First vs second order magnetocaloric material for thermomagnetic energy conversion

International audienceWe estimate the power and efficiency of a thermal energy harvesting thermodynamic Brayton cycle using a first and second order magnetocaloric materials as active substance. The thermodynamic cycle was computed using a simple thermal exchange model and an equation of state deduced from a phenomenological Landau model. For the first and second order materials, narrow and high frequency cycles are optimum and give similar performances. Considering technological issues hindering the increase of frequency, we introduced a more detailed approach where we take into account the time needed to switch the material between two heat reservoirs. We show that the first order material equation of state leads thermodynamic cycle shape keeping it closer to the optimum cycle. Conditions to improve the performance of second order materials are discussed. In addition, we infer key remarks for prototype design regarding the power density and efficiency reachable in different configurations

Enhancement of the magnetoelectric effect in multiferroic CoFe2_2O4_4/PZT bilayer by induced uniaxial magnetic anisotropy

In this study we have compared magnetic, magnetostrictive and piezomagnetic properties of isotropic and anisotropic cobalt ferrite pellets. The isotropic sample was prepared by the ceramic method while the sample exhibiting uniaxial anisotropy was made by reactive sintering using Spark Plasma Sintering (SPS). This technique permits to induce a magnetic anisotropy in cobalt ferrite in the direction of the applied pressure during SPS process. Sample with uniaxial anisotropy revealed a higher longitudinal magnetostriction and piezomagnetism compared to the isotropic sample, but the transversal magnetostriction and piezomagnetism were dramatically reduced. In the case of magnetoelectric layered composite, the magnetoelectric coefficient is directly related to the sum of the longitudinal and transversal piezomagnetic coefficients. These two coefficients being opposite in sign, the use of material exhibiting high longitudinal and low transversal piezomagnetic coefficient (or vice versa) in ME devices is expected to improve the ME effect. Hence, ME bilayer devices were made using isotropic and anisotropic cobalt ferrite stuck with a PZT layer. ME measurements at low frequencies revealed that bilayer with anisotropic cobalt ferrite exhibits a ME coefficient three times higher than a bilayer with isotropic cobalt ferrite. We also investigated the behavior of such composites when excited at resonant frequency

Système de récupération d'énergie thermique à base de matériaux magnétocaloriques

International audience-Les générateurs thermomagnétiques convertissent le flux de chaleur en énergie électrique. Le matériau magnétocalorique (MMC) réalise un cycle thermodynamique entre deux sources de chaleur ce qui produit une variation d'aimantation du matériau. Cette énergie (variation d'aimantation) est ensuite transformée en énergie mécanique via les forces magnétiques et enfin en énergie électrique via un transducteur électromécanique. Le dimensionnement du cantilever permettant l'auto-oscillation du MMC entre les deux sources de chaleur nous a permis de déduire la vitesse au cours des déplacements. Ainsi à partir du modèle où le transducteur est découplé de la partie mécanique, nous avons à l'aide de simulation par éléments finis estimé l'aptitude d'un transducteur piézoélectriques (PZT 5a) et de bobines à convertir l'énergie mécanique en énergie électrique. Le système à base de piézoélectriques et de bobines récupèrent seulement 0,025 % et 0,018% respectivement de l'énergie mécanique disponible (116 mJ/cm 3). Finalement quelques pistes seront soulevées pour expliquer les faibles valeurs obtenues et les stratégies possibles pour y remédier Mots-clés-Matériaux Magnétocalorique, Thermomagnétique, Récupération d'énergie thermique, Energie

Getting rid of critical raw materials in hard magnets: is it feasible?

International audienceHard Magnets are key components in the evolution of transportation technologies and renewable energies. In particular in automobile industry, the anticipated switch to full electric drive in the next 30 years will create a strong demand for magnets. Unfortunately, present high performance hard magnets uses critical elements, either rare-earth or cobalt, so we can foresee a big stress on the market. In this paper, we will review all existing hard magnets having functional properties adapted to automobile electric drives, the evolution of present material to reduce the critical elements content or to get rid of them. Finally a functional cost criteria will be set and discussed

Materiaux magnétiques: "Les nouveaux matériaux"

Engineering schoolCe document passe en revue les matériaux magnétiques doux nouveaux pour les application dans le domaine de l'énergie électrique

