La presente invención se relaciona con la industria de la generación de energías limpias. En particular, la presente invención se relaciona con un dispositivo y método de extracción de energía, que maximiza la generación de voltaje, a partir de vibraciones, en un rango preferido de 0,05 Hz hasta 1 KHz que provienen de diversas fuentes, como por ejemplo: vehículos en movimiento, objetos flotantes movidos por las olas del mar, río o lago, estructuras de edificios que vibran a causa de máquinas funcionando en el interior, personas en movimiento, animales en movimiento, máquinas en funcionamiento, entre otras fuentes de movimiento.

El presente dispositivo y método tiene aplicación en sistemas que requieren alimentación eléctrica autónoma, por ejemplo en la instalación de sensores remotos en puntos críticos, de difícil o riesgoso acceso, además es útil para alimentar o cargar eléctricamente dispositivos que están lejanos de las redes eléctricas o sin acceso a éstas.

En particular se relaciona con un dispositivo y método que incorpora un péndulo horizontal en cuyo extremo se monta un imán que oscila con respecto a una bobina, en donde el dispositivo y método están diseñados para ajustar dinámicamente los parámetros de operación para maximizar la extracción de energía, independientemente de la frecuencia de trabajo en la que se encuentre y la cantidad de energía disponible.

ESTADO DEL ARTE

En la industria se emplean rutinariamente sensores para monitorear la operación de equipos de producción u otros. Muchas veces estos sensores se deben instalar en lugares remotos, de difícil acceso y donde existen riesgos para la presencia humana, para la medición de parámetros claves del funcionamiento de la máquina a medir. Cabe mencionar que una medición correcta de algún parámetro determinado en un punto específico, puede dar información útil para evitar accidentes, desgaste prematuro de materiales y/o aumento de consumo energético de máquina que está en funcionamiento. Similar situación ocurre con algunos equipos de comunicaciones y monitoreo de variables meteorológicas, sísmicas, entre otras. Uno de los problemas más recurrentes en estos casos es el de la alimentación eléctrica de los sensores, y para solucionarlo se emplean baterías o bien conexión a red eléctrica. En el caso de las baterías, estas se descargan y es necesario estar reponiéndolas constantemente, lo que muchas veces no es posible por la ubicación del sensor o las condiciones de funcionamiento de la maquinaria, tales como ambientes corrosivos, temperaturas extremas (altas o bajas), etc. En el caso de conexión a red eléctrica se requiere mantener el cable de alimentación constantemente operativo en un ambiente que puede ser hostil, por lo que las desconexiones pueden ser frecuentes, es más, si dichos cables son cortados por cizalle, pueden generarse chispas no deseadas en ambientes donde existen vapores o gases combustibles.

No pocas veces, el costo y/o el riesgo de reponer la batería o reparar la línea de red eléctrica de alimentación, hace que estos sistemas queden inutilizados prematuramente perdiéndose el objetivo original para el cual fueron instalados. Esto ocurre particularmente en industrias tales como la minería, telecomunicaciones, química, forestal, salmonicultura, agricultura, entre otras.

Por otro lado, muchas veces los usuarios de equipos electrónicos móviles requieren constantemente cargarlos y muchas veces no se encuentra disponible el suministro eléctrico para efectuar dicha carga, por lo que para un usuario de equipos electrónicos móviles es importante contar con un equipo de generación eléctrica para cargar dichos equipos, independientemente del lugar donde se encuentren. Los equipos electrónicos móviles pueden ser computadores personales, teléfonos inteligentes, tabletas, GPS, entre otros.

En la actualidad existen divulgaciones de dispositivos para la generación de energía eléctrica, entre ellos está la solicitud internacional WO 2015/051427 A1 que describe un dispositivo para la generación de energía eléctrica por medio de un mecanismo que tiene un movimiento pendular que consta de un generador de energía eléctrica que utiliza un brazo con un extremo conectado a la cabeza de la viga principal de un mecanismo que posee un movimiento pendular, y el extremo opuesto conectado a un cigüeñal en un punto excéntrico de un disco, que cuando gira, transfiere por medio del movimiento pendular una fuerza radial al conjunto que comprende un aumentador de velocidad y un alternador o dínamo, pero dicho equipo no logra maximizar la obtención de energía eléctrica, proveniente de vibraciones mecánicas, ya que este dispositivo no entra en resonancia.

