Design and Modelling of a Novel Hybrid Vibration Converter based on Electromagnetic and Magnetoelectric Principles

Supplying wireless sensors from ambient energy is nowadays highly demanded for a higher flexibility of use and low system maintenance costs. Vibration sources are thereby especially attractive due to their availability and the relatively high energy density they can provide. The aim of this work is to realize a hybrid energy converter for vibration sources having low amplitude and low frequency. The idea is to combine two diverse harvesters to realize a higher energy density and at the same time to improve the converter reliability. We focus on the design, modeling, and test of the hybrid vibration converter. For an appropriate converter design, the vibration profiles of several ambient vibration sources are characterized. The results show that the typical frequency and acceleration ranges are between 5 Hz to 60 Hz and 0.1 g to 1.5 g respectively. The proposed converter is based on the magnetoelectric (ME) and electromagnetic (EM) principles. These two principles can be easily combined within almost the same volume, because they generate energy form the same varying magnetic field coupled to the mechanical vibration of the source. Thereby, the energy density is improved as the ME converter is incorporated within the relatively large coil housing of the electromagnetic converter. The proposed converter is based on the use of a magnetic spring instead of the typically used mechanical springs, which applies the repulsive force to the seismic mass of the converter. The applied vibration is transmitted to the converter based on the magnetic spring principle instead of the conventional mechanical springs. Due to the nonlinearity of the magnetic spring, the converter is able to operate for a frequency bandwidth instead of resonant frequency which is the case while using a mechanical spring. Hence, this leads to realize a high converter efficiency even under random vibrations characterized by frequency bandwidth. As well, using magnetic spring principle enables to adjust the resonant frequency of the converter relative to the applied vibration source easily by just adjusting the moving magnet size. For the converter design, a parametric study is conducted using finite element analysis. Two main criteria are thereby taken into account, which are the compactness and the efficiency of the converter. Parameters affecting these two criteria are classified in mechanical, electromagnetic and magnetoelectric parameters. Results show that the combination of the EM and ME principles leads to an improvement of the energy output compared to a single EM or ME converter. The novel hybrid converter is realized and tested under harmonic and real vibration profiles. It comprises two main parts: A fixed part, where the coils and the ME transducer are fixed in order to ensure a good reliability of the converter by avoiding wire movements. A moving part, where the moving magnet of the magnetic spring and the magnetic circuit are placed. The presented converter is reliable and compact, which is able to harvest energy with a maximum output power density of 0.11 mW/cm³ within a frequency bandwidth of 12 Hz for a resonance frequency of 24 Hz under an applied harmonic vibration with an amplitude of 1 mm.Die Versorgung von drahtlosen