure qui annesse), un singolo corpo 12 può essere accoppiato meccanicamente (ad es., collegato, fissato) alla molla elicoidale 14, con tale singolo corpo 12 che urta possibilmente sia contro il primo trasduttore piezoelettrico 16A (ad es., in un primo lato del corpo 12 che affaccia verso la prima estremità 10A dell’involucro) sia contro il secondo trasduttore piezoelettrico 16B (ad es., in un secondo lato del corpo 12, opposto al primo lato del corpo 12 e che affaccia verso la seconda estremità 10B).

La figura 3 è un diagramma a blocchi circuitale esemplificativo di un dispositivo 3 secondo una o più forme di attuazione e comprendente un raccoglitore di energia 1 come esemplificato in figura 1 o figura 2.

Il dispositivo 3 può comprendere un circuito raddrizzatore 30 accoppiato ad almeno un avvolgimento elettrico 14 e ad almeno un trasduttore piezoelettrico 16A, 16B nel raccoglitore di energia 1. Il circuito raddrizzatore 30 può essere configurato per raddrizzare una tensione generata dall’avvolgimento elettrico 14 e una tensione generata dall’almeno un trasduttore piezoelettrico 16A, 16B, fornendo così una tensione raddrizzata di uscita Vstor ad un componente di immagazzinamento di energia Cstor quale un condensatore per immagazzinare in esso energia.

In particolare, il circuito raddrizzatore 30 può comprendere:

- un primo dispositivo raddrizzatore a ponte (ad es., un ponte a diodi) configurato per l’accoppiamento ai terminali 14’ e 14” dell’avvolgimento elettrico 14,

- un secondo dispositivo raddrizzatore a ponte configurato per l’accoppiamento ai terminali 16A’ e 16A” del primo trasduttore piezoelettrico 16A, e

- opzionalmente, nel caso in cui un secondo trasduttore piezoelettrico 16B sia compreso nel raccoglitore di energia 1, un terzo dispositivo raddrizzatore a ponte configurato per l’accoppiamento ai terminali 16B’ e 16B”.

Le porte di uscita del primo, del secondo e del terzo dispositivo raddrizzatore a ponte, ad esempio, possono essere elettricamente accoppiate in serie in modo da fornire al condensatore di immagazzinamento Cstor una tensione raddrizzata Vstor uguale alla somma delle tensioni raddrizzate prodotte dall’avvolgimento elettrico 14, dal primo trasduttore piezoelettrico 16A e opzionalmente dal secondo trasduttore piezoelettrico 16B.

Il dispositivo 3 può comprendere un circuito di gestione della potenza 32 configurato per rilevare una tensione Vstor sul condensatore di immagazzinamento Cstor e per fornire energia dal condensatore di immagazzinamento Cstor a una circuiteria di elaborazione 34, 36 accoppiata all’uscita del circuito di gestione della potenza 32, forndendo ad esso una tensione di alimentazione Vdd.

Preferibilmente, come risultato del fatto che la tensione Vstor sul condensatore di immagazzinamento Cstor diminuisce ad una soglia inferiore VL, il trasferimento di energia dal condensatore di immagazzinamento Cstor alla circuiteria di elaborazione 34, 36 può essere disattivato, e come risultato del fatto che la tensione Vstor aumenta ad una soglia superiore VH, il trasferimento di energia dal condensatore di immagazzinamento Cstor alla circuiteria di elaborazione 34, 36 può essere attivato.

Quindi, le tensioni Vstor e Vdd in un dispositivo 3 come qui esemplificato possono avere un comportamento temporale come esemplificato in figura 4, in cui la tensione Vstor è illustrata con una linea continua e la tensione Vdd è illustrata con una linea punteggiata.

Al tempo t0, con la tensione Vstor che è bassa quanto la soglia inferiore VL, il trasferimento di energia attraverso il circuito di gestione della potenza 32 può essere disattivato e la tensione di uscita Vdd del circuito di gestione della potenza 32 può essere uguale a zero. Nel caso in cui il raccoglitore di energia 1 sia soggetto a vibrazioni, l’energia può essere raccolta ed immagazzinata nel condensatore di immagazzinamento Cstor attraverso la circuiteria di raddrizzamento 30, risultando così nella tensione Vstor che aumenta.