Otra divulgación es la solicitud internacional WO 2012/096289 A que describe un dispositivo electrónico que comprende: un generador de energía; una fuente de alimentación (batería secundaria), para almacenar electricidad generada por el generador de energía; y una unidad de procesamiento (circuito de carga) accionado por la electricidad suministrada desde la unidad de fuente de alimentación. El generador de energía incluye una parte de resorte, una porción de generación de energía formada usando un material magnetoestrictivo, y un condensador. La parte de resorte almacena la fuerza por la vibración, al ser actuado por el operador, o por energía eólica. La porción de generación de energía genera electricidad por la fuerza almacenada en la parte de resorte cuando la fuerza no se aplica al material magnetoestrictivo, pero dicho equipo no logra maximizar la obtención de energía eléctrica, proveniente de vibraciones mecánicas, ya que este dispositivo no entra en resonancia, ni el imán está en su punto medio en la horizontal.

La presente invención tiene por objetivo proveer un dispositivo y método de recolección u obtención de energía proveniente de vibraciones para la generación de energía eléctrica, por ejemplo, para que uno o más sensores puedan funcionar en forma autónoma y logren trasmitir la información captada en forma inalámbrica. Los consumos eléctricos de una amplia gama de sensores es inferior a 10 Watt, por ello se considera suficiente proveer potencias de este orden. El presente dispositivo y método es configurable a los requerimientos de energía solicitada para extraer mayores potencias, tales como 0,1 KWatt. En específico, el presente dispositivo y método aborda la alimentación de sensores y equipos de comunicación a partir de la extracción de energía proveniente de vibraciones. Esta energía se puede extraer desde equipos móviles, tales como vehículos, maquinaria pesada, también desde estructuras sometidas a vibración o sobre olas, o de personas o animales en movimiento, lo que permite instalar sistemas de sensores independientes en estas aplicaciones sin necesidad de intervenir equipos existentes, debido a que cada sistema de sensores o de comunicación está asociado a un dispositivo capaz de generar, por sí mismo, la energía que necesitan para operar.

Las fuentes de vibración que el dispositivo y método pueden aprovechar son múltiples y sin limitación, se puede indicar, por ejemplo, vehículos en movimiento (ya sea de carga, de pasajeros, o tracción humana), objetos flotando en líquidos en movimiento, por ejemplo el agua que se desplaza en un río, estructuras de edificios vibrando por máquinas funcionando en el interior, personas en movimiento, animales en movimiento, entre otras fuentes de vibraciones.

La energía de vibraciones disponible en vehículos, es esencialmente de frecuencia variable, ya que depende esencialmente de la velocidad del vehículo y de la irregularidad del camino que se recorre, por lo que es necesario que el sistema de extracción de energía se ajuste y así optimice la obtención de energía eléctrica. Las frecuencias en motores eléctricos, vehículos, grandes estructuras soportantes sometidas a vibración proveniente de vibraciones mecánicas, se dan en un rango preferido de 0,05 Hz hasta 1 KHz. Por la naturaleza de la actividad y el requerimiento de un monitoreo continuo de máquinas, el sistema de alimentación eléctrica de los módulos de monitoreo, o sistema de sensores, debe satisfacer las siguientes restricciones:

La alimentación debe ser en lo posible totalmente independiente del sistema eléctrico de la máquina monitoreada, con tal de no interferir en su funcionamiento.

Rápido de instalar y autónomo, por el restringido acceso a los vehículos y/o maquinaria cuando se encuentran en operación. Por esta razón, utilizar baterías se hace poco viable puesto que requieren reemplazo o recarga periódica.

El sistema debe ser robusto, ya que debe de estar operativo por largos períodos de tiempo sin mantenimiento y sin fallar, e incluso debe soportar las duras condiciones de operación a las que será sometido, estas duras condiciones de funcionamiento de refieren a: ambientes polvorientos, altas temperaturas hasta 50°C o más, bajas temperaturas hasta - 30°C o menos, ambientes salinos, ambientes corrosivos, lugares con riesgo eléctrico, tales como centrales eléctricas, subestaciones eléctricas, ambientes con humedad mayor al 60% de humedad relativa, entre otros.

El consumo requerido por los módulos de monitoreo, para adquirir y transmitir las mediciones obtenidas de manera continua es de poca potencia, del orden de 1 a 100 Watts, típicamente de 1 a 25 Watts. Para este rango de potencia los dispositivos electromecánicos presentan ventajas respecto, por ejemplo, a dispositivos piezoeléctricos.