Sensoren aus der Umgebungsenergie ermöglicht heutzutage eine hohe Einsatzflexibilität und die Senkung des Systemwartungsaufwands. Schwingungsquellen sind aufgrund ihrer Verfügbarkeit und der damit erreichbaren Energiedichte besonders attraktiv. Ziel dieser Arbeit ist es, einen hybriden Energiewandler für Vibrationsquellen mit geringer Amplitude und niedriger Frequenz zu realisieren. Der Ansatz dabei ist, zwei verschiedene Wandler zu kombinieren, um eine höhere Energiedichte zu erreichen und die Zuverlässigkeit zu verbessern. Der Entwurf konzentriert sich auf die Modellierung und den Test des hybriden Vibrationswandlers. Für einen geeigneten Wandlerentwurf werden die Schwingungsprofileigenschaften mehrerer Umgebungsschwingungsquellen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die typische Frequenz zwischen 5 Hz und 60 Hz und der Beschleunigungsbereich zwischen 0,1 g und 1,5 g liegen. Der vorgeschlagene Wandler kombiniert das magnetoelektrischen (ME) Prinzip mit dem elektromagnetischen (EM) Prinzip. Diese beiden Prinzipien können innerhalb des fast gleichen Volumens leicht integriert werden, da sie Energie aus der Variation des gleichen Magnetfeldes, das mit der mechanischen Schwingung gekoppelt ist, erzeugen können. Dadurch wird die Energiedichte verbessert, da der ME-Wandler in das relativ große Spulengehäuse des elektromagnetischen Wandlers eingesetzt werden kann. Darüber hinaus basiert der vorgeschlagene Wandler auf der Verwendung von Magnetfedern, um die Repulsivkraft auf die seismische Masse zu realisieren. Aufgrund der Nichtlinearität der Magnetfeder, kann der Wandler in einem breiteren Frequenzbereich betrieben werden, anstatt nur bei der Resonanzfrequenz, wie es bei der Verwendung einer mechanischen Feder der Fall ist. Dies führt dazu, dass der Wandler auch bei zufälligen breitbandigen Schwingungsquellen effizient betrieben werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung des Magnetfederprinzips eine einfache Einstellung der Resonanzfrequenz des Wandlers in Bezug auf die Schwingungsquelle, durch Einstellen der Größe des beweglichen Magneten. Für den Wandlerentwurf wird eine Parameterstudie mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse durchgeführt. Zwei Hauptkriterien werden dabei berücksichtigt: Die Kompaktheit und die Energieeffizienz des Wandlers. Parameter die diese beiden Kriterien beeinflussen, können in mechanische, elektromagnetische und magnetoelektrische unterteilt werden. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Kombination der EM- und ME-Prinzipien zu einer Verbesserung der Energieausbeute im Vergleich zu einem einzelnen EM- oder ME-Wandler geführt hat. Der neuartige Hybrid-Wandler wurde realisiert und unter harmonischen und realen Schwingungsprofilen getestet. Der Wandler besteht aus zwei Hauptteilen: Ein festes Teil, an dem die Spulen und der ME-Wandler befestigt sind, um eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten indem auf einen beweglichen Draht verzichtet wird, und ein bewegliches Teil, das sich aus einem beweglichen Magneten zusammensetzt. Der vorgestellte Wandler ist zuverlässig, kompakt und in der Lage, Energie mit einer maximalen Ausgangsleistungsdichte von 0,11 mW/cm 3 und einer Bandbreite von 12 Hz bei einer Resonanzfrequenz von 24 Hz unter einer angelegten harmonischen Schwingung mit einer Amplitude von 1 mm zu gewinnen