Come risultato del fatto che la tensione Vstor raggiunge la soglia superiore VH al tempo t1, il trasferimento di energia attraverso il circuito di gestione della potenza 32 può essere attivato, con Vdd che è uguale a Vstor e che diminuisce nel tempo per via della potenza richiesta per il funzionamento della circuiteria di elaborazione 34, 36, sino a che non si raggiunge nuovamente la soglia inferiore VL al tempo t2.

In particolare, la circuiteria di elaborazione può comprendere un microcontrollore 34 e un circuito sensore 36, con il circuito sensore 36 configurato per:

- misurare un intervallo di tempo tburst che trascorre tra un’attivazione e una disattivazione (ad es., successiva) del trasferimento di energia dal condensatore di immagazzinamento Cstor alla circuiteria di elaborazione 34, 36, e

- generare un segnale di uscita indicativo di un parametro di movimento (ad es., una quantità di movimento o una quantità di vibrazioni) del corpo mobile 12 nel raccoglitore di energia 1 in funzione dell’intervallo di tempo misurato tburst.

Quindi, un dispositivo 3 come esemplificato in figura 3 può fornire la possibilità di eseguire una misurazione della quantità di vibrazioni nell’ambiente dove è posto il raccoglitore di energia 1, sfruttando allo stesso tempo l’energia vibrazionale come una fonte di energia per il funzionamento del dispositivo stesso.

Come qui esemplificato, un raccoglitore di energia (ad es., 1) può comprendere:

- un involucro tubolare allungato (ad es., 10) che si estende attorno ad un asse longitudinale (ad es., X10) tra una prima (ad es., 10A) e una seconda (ad es., 10B) estremità opposte dell’involucro,

- almeno un corpo (ad es., 12; 12A, 12B) disposto nell’involucro, e

- almeno un avvolgimento elettrico elicoidale (ad es., 14) avvolto attorno all’asse longitudinale dell’involucro.

Come qui esemplificato, l’almeno un corpo può essere disposto nell’involucro, mobile di un movimento alternato dalla prima estremità verso la seconda estremità e dalla seconda estremità verso la prima estremità lungo l’asse longitudinale dell’involucro, per produrre una forza elettromotrice nell’almeno un avvolgimento elettrico elicoidale come risultato di detto movimento alternato, e almeno una tra la prima e la seconda estremità opposte dell’involucro può comprendere un trasduttore piezoelettrico (ad es., 16A, 16B) configurato per cooperare in una relazione di trasferimento di energia cinetica con l’almeno un corpo come risultato del fatto che l’almeno un corpo raggiunge in detto movimento alternato una posizione di fine corsa verso il trasduttore piezoelettrico, in cui è prodotta una tensione elettrica nel trasduttore piezoelettrico.

Come qui esemplificato, sia la prima sia la seconda estremità opposte dell’involucro possono comprendere un rispettivo trasduttore piezoelettrico configurato per cooperare in una relazione di trasferimento di energia cinetica con l’almeno un corpo come risultato del fatto che l’almeno un corpo raggiunge in detto movimento alternato una posizione di fine corsa verso la prima estremità, rispettivamente la seconda estremità, dell’involucro, in cui è prodotta una tensione elettrica nei rispettivi trasduttori piezoelettrici.

Come qui esemplificato, un raccoglitore di energia può comprendere una struttura di guida (ad es., 18) lungo l’asse longitudinale dell’involucro, e l’almeno un corpo può essere accoppiato in modo scorrevole alla struttura di guida per facilitare il movimento alternato dalla prima estremità verso la seconda estremità e dalla seconda estremità verso la prima estremità lungo l’asse longitudinale dell’involucro.

Come qui esemplificato, un raccoglitore di energia può comprendere formazioni d’urto (ad es., 120A, 120B) che sporgono dalla prima e dalla seconda estremità dell’involucro e configurate per essere urtate dall’almeno un corpo come risultato del fatto che l’almeno un corpo raggiunge posizioni di fine corsa in detto movimento alternato.

Come qui esemplificato, l’almeno un corpo disposto nell’involucro può comprendere un magnete, preferibilmente un magnete avente una polarizzazione magnetica parallela all’asse longitudinale dell’involucro.