SOLUCIÓN AL PROBLEMA TÉCNICO

Para subsanar el problema planteado, se presenta un dispositivo electromecánico y el método de cálculo de sus componentes para la máxima obtención de energía eléctrica proveniente de vibraciones mecánicas, en un rango preferido de 0,05 Hz hasta 1 KHz. Este dispositivo logra lo siguiente: a) mantiene centrada la oscilación de un imán respecto del borde de una bobina para maximizar la generación de voltaje, b) ajusta dinámicamente la frecuencia natural propia para entrar en resonancia mecánica con la frecuencia de excitación externa, y c) asegura que la amplitud de la oscilación se mantiene dentro de los límites del espacio disponible sin colisiones entre sus partes. Con estas tres funcionalidades se maximiza la extracción de energía con el objeto de proveer energía eléctrica para dispositivos eléctricos y/o electrónicos.

DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA INVENCIÓN

La presente invención corresponde a un dispositivo y método de obtención de energía, para generar energía eléctrica proveniente de vibraciones mecánicas, en un rango preferido de 0,05 Hz hasta 1 KHz, cuya configuración consiste en un péndulo horizontal pivoteado en un primer extremo y soportado en un punto intermedio por un resorte, cuyo efecto restitutivo permite la oscilación angular del péndulo; en el extremo libre del péndulo se monta un imán, que por la oscilación del péndulo se introduce cíclicamente dentro de una bobina, induciendo un voltaje alterno entre los bornes de ella en virtud de la Ley de Faraday. Al estar el péndulo en posición de equilibrio horizontal, el imán queda centrado en el extremo superior de la bobina.

El dispositivo incluye una masa móvil cuya posición en la dirección longitudinal del péndulo es controlada usando un actuador lineal, lo que permite ajustar la frecuencia natural del dispositivo a la frecuencia de excitación externa para entrar en resonancia mecánica. Mientras eso sucede, el conjunto bobina-imán opone una fuerza proporcional a la velocidad del imán, produciendo un efecto equivalente al de un amortiguador que limita la amplitud de las oscilaciones del péndulo a la vez que genera energía eléctrica.

Para que la oscilación del péndulo se mantenga centrada en torno a la horizontal, independiente de la posición de la masa móvil, el resorte tiene un extremo de precarga unido a un mecanismo de ajuste de la precompresión del resorte. Dicho mecanismo consiste en una guía inclinada o ranura solidaria al desplazamiento de la masa móvil y un elemento deslizante, que acopla con la ranura, dispuesto en el extremo de precarga del resorte.

Finalmente, el dispositivo incluye un elemento de control que regula la carga eléctrica suministrada para que la oscilación del péndulo se mantenga dentro de los límites de espacio disponible en el dispositivo, correspondientes a un rango angular preestablecido, y un método que ajusta dinámicamente la frecuencia natural del dispositivo, ajusta simultáneamente la posición de equilibrio del imán con respecto a la bobina, y limita la amplitud de la oscilación del péndulo dentro de los límites establecidos.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La Figura 1 muestra una representación esquemática de un sistema formado por una masa, un amortiguador y un resorte, equivalente en términos teóricos a la presente invención.

La Figura 2 muestra un esquema ilustrativo de la interacción bobina con un imán, el cual está centrado respecto de la bobina.

La Figura 3 muestra un esquema ilustrativo de la interacción bobina centrada con un imán.

La Figura 4 muestra un esquema ilustrativo de la interacción bobina con un par de imanes, los cuales están centrados respecto de la bobina.

La Figura 5 muestra la variación de la constante ΚΦ en función de la posición del imán respecto de la bobina. La Figura 6 muestra un diagrama esquemático de la presente invención.

La Figura 7 muestra un diagrama de cuerpo libre para el dispositivo de la figura anterior.

La Figura 8 muestra una vista en perspectiva del dispositivo construido en una configuración preferente de la presente invención.

La Figura 9 muestra una vista en planta del dispositivo construido en una configuración preferente de la presente invención y las flechas muestran el desplazamiento del actuador.

La Figura 10 muestra una vista superior del dispositivo construido en una configuración preferente de la presente invención.

La Figura 1 1 muestra valores medidos de amplitud de oscilación y de voltaje inducido por el dispositivo fabricado cuando se sometió a una excitación externa, consistente en un impulso. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

El presente dispositivo y método transforma la energía mecánica de vibraciones en energía eléctrica empleando una configuración cinemática para mover un imán por dentro de una bobina eléctrica cilindrica y obtener una máxima conversión de energía. El movimiento relativo del imán induce un voltaje en la bobina que puede alimentar una carga eléctrica, por ejemplo cargar una batería. El efecto del movimiento del imán relativo a la bobina se puede modelar como un amortiguador, donde la energía eléctrica extraída es equivalente a la energía disipada por el amortiguador.