Contribution à l'étude des propriétés de matériaux magnétiques nanostructurés

This manuscript is presenting a years work on soft magnetic materials. Starting from some general considerations on the influence of size on physical systems, will propose a new classification of nanostructured material and its relevence in magntism. In a second step, a critical review of random anisotropy done with intention to show the relevence of shape anisotropy in Finemet type systems. A study of phase transition in FeCo based nanocrystallne materials is presented with emphasis on the role of cristalline fraction. In a third step, properties of soft magnetic composites processed from powder are presented, followed by a discussion on the magnetic structure of nanoparticles based on electron holography experiments. Finally, prospective of this work is presented.L'objectif des travaux présentés ci-après est d'inventer de nouveaux matériaux magnétiques fonctionnels pour des applications innovantes dans le domaine du génie électrique. L'approche scientifique développée depuis les prémices de ma thèse est basée sur la compréhension des processus d'aimantation mis en jeu à l'échelle nanométrique (comportement individuel) et à l'échelle macroscopique dans des matériaux hétérogènes nanostructurés (comportement collectif). Ce travail s'appuie sur un large partenariat interdisciplinaire depuis la chimie (élaboration des matériaux, analyse structurale) jusqu'à la physique (processus d'aimantation, interactions hyperfines, nanostructure magnétique) sans oublier l'ingénierie (mise en forme) et les industriels, sur le plan national et international. Cette démarche s'inscrit dans une logique de "bas en haut" (bottom-up en langage savant) telle qu'elle sera décrite plus loin en détails.Dans un premier temps, nous tenterons de définir les concepts scientifique qui caractérisent la science des nanomatériaux dans son ensemble et de proposer une nouvelle classification des nanomatériaux. Nous ferons appel aussi bien à des théories scientifiques établies qu'à une étude étymologique aux frontières de la physique et de la sémantique. Dans un deuxième temps, nous nous livrerons à une série "d'expériences théoriques" sur le nanomagnétisme, c'est à dire que nous nous efforcerons, en partant du concept d'anisotropie aléatoire, d'introduire des concepts théoriques originaux dans la simulation des propriétés magnétiques des matériaux nanostructurés. Dans un troisième temps enfin, nous tenterons de faire une analyse critique des travaux menés jusqu'à aujourd'hui dans le domaine des matériaux nanocristallisés à partir d'un précurseur amorphe et de leurs transitions magnétiques variées à haute température (superparamagnétisme, couplages d'échange...), sur les matériaux composités doux à base de nanopoudres et sur la structure magnétique des nanoparticules. Enfin, nous tenterons d'en tirer des conclusions utiles pour l'orientation des actions futures

Les matériaux magnétiques durs : état de l’art et tendances

International audienc

Étude et mise au point de transformateurs large bande radiofréquence

Ce travail de thèse s'inscrit dans la problématique de l'intégration des composants inductifs utilisés en radiofréquence (1 à 600 MHz). La diminution de la taille de ces composants passe principalement par une réduction des pertes en puissance du matériau. Nous avons donc été amenés à étudier les différents paramètres régissant l'évolution des pertes totales des ferrites Ni-Zn-Cu-Co en fonction de la température. La réduction des pertes totales a pu être obtenue grâce à l'introduction de faibles quantités de cobalt. Ces substitutions engendrent une compensation de l'anisotropie magnéto-cristalline et bloquent les parois de domaines. L'optimisation du comportement en température a été réalisée en ajustant le rapport Ni/Zn ainsi qu'en diminuant la concentration en cuivre. Les matériaux développés lors de cette étude présentent alors des pertes totales 4 à 5 fois inférieures aux ferrites commerciaux, à l'ambiante comme à haute température (> 80C). Des études ont également été menées afin de rendre ces ferrites compatibles avec la technologie de cofrittage à basse température. L'abaissement de la température de frittage, dû à l'ajout de Bi2O3, a permis de densifier ces matériaux vers 880C tout en conservant de bonnes propriétés en puissance. Des cofrittages avec des pistes conductrices et des matériaux diélectriques ont pu être réalisés. L'utilisation des ferrites Ni-Zn-Cu-Co en technologie multicouche a enfin pu être validée grâce à la réalisation de transformateurs cofrittés présentant des coefficients de couplage électromagnétique de 97%.This work concern the integration of inductive components used in radiofrequency range (1 to 600 MHz). The decrease of the component size can be achieved thanks to a reduction of the core loss. It was therefore decided to study the various parameters controlling the temperature dependence of core loss of the Ni-Zn-Cu-Co ferrites. The decrease of the core loss was obtained thanks to cobalt substitution. These substitutions lead to a magneto-crystalline compensation and also to a pinning of the domain walls. The stability versus temperature could be improved by adjusting the Ni/Zn ratio and by reducing the copper concentration. The ferrites developed in this study exhibit 4 to 5 times less loss compared to conventional ferrites, in a wide range of temperature (-50 to 100C). Studies were also carried out in order to make Ni-Zn-Cu ferrites compatible with the multilayer technology. The addition of Bi2O3 enabled to densify Ni-Zn-Cu-Co ferrites after firing at 880C, while keeping their good magnetic properties. Co-sintering with conductive and dielectric materials was achieved. The use of Ni-Zn-Cu-Co ferrites in multilayer technology had finally been validated through the realisation of co-fired transformers with electromagnetic coupling coefficient of 97%.CACHAN-ENS (940162301) / SudocSudocFranceF

