Characterisation of Magnetostrictive Materials : Case of Fe49-Co49-V2, Modeling of Coupled Behavior and Application to Energy Harvesting
Caractérisation des Matériaux Magnétostrictifs : Cas du Fe49-Co49-V2, Modélisation du Comportement Couplé et Application à la Récolte d'Energie
Résumé
The rising demand for self-governing devices has sparked interest in the concept of energy harvesting in both industry and academia. In this field, magnetostrictive material offers several benefits in terms of converting mechanical vibrations into electrical energy. Iron-Cobalt-Vanadium (Permendur, Co49-Fe49-V2) holds great promise in this regard: it is a soft ferromagnetic material with high magnetization saturation, significant magnetostrictive coefficients, affordability, and wide availability. However, the remarkable magnetostriction of Permendur may lead to undesired behaviors (specifically acoustic noise) during their operation. Given proper assessment of the microstructural behavior of the material henceforth information on the behavior of the harvesting system, and internal stresses can be adjusted to control the magnetostriction, but a non-destructive assessment of the stress is necessary during the process. Therefore, this work proposes directional magnetic incremental permeability as a solution. For magnetostrictive energy conversion, this work involves the experimental magnetic characterization and simulation of tensile stress on Permendur sheets, as well as the evaluation of their energy conversion capabilities. The conversion ability was predicted using thermodynamic Ericsson cycles based on reconstructed anhysteretic curves. Under a tensile stress of 480 MPa and a magnetic excitation of 5.5 kA·m-1, a maximum energy density of 10.45 mJ·cm-3 was achieved. Additionally, an estimation was proposed considering hysteresis losses. Major hysteresis loops at various stress levels were considered, resulting in an energy density of 3.52 mJ·cm-3. Finally, experimental Ericsson cycles were conducted to validate the conversion feasibility and confirm the energy level predictions. For internal stress estimation, homogeneous external stress has been used for academic purposes. This type of stress is easier to control using traction/compression test benches and produces the same effect on the material. The tests were limited to tensile stresses, which represent the worst-case scenario for observing stress through magnetization mechanisms. Hysteresis cycles have been reconstructed from incremental permeability measurements to ensure the stability and reproducibility of the measured quantities. The directional nature of the sensor adds an extra dimension to the observation of magnetic response. The study reveals that an angle of π/2 between the DC and AC magnetic excitation contributions and a flux density of 10 kA/m is the optimal configuration, exhibiting the highest correlation to a uniformly applied tensile stress. As magnetic incremental permeability is associated with domain wall bulging, this study represents a significant advancement in understanding the fundamental mechanisms of magnetization. In the view of exploring the viability of a practical setup using a physical harvester, we have set a physical vibration energy harvester which has shown promising results. Nevertheless, to optimize the harvester's performance, a proper dimensioning of the various subsystems of the harvester should be done.
La demande croissante de dispositifs autonomes suscite un intérêt considérable pour les systèmes de récupération d’énergie, tant dans le domaine industriel que dans le monde universitaire. Pour ces dispositifs, les matériaux magnétostrictifs offrent plusieurs avantages en termes de moyen de conversion des vibrations mécaniques en énergie électrique. Le Fer-Cobalt-Vanadium (Permendur, Co49-Fe49-V2) est très prometteur à cet égard : il est notamment un matériau ferromagnétique doux avec une saturation de magnétisation élevée, des coefficients magnétostrictifs importants, un prix abordable et une large disponibilité. Cependant, cette forte magnétostriction du Permendur peut conduire à des comportements indésirables (notamment le bruit acoustique) pendant leurs fonctionnements dans les cas d’aimantation alternative et fonctionnement type transformateur, moteur... Ces bruits peuvent prendre leur origine des contraintes mécaniques internes. Afin de contrôler cette magnétostriction et donner des explications sur le comportement de la microstructure du matériau, et mieux caractériser le système de récupération, ces contraintes internes peuvent être ajustées, mais toutefois une évaluation non destructive de la contrainte est nécessaire. Par conséquent, ce travail étudie la perméabilité magnétique directionnelle incrémentale comme solution. Pour la conversion magnétostrictive d'énergie, nous avons effectué la caractérisation magnétique expérimentale et la modélisation du comportement anhystérétique des tôles de Permendur sous traction, ainsi que l'évaluation de leurs capacités de conversion d'énergie. La capacité de conversion a été prédite à l'aide de cycles thermodynamiques d'Ericsson basés sur des courbes anhystérétiques reconstruites. Sous une contrainte de traction de 480 MPa et une excitation magnétique de 5.5 kA·m-1, une densité d'énergie maximale de 10.45 mJ·cm-3 a été atteinte. De plus, une estimation a été proposée en tenant compte des pertes dues aux cycles hystérétiques. Des cycles d'hystérésis majeures à différents niveaux de contrainte ont été considérés, résultant en une densité d'énergie de 3.52 mJ·cm-3. Enfin, des cycles expérimentaux Ericsson ont été étudiés pour valider la faisabilité de la conversion et confirmer les prévisions de niveau d'énergie. Dans le but d'explorer la viabilité d'un prototype physique, un démonstrateur préliminaire a été mis sur pieds et a produit des résultats prometteurs. Pour l'estimation des contraintes mécaniques internes, des contraintes externes homogènes ont été utilisées dans le cadre académique de mes travaux. Ce type de contrainte est plus facile à contrôler à l'aide de bancs de traction/compression et produit le même effet sur le matériau. Les tests se sont limités aux contraintes de traction, qui représentent le pire des cas pour observer les contraintes via les mécanismes de magnétisation. Les cycles d'hystérésis ont été reconstitués à partir de mesures de perméabilité incrémentales pour assurer la stabilité et la reproductibilité des quantités mesurée. La nature directionnelle du capteur ajoute une dimension supplémentaire à l'observation de la réponse magnétique. L'étude révèle qu'un angle de π/2 entre les contributions d'excitation magnétique DC et AC et une densité de flux de 10 kA/m est la configuration optimale, présentant la corrélation la plus élevée avec une contrainte de traction appliquée uniformément. La perméabilité magnétique incrémentale étant associée au glissement des parois du domaine, cette étude représente une avancée significative dans la compréhension des mécanismes fondamentaux de la magnétisation. Les travaux ont été conclus par la mise sur pieds d’un démonstrateur pour la récupération d’énergie vibration présentant le faisabilité su système du système de récupération mais toutes fois des études poussées entre autres le dimensionnement de chacune des composantes du système doit être effectuée.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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