Power Generation by Resonant Self-Actuation

Die Forschung im Bereich der Mikro-Energiegewinnung wurde durch den Bedarf an au-tarken sowie stabilen Energiequellen für vernetzte und drahtlose Sensoren vorangetrieben. Abwärme, insbesondere bei Temperaturen unter 200 °C, stellt eine vielversprechende, aber mit den derzeitigen Umwandlungstechnologien schwer zu gewinnende Energiequelle dar. Der Fortschritt von thermomagnetischen Generatoren (TMGs) mit hoher Leistung wurde durch den Mangel an Weiterentwicklungen von thermomagnetischen Materialien behindert. Diese Arbeit stützt sich auf frühere Forschungsarbeiten zu TMGs im kleinen Maßstab. Die Hauptziele sind: • Entwicklung eines LEM-Modells (Lumped Element Model) zur Simulation des TMG, um die Leistung zu analysieren und zu optimieren. • Nutzung von LEM und Experimenten, um die Auswirkungen verschiedener De-signparameter zu verstehen. • Die Hochskalierung des Volumens des aktiven Materials eines TMG, um die absolute Ausgangsleistung eines einzelnen Generators zu erhöhen. • Die Hochskalierung des TMG durch Parallelbetrieb mehrerer TMGs zur Vergrößerung der lateralen Größe. • Erweiterung des Betriebsbereichs der Wärmequelle auf Temperaturen nahe der Raumtemperatur, ohne die resonante Selbstaktivierung zu verlieren. Zunächst werden mittels experimenteller Messungen und LEM-Simulationen TMGs, die auf verschiedenen Materialien wie dem Ni-Mn-Ga Heusler-Legierungsfilm, Gadolinium und La-Fe-Si-H basieren, grundsätzlich erforscht. Die Auswirkung verschiedener Designparameter auf die Leistung des TMGs wird untersucht. Dabei beschreiben LEM-Simulationen die gekoppelten dynamischen Eigenschaften von TMGs, die Filme aus magnetischen Formgedächtnislegierungen (MSMA) verwenden. Die TMG nutzen Selbstaktivierung, indem ein temperaturabhängige Magnetisierungsänderungen und einen schnellen Wärmetransfer durch thermomagnetische Dünnschichten ausgenutzt wird. Detaillierte LEM-Simulationen zeigen die Temperaturänderung, die Magnetfeldänderung und die daraus resultierende Magnetisierung der TM-Filme über Zeit und Position. Opti-male Bedingungen für eine resonante Selbstaktivierung werden durch sorgfältiges Design der TMG-Parameter erreicht, was zu einer kontinuierlichen, ungedämpften Oszillation des TMG-Ausleger führt. In dieser Arbeit werden verschiedene Design-Parameter erörtert, die sich auf die resonante Selbstaktivierung im Falle von Ni-Mn-Ga-Dünnschichten auswirken, wobei die Bedeutung der Feinabstimmung jedes Parameters für eine maximale Ausgangsleistung hervorgehoben wird. Die Auswirkungen von Faktoren wie Magnet, Spulenwindungen, Auslegersteifigkeit, Lastwiderstand (RL), Curie-Temperatur (Tc), Wärmeübergangskoeffizient (hf) und Wärmewiderstand (Rb) werden untersucht, um ihren Einfluss auf die TMG-Leistung zu verstehen. LEM-Simulationen zeigen kritische Werte für hf und Rb, die eine stabile Energieerzeugung mit signifikantem Hub und Frequenz ermöglichen, was zu einer deutlichen Steigerung der elektrischen Leistung führt. Die Hochskalierung des TMG mit Ni-Mn-Ga-Dünnschicht zeigt gegensätzliche Auswir-kungen auf die Leistungsabgabe und die Grundfläche, wobei eine verbesserte elektrische Leistung pro Grundfläche durch eine Erhöhung der Schichtdicke von 5 auf 40 µm erreicht wird. Bei einer Temperaturänderung von nur 3 °C und einer Frequenz von 146 Hz wer-den Werte von 50 µW/cm2 erreicht. Die parallelen Architekturen sind entscheidend für die Erzeugung ausreichender Energie für die direkte Anwendung. Die thermische Kreuz-kopplung beeinträchtigt die dynamische Leistung und die Leistungsabgabe von parallel betriebenen TMGs. Thermische Effekte machen sich vor allem bei geringen Abständen zwischen den Bauelementen und hohen Temperaturen der Wärmequelle bemerkbar, wobei jedoch keine magnetischen oder mechanischen Wechselwirkungen zwischen den parallel arbeitenden TMGs beobachtet werden. Bei Verwendung von Gadolinium als aktiver TM-Schicht ist ein Betrieb bei einer niedrigen Wärmequellentemperatur (Tsource) von 40 °C möglich. Der TMG kann bei dieser Tsource eine Leistung von 1,3 µW bei einer Frequenz von 54 Hz erzeugen, was einer Ausgangs-leistung von 10 µW/cm2 pro Fläche entspricht. Bei einer Tsource von 65 °C steigt dieser Wert sprunghaft auf 24 µW/cm2 bei einer Frequenz von 117 Hz an. Obwohl für eine opti-male Leistung eine Tamb von 11 °C erforderlich ist, kann das Bauelement die resonante Selbstaktivierung bis zu einer Umgebungstemperatur (Tamb) von 19 °C aufrechterhalten und dabei immer noch 8,7 µW/cm2 Leistung bei einer Tsource von 50 °C erzeugen. Außer-dem werden die scharfen Grenzen der Betriebstemperaturen in Bezug auf Tsource und Tamb untersucht und vorgestellt. Ein TMG, bei den hydrierten La-Fe-Si-Legierungen als aktiven TM-Film verwendet, kann 38 µW/cm2 aus einer Tsource von 90°C erzeugen, während es mit einer Frequenz von 137 Hz arbeitet