Réduction des pertes à vide des transformateurs de distribution par utilisation de rubans amorphes

La présente étude traite l application des rubans amorphes dans les transformateurs de distribution dans l objectif de réduire les pertes dans le réseau d électricité. Les matériaux utilisés sont un alliage à base de fer, silicium et bore. Les premières études sur ce matériau amorphe révèlent une très bonne compatibilité chimique de ces derniers avec les huiles de transformateur. Ces rubans possèdent des durées de vie entièrement conforme aux exigences d ERDF. Les pertes à vide représentent un élément non négligeable dans l efficacité énergétique des matériels. Un transformateur amorphe génère 2 fois moins de pertes pendant toute sa vie qu un transformateur conventionnel C0Ck. D'un point de vue général, la technologie amorphe appliquée aux transformateurs de distribution publique présente un intérêt majeur pour la réduction des pertes à vide. L'investissement réalisé dans un matériel certes plus onéreux à l'origine se trouve rentabilisé grâce aux économies réalisées sur les pertes à vide. Le retour sur investissement est possible en 10 à 12 années environ mais reste très variable en fonction du prix d'achat négocié. La qualification des transformateurs amorphes nécessite que les matériels répondent aux exigences de la spécification d ERDF comme le critère "Tenue aux courants de court-circuit" qui constitue une composante essentielle dans l'acceptation des transformateurs amorphes. La tenue aux efforts de court-circuit a historiquement été problématique sur les transformateurs triphasés à noyaux amorphes. Le noyau se cisaille pendant le court-circuit, libérant des particules métalliques préjudiciables à la tenue diélectrique de l'appareil. Depuis, les constructeurs ont fait des progrès dans la conception mais les matériels ne sont pas encore pleinement satisfaisants. La tenue aux courts-circuits est l enjeu et le défi que doit franchir cette technologie pour s implanter et être crédible en Europe.This PhD deals with the application of amorphous ribbons in distribution transformer cores in order to reduce network losses. The material is an alloy from iron, boron and silicon compounds. The first results on the material reveal a good physicochemical compatibility with tested transformer dielectric fluids. It should be noted these materials possess a far longer life than the transformer itself. The potential for reducing losses from distribution transformers is considered as one element of EU and national strategies on energy efficiency. Losses generated through amorphous transformers are twice less than conventional ones. Amorphous ribbon units represent a significant new advance in transformer technology and losses reduction. The investment, put to purchase the product, can be easily gained by the capitalisation of losses. The return can be achieved in 10 to 12 years, depending on the purchase price. It is expected that a transformer will be subjected to a number of short-circuits during its service life, but sooner or later one such event will cause some slight winding movement, and the ability of the transformer to resist further short-circuits will then be severely reduced. Amorphous metal distribution transformers (AMDT) is no exception and they should be able to resist electrodynamic forces during short-circuit test and match ERDF specifications. In fact, during SC, extreme electrodynamic forces cause the windings to deform and this shape deformity creates a lot of shear stress on amorphous cores which lead to break-up of some ribbons. The active part of an amorphous transformer should be strong enough to resist these stresses. In fact, the behaviour of the core materials under short circuit currents depends especially on the know-how of manufacturers who can outline electrodynamic stress inside transformers. Concept design and processes have been improved in order to provide reliable devices but the task is not completely done yet. Short-circuit withstand is one of the most important aspects which will approve this technology.CACHAN-ENS (940162301) / SudocSudocFranceF

