We present the design, modeling, fabrication, and experimental characterization of an electrodynamic wireless power transmission (EWPT) receiver for low-frequency (<; 1 kHz), near-field wireless power transmission. The device utilizes a bulk-micromachined silicon serpentine suspension, two NdFeB magnets and two precision-manufactured coils. The architecture of the transducer is designed to maximize the electrodynamic coupling coefficient while maintaining a low mechanical resonant frequency in order to maximize the power density for low-frequency wireless power transmission. An equivalent lumped-element circuit model is established to parameterize the system and to predict the output performance of the proposed system. A prototype device is fabricated, assembled and tested, and the results are compared with the model prediction. The 0.31 cm ³ device generates 2.46 mW average power (7.9 mW·cm ^-3 power density) at 4 cm distance from a transmitter coil operating at 821 Hz and safely within allowable human exposure limits. This data corresponds to a normalized power density of 21.9 mW·cm ^-3 ·mT ^-2 , which is 44% higher than similar reported devices. Based on these results, this device shows great suitability for wirelessly charging mobile, wearable and bio-implantable devices. [2020-0161]

In this article, we present the characterization and an experimentally validated electromechanical model of a dual-transduction receiver for electrodynamic wireless power transfer (EWPT) system. This dual-transduction EWPT receiver contains two unimorph-type, series-connected piezoelectric transducers and an electrodynamic transducer within a compact footprint and low-profile design. The receiver makes simultaneous use of both piezoelectric and electrodynamic transducers to generate electrical power while operating at its torsion mode mechanical resonance at ∼744 Hz. The electromechanical system behavior and output performance under low-frequency, magnetic near-fields are analyzed by establishing an equivalent lumped-element equivalent electrical circuit model. A prototype device is fabricated, assembled, characterized, and the experimental results are compared with the model predictions under various excitation and loading conditions. A maximum of 49 μW average power is generated by the prototype under 120 μT _rms , which corresponds to 0.54 mW·cm ^–3 power density and 37 mW·cm ^–3 ·mT ^–2 normalized power density. This chip-sized (0.09 cm ³ ) design offers an innovative and volume-efficient architecture for application in wirelessly charging wearable and implantable medical devices.

We report the design, fabrication, and characterization of a prototype that meets the form, fit, and function of a household 1.5 V AA battery, but which can be wirelessly recharged without removal from the host device. The prototype system comprises a low-frequency electrodynamic wireless power transmission (EWPT) receiver, a lithium polymer energy storage cell, and a power management circuit (PMC), all contained within a 3D-printed package. The EWPT receiver and overall system are experimentally characterized using a 238 Hz sinusoidal magnetic charging field and either a 1000 µF electrolytic capacitor or a lithium polymer (LiPo) cell as the storage cell. The system demonstrates a minimal operating field as low as 50 µT_rms (similar in magnitude to Earth’s magnetic field). At this minimum charging field, the prototype transfers a maximum dc current of 50 µA to the capacitor, corresponding to a power delivery of 118 µW. The power effectiveness of the power management system is approximately 49%; with power effectiveness defined as the ratio between actual output power and the maximum possible power the EWPT receiver can transfer to a pure resistive load at a given field strength.

This paper presents a hybrid electromechanical transformer that passively transfers electrical power between galvanically isolated ports by coupling electrodynamic and piezoelectric transducers. The use of these two complementary electromechanical transduction methods along with a high-Q mechanical resonance affords very large transformations of voltage, current, or impedance at particular electrical frequencies. A chip-size prototype is designed, simulated, fabricated, and experimentally characterized. The 7.6 mm × 7.6 mm × 1.65 mm device achieves an open-circuit voltage gain of 31.4 and 48.7 when operating as a step-up transformer at 729.5 Hz and 1015 Hz resonance frequencies, respectively. When operating as a step-down transformer, the resonance frequencies and the corresponding voltage gains are 728 Hz, 1002 Hz, and 0.0097, 0.0128, respectively. In one operational mode, the system shows a minimum power dissipation of only 0.9 µW corresponding to a power conversion efficiency of 11.8%.