El modelo matemático de la dinámica del dispositivo y de sus características electromecánicas permite simular computacionalmente el dispositivo y así determinar los parámetros de diseño óptimos para una aplicación particular.

Extracción de energía por medio de un amortiguador

Al montar un dispositivo formado por una masa m (2), un amortiguador c (3) y un resorte k (4) (en adelante sistema MAR) sobre un objeto que está vibrando, se puede extraer energía a través del amortiguador. Para extraer la máxima energía por medio del amortiguador (3) es necesario que la frecuencia natural del sistema sea igual a la frecuencia de excitación Esto se demuestra usando como referencia a la Figura 1 , en donde se muestra el dispositivo simplificado para extraer energía desde una fuente de vibración (1 ), con a través del amortiguador (3) de constante La frecuencia de la fuente de vibración es y la amplitud es La respuesta del sistema de recolector de energía es:

donde:

La potencia instantánea disipada en el amortiguador (3) del dispositivo de obtención de energía es:

Por derivación tenemos que,

Luego la potencia instantánea obtenida en el amortiguador (3) es

Es posible demostrar por tanto que la potencia efectiva media cosechada por el amortiguador es:

De la expresión anterior claramente se deduce que la potencia media efectiva es máxima cuando: es decir cuando,

Pero la frecuencia natural del sistema es justamente: Luego para una máxima extracción de potencia se tiene que cumplir que:

En tal caso tenemos la ocurrencia de resonancia, de modo que en resonancia:

Por otra parte tenemos que la amplitud del movimiento debe estar limitada por espacio disponible a un valor de diseño por lo tanto:

En resonancia tenemos entonces que el amortiguador debe tener el siguiente valor mínimo:

Es decir que para que la oscilación se mantenga dentro del límite de espacio disponible existe un valor mínimo de la constante de amortiguación, dado por la expresión anterior. En tal caso, la máxima potencia que se puede extraer desde un sistema básico MAR a través de un amortiguador es:

La expresión anterior considera que el sistema entra en resonancia, que la magnitud de la oscilación relativa del imán se mantiene dentro del límite dado por y que para ello se usa un amortiguador cuya constante está dada por la expresión indicada previamente.

Conversión electromecánica en amortiguador

Analicemos a continuación la conversión electromecánica en un amortiguador que se compone de una bobina eléctrica (5) y de un imán (7) que se desplaza relativo a ésta, tal como se muestra en la Figura 2.

La magnitud del voltaje generado entre los bornes (6) de la bobina está dado por la siguiente expresión: En este caso particular tenemos que no es constante sino que depende de la posición instantánea del imán (7) dentro de la bobina (5), es decir:

La Figura 3 muestra la variación del valor de en función de la posición del imán relativa al borde de la bobina.

Por otra parte, nótese que para cargar una batería de voltaje es necesario que:

La expresión anterior indica que para facilitar cargar una batería es conveniente que el valor de sea alto, ya que con ello se puede cargar ef ic i e n te m e n te la batería incluso con bajos niveles de vibración. En el caso de altos niveles de vibración se puede ajustar sin gran dificultad en forma electrónica el valor del voltaje efectivo del recolector de energía para cargar la batería, por ejemplo mediante un convertidor buck que es un convertidor de voltaje DC-DC.

La magnitud del voltaje generado en la bobina es máxima cuando el movimiento del imán está centrado respecto del borde de la bobina, pues así se maximiza el flujo magnético que corta las espiras de la bobina.

Si el imán se mueve centrado alejado de la bobina, entonces el campo magnético que interactúa con las espiras de la bobina es cada vez más débil a medida que se aleja. Por otra parte, si el imán se mueve en un rango mayoritariamente al interior de la bobina el efecto del polo norte se anula parcialmente con el polo sur, hasta el punto de que si el imán se moviera siempre al interior de la bobina el voltaje inducido sería nulo.

La magnitud de la corriente que circula por la bobina cuando se conecta una resistencia eléctrica es (asumiendo que la inductancia propia en este caso es despreciable ya que el núcleo de la bobina, tratándose de aire posee esencialmente baja permeabilidad magnética):

Por conversión de energía, la fuerza que se opone al movimiento del imán está dada la siguiente expresión:

De este modo se llega a que la constante del amortiguador en función de las características electromecánicas del par bobina-imán es: En base al desarrollo anterior, la presente invención propone, para un mayor aprovechamiento de las fuentes de vibración, un dispositivo capaz de ajustar automáticamente su frecuencia natural y mantener la oscilación del imán (7) centrada en el borde (8) de la bobina (5), y dentro de los márgenes físicos del dispositivo. Esto es lo que se logra con el dispositivo propuesto que se describe a continuación.