Effects of the Internal Magnetic Field on the Magneto-Mechanical Properties of Magnetic Shape Memory Alloys

Shape memory alloys are a class of functional material which recover from large strains without permanent deformation. The strain is accommodated by the displacement of twin boundaries in the martensite phase. The shape memory alloy Ni-Mn-Ga is also ferromagnetic. Ni-Mn-Ga preferentially magnetizes along a certain crystallographic axis. This direction of easy magnetization changes across twin boundaries, such that the directions in neighboring twin domains are nearly perpendicular. The interaction of magnetic moments and interfaces including the crystal surface and twin boundary interfaces has a large role in the magnetization process of the material. The goal of this study is to characterize the relative influence of twin boundaries on the magnetization of the material, and the dependence of the magnetization on the twin domain microstructure. The torque on a single crystal specimen in a homogeneous external magnetic field was characterized with experimental methods. The torque is the negative first derivative of the magnetic energy as a function of angle between the specimen and magnetic field. The torque and magnetic energy strongly depends on the twin domain microstructure. For specimen with two twin boundaries at 3% strain in an external magnetic field of 50 mT, one twin microstructure required 1.7 times more torque to rotate than another twin microstructure. At fields above 100 mT, the torque was asymmetric depending on the direction the direction the sample was rotated. Numerical micromagnetic simulations were performed to gain a qualitative understanding of the difference in magnetization and magnetic energy in different twin microstructures. At low fields, the continuity of magnetization across the twin boundary results in one twin microstructure having completely saturated twin domains, while the other microstructures contained 180° magnetic domains. At larger fields, the asymmetry in torque was due to the angle of the twin boundary with the crystal surface. Both the dependence on magnetization and torque asymmetry are due to the internal magnetic field at the twin boundary. The interaction of magnetic moments across the twin boundary drives the internal magnetic field and magnetization. The twin domain microstructure can be manipulated to drive the magnetization process in order to optimize the performance of the material in a device. The role of the internal magnetic field and specimen magnetization is discussed regarding a low power strain sensing measurement technique

Designing Morphing Airfoils for Improving the Aerodynamic Characteristics

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

Technical, Economic and Societal Effects of Manufacturing 4.0

This open access book is among the first cross-disciplinary works about Manufacturing 4.0. It includes chapters about the technical, the economic, and the social aspects of this important phenomenon. Together the material presented allows the reader to develop a holistic picture of where the manufacturing industry and the parts of the society that depend on it may be going in the future. Manufacturing 4.0 is not only a technical change, nor is it a purely technically driven change, but it is a societal change that has the potential to disrupt the way societies are constructed both in the positive and in the negative. This book will be of interest to scholars researching manufacturing, technological innovation, innovation management and industry 4.0

Micro/Nano Structures and Systems

Micro/Nano Structures and Systems: Analysis, Design, Manufacturing, and Reliability is a comprehensive guide that explores the various aspects of micro- and nanostructures and systems. From analysis and design to manufacturing and reliability, this reprint provides a thorough understanding of the latest methods and techniques used in the field. With an emphasis on modern computational and analytical methods and their integration with experimental techniques, this reprint is an invaluable resource for researchers and engineers working in the field of micro- and nanosystems, including micromachines, additive manufacturing at the microscale, micro/nano-electromechanical systems, and more. Written by leading experts in the field, this reprint offers a complete understanding of the physical and mechanical behavior of micro- and nanostructures, making it an essential reference for professionals in this field