This paper deals with a new design of a thermo-magnetically activated piezoelectric generator. This proposed generator exploits the temperature-dependent magnetization of a ferromagnetic material, which is exposed to temporary change of temperature cycles. To promote a better understanding of the operation of this mechanism, a global coupled numerical model is presented, which is able to predict the static and dynamic behavior of the generator. It is shown that with some modifications to the physical design, the generator can be tuned for different activation temperatures. Energy densities of 280 and 67 µJcm⁻³ were achieved by the proposed model of the generator for its opening and closing commutation, respectively.

Conception, modélisation et évaluation d'un générateur piézoélectrique à déclenchement thermomagnétique.: La récupération d’énergie thermique peut être réalisée par de nombreuses techniques de transduction d’énergie. Les techniques directes de conversion d’énergie thermique en énergie électrique sont généralement les technologies les plus utilisées. Lorsque des générateurs miniaturisés son requis, des méthodes directes de conversion présentent des difficultés, y compris la nécessité des dissipateurs de chaleur volumineux ou la forte dépendance aux fluctuations de température rapides. Donc, les méthodes de conversion indirecte, comme la conversion d’énergie thermique à mécanique et puis mécanique à électrique sont présentées comme des alternatives aux récupérateurs d’énergie. Cette technologie ouvre une nouvelle ligne de recherche pour surmonter les contraintes des récupérateurs d’énergie à petite échelle. Même si leur rendement est relativement faible en raison des pertes liées aux étapes de conversion d’énergie, les générateurs d’énergie basés sur l’effet thermomagnétique présentent une densité de puissance élevée lors de leur miniaturisation. Néanmoins, peu de recherches sur la récupération d’énergie thermomagnétique à petite échelle ont été menées et aucune étude de faisabilité industrielle n’a été signalée jusqu’à présent. Ces travaux présentent la conception d’un générateur capable de convertir de faibles et de lentes fluctuations de température ambiante en électricité. L’effet thermomagnétique d’un matériau magnétique doux, à savoir l’alliage de fer et de nickel (FeNi) ainsi que la piézoélectricité sont la base de fonctionnement du dispositif. Cette thermo-magnétisation entraîne la conversion d’énergie thermique, sous la forme de fluctuations temporelles, en vibrations mécaniques d’une structure. La structure consiste en un bimorphe piézoélectrique (PZT). Le générateur a deux positions stables; la position ouverte et celle fermée. En modifiant la température de FeNi, l’interaction entre deux forces du système (forces magnétique et mécanique) amène le générateur à l’une de ses deux commutations. La température de Curie du FeNi étant proche de la température ambiante, des applications comme des dispositifs connectés portables peuvent être ciblées. Un modèle analytique est développé. Donc, une conception rapide du générateur est réalisée pour répondre aux cahiers des charges tels que: la température d’opération, la plage de températures, la réponse thermique, les capacités de conversion piézoélectrique, etc. De plus, des règles de conception ont été dérivées envers la réduction de la taille du générateur. Des modélisations par éléments finis sont développés sous ANSYS afin de valider notre modèle analytique simplifié. Ces modèles permettent aux concepteurs d’explorer d’autres matériaux et de faire des améliorations en utilisant des processus d’optimisation de la conception. Des prototypes des récupérateurs d’énergie atteignent des densités de puissance de 0.6μWcm^−3 pendant des commutations d’ouverture à 40°C et 0.02μWcm^−3 pendant des commutations de fermeture à 28°C. En réduisant la taille du générateur, des commutations d’ouverture à 31°C et des commutations de fermeture à 27°C, sont atteints. La distance initiale de séparation entre l’aimant permanent et l’alliage magnétique doux est identifiée comme une clé pour augmenter la capacité de conversion d’énergie du générateur. Un modèle équivalent électrique du générateur est développé afin de concevoir un circuit d’extraction d’énergie ainsi qu’un module de gestion d’énergie. Ce circuit est développé sous PSpice, permettant de mettre en œuvre des pertes liées aux matériaux (pertes mécaniques et diélectriques). Par le biais d’ajustement de courbe, ce modèle est capable de calculer des valeurs de pertes. Une analyse de la variabilité de la conception est réalisée afin d’explorer la faisabilité industrielle d’un tel générateur. Ainsi, la récupération d’énergie thermomagnétique peut concourir, pour la première fois, avec les thermo-générateurs les plus modernes.