Come qui esemplificato, un primo (ad es., 122A) e un secondo (ad es., 122B) ulteriori magneti possono essere forniti disposti rispettivamente alla prima e alla seconda estremità dell’involucro, detto primo e secondo ulteriori magneti aventi polarizzazioni magnetiche opposte alla polarizzazione magnetica di detto magnete per contrastare l’urto dell’almeno un corpo contro le formazioni d’urto.

Come qui esemplificato, l’almeno un avvolgimento elettrico elicoidale può essere avvolto sopra l’involucro tubolare allungato. Ad esempio, l’avvolgimento elettrico può essere avvolto attorno alla superficie esterna dell’involucro, o su una superficie interna dell’involucro.

Come qui esemplificato, l’almeno un avvolgimento elettrico elicoidale avvolto attorno all’asse longitudinale dell’involucro può comprendere una molla elicoidale di materiale elettricamente conduttivo disposta nell’involucro tra la prima estremità e la seconda estremità dell’involucro, e l’almeno un corpo può essere meccanicamente accoppiato alla molla elicoidale, in modo che il movimento alternato dell’almeno un corpo lungo l’asse longitudinale dell’involucro risulti nel movimento di almeno una spira della molla elicoidale lungo l’asse longitudinale per produrre una forza elettromotrice nell’almeno una molla elicoidale.

Come qui esemplificato, l’involucro può comprendere materiale magnetico per generare un campo magnetico all’interno dell’involucro, preferibilmente un campo magnetico non uniforme.

Come qui esemplificato, un raccoglitore di energia può comprendere una pluralità di detti corpi meccanicamente accoppiati alla molla elicoidale, in modo che il movimento alternato di detta pluralità di corpi dalla prima estremità verso la seconda estremità e dalla seconda estremità verso la prima estremità lungo l’asse longitudinale dell’involucro risulti nel movimento di rispettive spire della molla elicoidale lungo l’asse longitudinale per produrre una forza elettromotrice nella molla elicoidale.

Come qui esemplificato, un dispositivo (ad es., 3) può comprendere:

- un raccoglitore di energia secondo una o più forme di attuazione, e

- un circuito raddrizzatore (ad es., 30) accoppiato all’almeno un avvolgimento elettrico elicoidale e all’almeno un trasduttore piezoelettrico nel raccoglitore di energia, il circuito raddrizzatore configurato per raddrizzare una tensione generata dall’almeno un avvolgimento elettrico e una tensione generata dall’almeno un trasduttore piezoelettrico, fornendo così una tensione raddrizzata di uscita (ad es., Vstor) a un componente di immagazzinamento di energia (ad es., Cstor), ad esempio un condensatore di immagazzinamento, per immagazzinare energia elettrica in esso.

Come qui esemplificato, un dispositivo può comprendere un circuito di gestione della potenza (ad es., 32) configurato per rilevare una tensione sul componente di immagazzinamento di energia e per fornire energia dal componente di immagazzinamento di energia a una circuiteria di elaborazione (ad es., 34, 36) accoppiata all’uscita del circuito di gestione della potenza, in cui il circuito di gestione della potenza (32) è configurato per:

- attivare il trasferimento di energia dal componente di immagazzinamento di energia alla circuiteria di elaborazione come risultato del fatto che la tensione sul componente di immagazzinamento di energia aumenta ad una soglia superiore (ad es., VH), e

- disattivare il trasferimento di energia dal componente di immagazzinamento di energia alla circuiteria di elaborazione dopo un intervallo di tempo (ad es., tburst) dall’attivazione di detto trasferimento di energia.

Come qui esemplificato, il circuito di gestione della potenza può essere configurato per disattivare il trasferimento di energia dal componente di immagazzinamento di energia alla circuiteria di elaborazione come risultato del fatto che la tensione attraverso il componente di immagazzinamento di energia diminuisce ad una soglia inferiore (ad es., VL).

Come qui esemplificato, la circuiteria di elaborazione può comprendere un circuito sensore (ad es., 36) configurato per:

- misurare l’intervallo di tempo che trascorre tra un’attivazione ed una successiva disattivazione del trasferimento di energia dal componente di immagazzinamento di energia alla circuiteria di elaborazione, e

- generare un segnale di uscita indicativo di un parametro di movimento, ad es. una quantità di vibrazioni, di detto almeno un corpo nel raccoglitore di energia in funzione dell’intervallo di tempo misurato.

Senza pregiudizio per i principi sottostanti, i dettagli e forme di attuazione possono variare, anche in modo significativo, rispetto a ciò che è stato descritto solo a titolo di esempio, senza discostarsi dall’ambito di protezione.