La Figura 6 representa un sistema con una configuración cinemática que permite ajustar la frecuencia natural y mantener simultáneamente la oscilación del imán centrada en el extremo superior de la bobina. Posee una barra esbelta o péndulo (10) de masa m y momento de Inercia pivoteada en un pivote (1 1 ) en un extremo en un punto (A), lo que le permite oscilar angularmente respecto de este punto. La barra (10) está soportada en un segundo punto por un resorte (14) lineal, de constante de elasticidad K, cuyo efecto restitutivo permite la oscilación angular de la barra. Se asume que la oscilación de la barra tiene una amplitud de entre un 5 a un 25%, con relación a la longitud de la barra, por lo que la oscilación angular es menor a 15 ^o .

En el otro extremo de la barra (10) se monta un imán permanente (7), que por la oscilación de la barra (10), se introduce cíclicamente dentro una bobina (5), induciendo un voltaje alternativo en ella en virtud de la Ley de Faraday. En la Figura 6 se representa el conjunto imán-bobina (13) que es homólogo al amortiguador (3) de la Figura 1 .

Sobre la barra (10) se puede deslizar una masa móvil (17) (de masa M) movida por un actuador (22), como por ejemplo por un conjunto tornillo-motor eléctrico (que no se muestra en la Figura 6). El movimiento de la masa móvil (17) permite ajustar la frecuencia natural del sistema, ya que la inercia de rotación depende de la distancia de la masa al eje de rotación. Un objetivo crítico es que el movimiento de la barra (10) se mantenga centrado en posición horizontal, independiente de la posición de la masa móvil (17). Cuando la oscilación de la barra (10) se mantiene centrada con respecto a la posición horizontal, la extracción de energía en el amortiguador no lineal de parámetro c es significativamente mayor, ya que la magnitud del voltaje inducido es mayor. El comportamiento del conjunto bobina-imán (13) es equivalente al de un amortiguador que opone una fuerza proporcional a la velocidad del imán.

La frecuencia natural del sistema es:

Luego, como se aprecia en la fórmula anterior, la posición s de la masa móvil (17) permite ajustar la frecuencia natural del sistema. Para mantener centrado correctamente el movimiento de la barra o péndulo (10) se emplea un elemento deslizante (16), solidario a la masa móvil (17), guiado por una ranura (15) solidaria a la masa móvil (17), que comprime o descomprime el resorte (14) de constante K según sea la posición de la masa móvil (17). Con este ajuste de la pre-compresión del resorte (14), se logra mantener centrada la oscilación siempre con respecto al mismo punto, en donde la masa móvil se mueve longitudinalmente sobre la viga oscilatoria, la cual posee un apéndice solidario con una ranura oblicua. Dicho apéndice ranurado se desplaza horizontalmente junto con la masa móvil. El resorte del mecanismo está fijo en su extremo inferior a la base y está siempre obligado a mantenerse en orientación vertical. Su extremo superior está conectado a este apéndice ranurado y se posiciona verticalmente según sea la posición en que lo deja la masa móvil. De esta manera, al desplazarse la masa móvil, la extensión del resorte cambia, lo que a su vez cambia la fuerza que realiza el resorte contra la viga, manteniéndose una posición horizontal neutra de referencia.

Con referencia a la Figura 5, se presenta el diagrama de fuerzas para la posición de equilibrio estático de la invención.

Nótese que el amortiguador (13) no ejerce fuerza en el caso estático, es decir, no afecta la posición neutra de la barra (10). Tomando equilibrio de momentos respecto del punto A (17) tenemos:

es la longitud natural del resorte (14). La ranura (15) tiene la siguiente forma:

Luego,

Entonces para lograr que en equilibrio estático tenemos:

Luego, hay que mantener las siguientes relaciones en el dispositivo:

Por lo tanto para mantener la oscilación del imán siempre centrada en el borde de la bobina, la ranura se debe construir con los siguientes parámetros:

Como se muestra en las figuras 2, 3, 4, 6 a 10, el dispositivo de extracción de energía para la obtención de energía eléctrica a partir de vibraciones mecánicas, que maximiza la extracción de energía independientemente de la frecuencia de trabajo, comprende:

un chasis (9) en el cual se instala una estructura de soporte (12);

un péndulo horizontal (25) que comprende: una barra (10) en la cual se inserta en un extremo un pivote (1 1 ) y en el otro extremo un conjunto imán - bobina (13), el cual es unido pivotantemente a la estructura de soporte (12) a través del pivote (1 1 );

una masa móvil (17) se conecta de manera deslizante a la barra (10);

un resorte (14) se une en su parte inferior con el chasis (9) y en su parte superior se conecta operativamente con la masa móvil (17), en donde el resorte (14) soporta el péndulo horizontal (25) en un punto intermedio y permite la oscilación angular de dicho péndulo horizontal (25); el conjunto imán - bobina (13) comprende al menos un imán permanente (7), que se desplaza cíclicamente al interior de una bobina (5) que entrega corriente eléctrica a través de unos bornes (6);

un actuador (22) se conecta solidariamente con la masa móvil (17);

un controlador (20) mide la potencia eléctrica generada por el conjunto imán - bobina (13) y controla el actuador (22) para desplazar la masa móvil (17) y con ello lograr que el conjunto imán - bobina (13) entre en resonancia, ajusfando la frecuencia natural del péndulo horizontal (25) a la frecuencia de excitación externa, haciendo oscilar el imán permanente (7) centrado respecto de uno de los extremos de la bobina (5), logrando con ello maximizar la extracción de energía, independientemente de la frecuencia de excitación externa.

En una configuración preferente, el imán permanente (7) se ubica al interior de la bobina (5) para oscilar cíclicamente centrado con respecto del borde superior de la bobina (5) y con ello entregar corriente a través de los bornes (6).

En otra configuración preferente, el imán permanente (7) se ubica al interior de un borde inferior de la bobina (5) para oscilar cíclicamente en torno a su punto medio respecto del borde superior de la bobina (5) y con ello entregar corriente a través de los bornes (6).

En otra configuración preferente, el imán permanente (7) se ubica al centro e interior de la bobina (5), en donde el alto de la bobina (5) es no más de un 40% del largo del imán permanente (7), el cual oscila cíclicamente centrado con respecto del centro de la bobina (5) y con ello entrega corriente a través de los bornes (6). En otra configuración preferente, cuando la bobina (5) es de menor tamaño que el imán permanente (7), referido a la figura 3, el imán permanente (7) puede tener cualquier tamaño mayor al de la bobina (5) e incluso la bobina (5) puede tener solo una espira o cuando la bobina (5) es de mayor tamaño que el imán permanente (7), referido a la figura 2, la bobina (5) puede ser de al menos el mismo tamaño que el imán permanente (7).

En otra configuración preferente y para maximizar aún más la obtención de energía, el dispositivo comprende dos imanes permanentes (7) conectados entre sí solidariamente por medios conformados por material no-ferromagnético, que se ubican al interior de la bobina (5), uno en la parte superior de la bobina (5) y el otro en la parte inferior de la bobina (5) para oscilar cíclicamente centrados con respecto de cada uno de los bordes de la bobina (5) y con ello entregar corriente a través de los bornes (6), en donde los materiales no-ferromagnético son: resinas, polímeros, plásticos entre otros elementos no-ferromagnético.

El dispositivo además comprende un mecanismo de ajuste de la precompresión del resorte (14), que comprende una ranura (15), inclinada solidaria al desplazamiento de la masa móvil (17) y un elemento deslizante (16) acoplado con la ranura (15) inclinada y dispuesto en el extremo de precarga del resorte (14), en donde el mecanismo de ajuste de la precompresión se desplaza horizontalmente por medio del accionamiento del actuador (22).

El controlador (20) es un seguidor del punto de máxima potencia MPPT por sus siglas en inglés (Máximum power point tracking), en donde el actuador (22) es un motor de corriente continua, con o sin escobillas BLDC (Brushless Direct Current) por sus siglas en inglés, o motor de corriente alterna o un motor paso a paso, para controlar con mayor precisión el desplazamiento de la masa móvil (17) y se mueve por medio de tornillos, correas dentadas, o engranaje-cremallera (24), ya sean helicoidales, rectos, entre otros tipos de engranaje.

Además, la presente invención comprende un método de extracción de energía, para la obtención de energía eléctrica a partir de vibraciones mecánicas, que maximiza la extracción de energía, independientemente de la frecuencia de trabajo en la que se encuentre, que comprende las etapas de:

a) ajustar dinámicamente la frecuencia natural del dispositivo, de manera que el dispositivo entre en resonancia con las vibraciones, ajusfando la posición de una masa móvil (17) en la dirección longitudinal de un péndulo horizontal mediante un actuador (22) lineal;

b) ajustar, simultáneamente, la posición de equilibrio de al menos un imán permanente (7) que coincide con el borde de una bobina (5), de modo que se produzca la máxima magnitud de inducción de voltaje en cada ciclo. Dicha posición de equilibrio se ajusta automáticamente al desplazarse la masa móvil (17) en la dirección longitudinal del péndulo mediante una ranura (15) inclinada, que ajusta la precompresión de un resorte (14), cuyo efecto restitutivo permite la oscilación angular del péndulo; y

c) limitar la amplitud de la oscilación del péndulo dentro de los límites de espacio disponible, aun cuando el dispositivo esté vibrando en resonancia, mediante el control de la corriente eléctrica de salida.

