Contribution to modelling of magnetoelectric composites for energy harvesting

par Gang Yang

Thèse de doctorat en Mécanique Acoustique Electronique et Robotique

Sous la direction de Zhuoxiang Ren.

Soutenue le 05-12-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique et Electromagnétisme (laboratoire) .

Le président du jury était Stéphane Holé.

Le jury était composé de Nicolas Galopin, Hakeim Talleb.

Les rapporteurs étaient Xavier Mininger, Abdelkader Benabou.

  • Titre traduit

    Composition à la modélisation des composites magnétoélectriques pour la récupération d'énergie


  • Résumé

    Dans le domaine de l'Internet des Objets (IOT) les matériaux magnétoélectriques composites (MEC) trouvent leurs potentiels utilités dans la récupération d'énergie de microsystèmes autonomes. L'aspect géométrique des matériaux MEC se traduit par l'assemblage de matériaux piézoélectriques et magnétostrictifs sous formes laminaires ou sous formes de mixture par grains. Dans tous les cas ces matériaux possèdent, sous certaines conditions, des coefficients magnétoélectriques qui peuvent fournir des tensions et des puissantes suffisantes pour alimenter des microsystèmes autonomes. Mes travaux de recherche ont porté essentiellement sur une contribution à la modélisation de ces matériaux MEC à l'aide de méthodes analytiques et d'un code numérique basé sur la méthode des éléments finis (MEF) en 2D. Une méthode basée sur la combinaison du tenseur de Maxwell avec le model de Jiles-Atherton modifié a été proposée pour inclure dans la MEF la non-linéarité des couches magnétostrictives. Une étude sur les performances des structures multicouches a été réalisée afin de déterminer la configuration optimale pour les matériaux élaborés à base de couches minces. Une potentielle application dans le domaine biomédical est finalement présentée afin de prouver l'efficience d'un transducteur d'énergie MEC dans ce domaine. Une série de mesures sur un composite bilame est présentée à la fin afin de montrer le plein accord avec la partie modélisation réalisée.


  • Résumé

    Currently, the "Internet of Everything" (IoE) technologies have attracted significant researchers in the international scientific community. The IoE is based on the idea that identifiable objects are located and controlled via the Internet. To achieve this goal, it is necessary to design embedded systems in millimeter/micrometer scales composed of wireless sensor nodes while overcoming a major drawback of the excessive use of batteries which are limited in lifetime and yield pollutants. The problem calls for the supply of green energy harvesting for wireless sensors. To utilize mechanical vibrations and electromagnetic energy more efficiently, it would be necessary to get simultaneously both energies using materials sensitive to the electromagnetic field and the mechanical vibration such as magnetoelectric materials (ME) that combine the magnetostrictive and piezoelectric effects. Experimental results of ME coefficients from the fabricated ME composites have confirmed the possibility to obtain a few of V/(cm∙Oe) in no-resonant regime and few tens of V/(cm∙Oe) in resonant regime. In case of classical laminate bulk material (Terfenol-D/PZT/Terfenol-D), the delivered powers into optimal impedance are in the order of mW/ cm3. Thus in this context the research work in this thesis focuses on the establishment and assessment of the modelling approaches. The contribution includes analytical numerical methods and a 2D multiphysics finite element method to estimate the performance of the ME materials according to different polarizations and parameters.


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