Etude du ferrite NiZnCu nanostructuré produit par SPS (des propriétés physiques à la réalisation de composants monolithiques intégrés)

Le travail présenté dans cette thèse s inscrit dans la thématique intégration de puissance . Il porte sur l étude des propriétés du matériau ferrite NiZnCu nanostructuré produit par SPS (frittage simple et réactif) et la réalisation de composants électromagnétiques monolithiques intégrés et leurs caractéristiques électriques. Les objectifs fixés au début de la thèse ont été atteints. Nous avons montré que des ferrites nanostructurés ayant des bonnes propriétés peuvent être obtenues par SPS. Pour un frittage simple, les principales caractéristiques structurales, diélectriques et magnétiques ont été déterminées pour différentes températures et temps de densification. Ces échantillons frittés montrent qu après une décarburation et des valeurs élevées de résistivité électrique, des faibles valeurs de la permittivité diélectrique, et des valeurs élevées de permabilité magnétique initiale et du facteur de mérite peuvent être obtenues et controlées par le temps et la température de frittage. La synthèse in-situ par SPS montrent aussi des propriétés similaires à celles obtenues par frittage simple. Nous avons aussi montré, pour des oxydes de départ de taille nanométrique, que les conditions de broyage et la synthèse in-situ par SPS permettent de concevoir des ferrites ayant des propriétès intéressantes avec des pertes constantes jusqu à 3 MHz à 15 mT et jusqu à une température voisine à 60 C. Les derniers obectifs ont été aussi atteints, l ensemble des cofrittages du ferrites avec des matériaux conducteurs et diélectriques montrent qu il est possible de réaliser des composants électromagnétiques monolithiques intégrés. Ces cofrittages montrent que le ferrite est compatible avec le cuivre, le titanate de barrium et des bandes coulées de diélectriques. Des composants inductifs et des transformateurs intégrés ont été réalisées. Les caractéristiques fréquentielles des composants inductifs montrent que l insertion du diélectrique augmente les performances du composant en reduisant les pertes et l impact des courants de polarisation. Pour les transformateurs réalisés avec diélectriques les résultats n ont pas été satisfaisants. Seul un transformateur sans matériau diélectrique a pu être réalisé et testé et comme attendu, le coefficient de couplage entre le primaire et secondaire s est avéré faible.The work presented in this thesis is part of the theme power integration . It covers the study of the nanostructured NiZnCu ferrite material sintered by SPS (simple and reactive sintering) and the realization of monolithic integrated components.The objectives set for the thesis have been achieved. We have shown that nanostructured ferrites with good properties can be obtained by SPS. For a simple sintering, the principal structural, dielectric and magnetic characteristics were determined for different temperatures and densification duration. These sintered samples after decarburization exhibit high electrical resistivity, low dielectric permittivity, high initial magnetic permeability and merit factor.These characteristics can be controlled by sintering time and temperature. The in-situ synthesis by SPS also shows similar properties than those obtained by simple sintering. We have also shown that the starting from oxides of nanometric size, the milling conditions and the in-situ synthesis by SPS can lead to design ferrites with interesting properties with constant losses up to 3 MHz, at 15 mT and up to a temperature of 60 C.Other the last objectives were also achieved. The co-sintering of ferrites with conductives and dielectric materials show that is possible to produce monolithic integrated electromagnetic components. These experiments show that the co-sintering ferrite is compatible with copper, barrium titanate and dielectric green tape. Inductive components and transformers were designed and fabricated. The frequency characteristics of inductive components show that the insertion of a dielectric increases the performance of components. Indeed, with dielectric, losses are lower and there is less variation in series resistance and inductance with bias current. For transformers with a dielectric layer, the results aren't satisfactory because the dielectric between the primary and secondary melts, during the fabrication creating a short-circuit. The low values of the coupling coefficient and efficiency of the transformer fabricated without a dielectric were predictable because of the large leakage inductance associated with the presence of a magnetic layer between the two windings of the transformer.CACHAN-ENS (940162301) / SudocSudocFranceF