En una configuración preferente del método, en la etapa a) además comprende:

i) medir en un tiempo T1 , el voltaje y corriente de salida de un conjunto imán - bobina (13);

ii) en un tiempo T2, desplazar la masa móvil una pequeña distancia de prueba, del orden de 1 mm a 5 mm, y medir nuevamente el voltaje y corriente de salida del conjunto imán - bobina (13);

iii) comparar la potencia eléctrica de salida medida en los tiempos T1 y T2; si hay diferencia de voltaje positiva repetir el desplazamiento de la masa móvil en la misma dirección;

iv) en su defecto, si la potencia eléctrica decae, entonces mover la masa móvil en la dirección contraria (17);

v) repetir los pasos anteriores, para determinar la posición de la masa móvil promedio en una posición que entrega la máxima energía, independiente de la carga de trabajo y la disponibilidad de energía.

Al inicio de la extracción de energía, la medición de la potencia de salida del conjunto imán - bobina (13) es realizada cada 1 segundo, para minimizar el consumo energético durante la medición de la potencia.

En otra configuración preferente, la medición de la potencia de salida del conjunto imán

- bobina (13) es realizada cada 1 segundo, cuando la diferencia de potencia eléctrica es mayor al 20 % entre mediciones sucesivas y más preferente aún, la medición de la potencia de salida del conjunto imán - bobina (13) es realizada cada 1 segundo, cuando la diferencia de potencia eléctrica es mayor al 15 % entre mediciones sucesivas de potencia eléctrica.

En otra configuración preferente, la medición de la potencia de salida del conjunto imán

- bobina (13) es realizada con intervalos menores de 30 segundos, cuando la diferencia de potencia eléctrica es entre el 10 % y el 15 % entre mediciones sucesivas de potencia eléctrica, ya que mientras menos sea la diferencia de potencia eléctrica entre mediciones sucesivas de potencia eléctrica mayor es el tiempo entre mediciones para minimizar el consumo eléctrico de las mismas mediciones.

Continuando con lo anterior, en otra configuración preferente del método de extracción de energía, la medición de voltaje y corriente de salida del conjunto imán - bobina (13) es a intervalos de hasta 1 minuto, para diferencias de potencia eléctrica menores del 10 % entre mediciones sucesivas de potencia eléctrica. Al aumentar el intervalo de tiempo entre mediciones se ahorra energía consumida en la acción de medir y ajustar posición de la masa móvil, e inclusive se puede configurar el método del sistema para ampliar aún más los tiempos entre mediciones sucesivas de potencia eléctrica, con la finalidad de disminuir aún más el consumo propio de las mediciones.

En términos generales, en el inicio, la medición de la potencia eléctrica de salida del conjunto imán - bobina (13) es a intervalos constantes. Con el pasar del tiempo y en condiciones de trabajo constante, la masa móvil (17) tiende a permanecer en la misma posición, por lo que los tiempos de muestreo se pueden extender para que el consumo de la medición sea cada vez menor y con ello mayor la producción de energía eléctrica. Dicho de otra manera, si se mide demasiado seguido la potencia para ajustar la posición de la masa móvil, parte de la energía generada se gastaría en la medición, lo que redunda en una pérdida de eficiencia. Por ello se extienden los tiempos entre las mediciones de potencia del conjunto imán - bobina (13) a intervalos de tiempo desde 1 segundo a 1 minuto o más, cuando no hay diferencia importante entre las mediciones realizadas entre T1 y T2, y así ahorrar energía en las mediciones.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

El dispositivo de la presente solicitud ha demostrado la factibilidad de alimentar dispositivos tales como sensores, equipos de comunicación y otros, usando la energía proveniente de las vibraciones de una fuente externa. Para validar el funcionamiento se construyó un prototipo, representado en las Figuras 6 a 9. La frecuencia y magnitud de las vibraciones de excitación pueden variar gracias a un volante desbalanceado que gira accionado por un motor eléctrico (no mostrado en las figuras). De esta manera se puede simular una situación real, como por ejemplo los cambios en vibraciones debido a cambios en la velocidad de un vehículo.