L’ambito di protezione è definito dalle rivendicazioni annesse.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Raccoglitore di energia (1), comprendente: - un involucro tubolare allungato (10) che si estende attorno a un asse longitudinale (X10) tra una prima (10A) e una seconda (10B) estremità opposte dell’involucro (10), - almeno un corpo (12; 12A, 12B) disposto nell’involucro (10), e - almeno un avvolgimento elettrico elicoidale (14) avvolto attorno all’asse longitudinale (X10) dell’involucro (10), in cui: - l’almeno un corpo (12; 12A, 12B) è disposto nell’involucro (10) mobile di un movimento alternato dalla prima estremità (10A) verso la seconda estremità (10B) e dalla seconda estremità (10B) verso la prima estremità (10A) lungo l’asse longitudinale (X10) dell’involucro (10) per produrre una forza elettromotrice nell’almeno un avvolgimento elettrico elicoidale (14) come risultato di detto movimento alternato, e - almeno una tra la prima (10A) e la seconda (10B) estremità opposte dell’involucro (10) comprende un trasduttore piezoelettrico (16A, 16B) configurato per cooperare in una relazione di trasferimento di energia cinetica con l’almeno un corpo (12; 12A, 12B) come risultato del fatto che l’almeno un corpo raggiunge in detto movimento alternato una posizione di fine corsa verso il trasduttore piezoelettrico (16A, 16B), in cui una tensione elettrica è prodotta nel trasduttore piezoelettrico (16A, 16B).
2. Raccoglitore di energia (1) secondo la rivendicazione 1, in cui ciasuna tra la prima (10A) e la seconda (10B) estremità opposte dell’involucro (10) comprende un rispettivo trasduttore piezoelettrico (16A, 16B) configurato per cooperare in una relazione di trasferimento di energia cinetica con l’almeno un corpo (12; 12A, 12B) come risultato del fatto che l’almeno un corpo raggiunge in detto movimento alternato una posizione di fine corsa verso la prima estremità (10A), rispettivamente la seconda estremità (10B), dell’involucro (10), in cui una tensione elettrica è prodotta in detti rispettivi trasduttori piezoelettrici (16A, 16B).
3. Raccoglitore di energia (1) secondo la rivendicazione 1 o rivendicazione 2, comprendente una struttura di guida (18) lungo detto asse longitudinale (X10) dell’involucro (10), in cui l’almeno un corpo (12; 12A, 12B) è accoppiato in modo scorrevole alla struttura di guida (18) per facilitare il movimento alternato dalla prima estremità (10A) verso la seconda estremità (10B) e dalla seconda estremità (10B) verso la prima estremità (10A) lungo l’asse longitudinale (X10) dell’involucro (10).
4. Raccoglitore di energia (1) secondo qualsiasi di qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente formazioni d’urto (120A, 120B) che sporgono dalla prima (10A) e dalla seconda (10B) estremità dell’involucro (10) e configurate per essere urtate dall’almeno un corpo (12; 12A, 12B) come risultato del fatto che l’almeno un corpo raggiunge posizioni di fine corsa in detto movimento alternato.
5. Raccoglitore di energia (1) secondo qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’almeno un corpo (12) disposto nell’involucro (10) comprende un magnete, preferibilmente un magnete avente una polarizzazione magnetica parallela all’asse longitudinale (X10) dell’involucro (10).
6. Raccoglitore di energia (1) secondo le rivendicazioni 4 e 5, in cui un primo (122A) e un secondo (122B) ulteriori magneti sono forniti disposti rispettivamente in corrispondenza della prima (10A) e della seconda (10B) estremità dell’involucro (10), detto primo (122A) e secondo (122B) ulteriori magneti aventi polarizzazioni magnetiche opposte alla polarizzazione magnetica di detto magnete per contrastare l’urto di detto almeno un corpo (12) contro dette formazioni d’urto (120A, 120B).
7. Raccoglitore di energia (1) secondo qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’almeno un avvolgimento elettrico elicoidale (14) è avvolto sull’involucro tubolare allungato (10).