El dispositivo construido incluye una barra (10) que oscila en torno a un pivote (1 1 ) con una masa móvil (17) sobre ella; en el extremo libre de la barra (10) se monta un imán (7), que se mueve relativo a una bobina (5) cuando la barra oscila, generando energía eléctrica. El movimiento de la masa móvil (17) modifica la inercia del conjunto, y por ende su frecuencia natural, lo que permite ajustar la frecuencia natural a la frecuencia de excitación externa. El resorte (14) es precomprimido en forma variable mediante una ranura (15), lo que permite mantener en la posición de equilibrio el imán (7) centrado con respecto al borde superior de la bobina (5). La respuesta del sistema a un impulso, medida experimentalmente, se muestra en la Figura 10, donde se gráfica la posición del imán y el voltaje inducido en función del tiempo, respectivamente.

Los resultados obtenidos indican que el modelo matemático empleado permite predecir la respuesta del sistema con un grado razonable de exactitud, vale decir, prediciendo la frecuencia natural del aparato según la posición de la masa móvil y que la máxima recolección de energía se obtiene cuando el centro del imán es capaz de mantener una posición neutra con el borde de la bobina.

El prototipo originalmente no tenía la ranura inclinada. La evidencia experimental nos llevó a concluir que el resorte debía ser precomprimido en función de la posición de la masa móvil para obtener máxima recolección de energía. La precompresión correcta del resorte en función de la posición de la masa móvil se logra con esta ranura inclinada.

La ranura inclinada es el concepto que resulta de aplicar distintas precompresiones al sistema de resortes del prototipo en función de la posición de la masa móvil, con respecto a la viga oscilatoria.

El dispositivo propuesto puede emplearse por ejemplo en los siguientes casos:

EJEMPLO 1 . Se ha usado el presente dispositivo en un vehículo terrestre sobre ruedas en movimiento, sobre todo cuando el trayecto es sobre caminos de tierra o irregulares, para alimentar sensores, equipo de comunicaciones, y para cargar baterías pequeñas, que necesitan funcionar en forma autónoma e independiente de dicho vehículo. Esta prueba fue realizada en el vehículo sin necesidad de intervenirlo, ya sea por razones prácticas o de tipo legal. Este último, por ejemplo, para no invalidar una garantía técnica específica.

EJEMPLO 2. El presente dispositivo, se usó además en una embarcación, en dos maneras, una en movimiento y la otra anclada, aprovechando el movimiento ondulatorio de las olas para alimentar sensores, equipo de comunicaciones, e incluso cargar baterías pequeñas. Las olas generan oscilaciones de baja frecuencia, por ejemplo del orden 0,05 Hz, que fueron aprovechadas por este dispositivo. Es importante destacar que debido a la baja frecuencia, otros dispositivos no pueden aprovechar estos movimientos de baja frecuencia.

EJEMPLO 3. También se usó el presente dispositivo sobre una persona en movimiento cuando transita sobre un terreno irregular para alimentar sensores, equipo de comunicaciones personales, y para cargar baterías pequeñas. Esto fue especialmente útil en excursiones y caminatas a través de terrenos aislados y remotos, ya que permite mantener operando a dispositivos electrónicos modernos que ayudan en la navegación y comunicación en caso de emergencia. EJEMPLO 4. Finalmente, este dispositivo fue montado sobre una máquina de producción industrial en funcionamiento en dos tipos de motores. Primero se usó en un motor de combustión interna y después se usó en un motor eléctrico. Por efecto de su funcionamiento, las máquinas industriales con este tipo de accionamiento se ven sometidas a vibraciones con frecuencias, que son múltiplos enteros de la velocidad de rotación. Los rangos típicos de vibraciones que generan el giro del motor de combustión interna oscilan entre 10 y 200 Hz, y el rango de velocidades de giro de motores eléctricos es similar, de modo que se usó el mismo dispositivo para captar energía en vibraciones con estas frecuencias. La energía captada en este caso se usa en sistemas de diversa índole que necesitan ser autónomos, en donde instalar cables de alimentación o cambiar periódicamente las pilas no es una opción. Cabe de mencionar, que la frecuencia de vibración de un motor eléctrico puede llegar a ser de 1 KHz.

El dispositivo aplicado a grandes vehículos y estructuras permite generar energía en forma autónoma para alimentar, por ejemplo, un sistema de sensores para el monitoreo en forma continua. Además de ajustar la frecuencia natural, se ajusta la posición de equilibrio entre el imán y la bobina, manteniéndola en el punto de máxima generación. Estas condiciones garantizan la máxima extracción de energía.