8. Raccoglitore di energia (1) secondo qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 4, in cui: - l’almeno un avvolgimento elettrico elicoidale (14) avvolto attorno all’asse longitudinale (X10) dell’involucro (10) comprende una molla elicoidale di materiale elettricamente conduttivo disposta nell’involucro (10) tra la prima estremità (10A) e la seconda estremità (10B) dell’involucro (10), e - l’almeno un corpo (12A, 12B) è meccanicamente accoppiato a detta molla elicoidale (14), in cui detto movimento alternato di detto almeno un corpo (12A, 12B) dalla prima estremità (10A) verso la seconda estremità (10B) e dalla seconda estremità (10B) verso la prima estremità (10A) lungo l’asse longitudinale (X10) dell’involucro (10) risulta nel movimento di almeno una spira di detta molla elicoidale (14) lungo detto asse longitudinale (X10) per produrre una forza elettromotrice nell’almeno una molla elicoidale (14).
9. Raccoglitore di energia (1) secondo la rivendicazione 8, in cui l’involucro (10) comprende materiale magnetico per generare un campo magnetico all’interno dell’involucro (10), preferibilmente un campo magnetico non uniforme.
10. Raccoglitore di energia (1) secondo la rivendicazione 8 o rivendicazione 9, comprendente una pluralità di detti corpi (12A, 12B) meccanicamente accoppiati a detta molla elicoidale (14), in cui detto movimento alternato di detta pluralità di corpi (12A, 12B) dalla prima estremità (10A) verso la seconda estremità (10B) e dalla seconda estremità (10B) verso la prima estremità (10A) lungo l’asse longitudinale (X10) dell’involucro (10) risulta nel movimento di rispettive spire di detta molla elicoidale (14) lungo detto asse longitudinale (X10) per produrre una forza elettromotrice nella molla elicoidale (14).
11. Dispositivo (3) comprendente: - un raccoglitore di energia (1) secondo qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 10, e - un circuito raddrizzatore (30) accoppiato all’almeno un avvolgimento elettrico elicoidale (14) e all’almeno un trasduttore piezoelettrico (16A, 16B) nel raccoglitore di energia (1), il circuito raddrizzatore (30) configurato per raddrizzare una tensione generata da detto almeno un avvolgimento elettrico (14) e una tensione generata da detto almeno un trasduttore piezoelettrico (16A, 16B), fornendo così una tensione raddrizzata di uscita (Vstor) a un componente di immagazzinamento di energia (Cstor) per immagazzinare energia elettrica in esso.
12. Dispositivo (3) secondo la rivendicazione 11, comprendente: - un circuito di gestione della potenza (32) configurato per rilevare una tensione (Vstor) sul componente di immagazzinamento di energia (Cstor) e per fornire energia dal componente di immagazzinamento di energia (Cstor) a una circuiteria di elaborazione (34, 36) accoppiata all’uscita del circuito di gestione della potenza (32), in cui il circuito di gestione della potenza (32) è configurato per: - attivare il trasferimento di energia dal componente di immagazzinamento di energia (Cstor) alla circuiteria di elaborazione (34, 36) come risultato del fatto che detta tensione (Vstor) sul componente di immagazzinamento di energia (Cstor) aumenta ad una soglia superiore (VH), e - disattivare il trasferimento di energia dal componente di immagazzinamento di energia (Cstor) alla circuiteria di elaborazione (34, 36) dopo un intervallo di tempo (tburst) dall’attivazione di detto trasferimento di energia.
13. Dispositivo (3) secondo la rivendicazione 12, in cui il circuito di gestione della potenza (32) è configurato per disattivare il trasferimento di energia dal componente di immagazzinamento di energia (Cstor) alla circuiteria di elaborazione (34, 36) come risultato del fatto che detta tensione (Vstor) sul componente di immagazzinamento di energia (Cstor) diminuisce ad una soglia inferiore (VL).
14. Dispositivo (3) secondo la rivendicazione 12 o rivendicazione 13, in cui la circuiteria di elaborazione (34, 36) comprende un circuito sensore (36) configurato per: - misurare l’intervallo di tempo (tburst) che trascorre tra un’attivazione e una successiva disattivazione del trasferimento di energia dal componente di immagazzinamento di energia (Cstor) alla circuiteria di elaborazione (34, 36), e - generare un segnale di uscita indicativo di un parametro di movimento di detto almeno un corpo (12; 12A, 12B) nel raccoglitore di energia (1) in funzione di detto intervallo di tempo misurato (tburst).