Estudo da aplicação de molas magnéticas na recolha da energia de fontes renováveis

Dissertação de Mestrado, Engenharia Elétrica e Eletrónica, Especialização em Sistemas de Energia e Controlo, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2016

Microstructural and magnetic properties of Nd-Fe-B alloys processed by equal-channel angular pressing

Equal-channel angular pressing (ECAP) is a well-established thermo-mechanical processing technique. This technique allows virtually unlimited strain and manipulation of texture by processing route, while the cross-section of the sample remains unchanged during processing. In order to clarify the effectiveness of ECAP on preparing anisotropic permanent magnets, the microstructure and magnetic properties of a melt-spun Nd13.5Fe73.8Co6.7B5.6Ga0.4 alloy processed at 773-K for 300-s by ECAP were investigated. Macrotexture analysis carried out for the exit channel of ECAP shows that the basal plane of the tetragonal Nd2Fe14B crystal aligns parallel to the shear band, i.e., the c-axis texture formation normal to the shear band induced by the ECAP process. Due to this texture formation, the technical magnetization behaviour becomes anisotropic, and the remanent magnetization is clearly enhanced along the direction perpendicular to the shear band. This anisotropic microstructure is realized at a relatively low processing temperature of 773-K, well below the melting point of the Nd-rich intergranular phase. As a consequence of this lower processing temperature, the nanostructure of the melt-spun alloy remains approximately 20 to 30-nm, considerably smaller than the typical grain size obtained after conventional die-upsetting. Our study demonstrates that equal-channel angular pressing has a potential for realising anisotropic nanostructured magnets.

Détermination de la spéciation du samarium dans l'environnement

Les éléments de terres rares (REEs) sont de plus en plus utilisés dans une multitude d’applications, notamment la fabrication d’aimants, de batteries rechargeables et les écrans de téléviseurs. Ils sont pour la plupart des métaux trivalents peu solubles dans les eaux naturelles. Comme pour les métaux divalents, le risque écologique des REEs est très probablement étroitement lié à leurs spéciations chimiques. Cependant, le comportement du samarium (Sm) dans les matrices environnementales est très peu connu et il n'existe actuellement aucune technique pour évaluer sa spéciation chimique. Dans cette optique, la technique d'échange d'ions (IET) sur la résine Dowex a été optimisée pour mesurer le samarium libre en solution. Les temps d'équilibre ont d'abord été déterminés pour des solutions tamponnées de samarium (Sm 6,7x10-8 M ; MES 1,0 mM M ; pH 6,0) en présence du nitrate de sodium (de 0,01M à 0,5 M). Pour ces diverses forces ioniques, l’équilibre thermodynamique n’est atteint que pour NaNO3 0,5M. Un autre mode d’utilisation de la résine (mode dynamique) a donc été développé pour tenir compte des conditions environnementales et évaluer efficacement le samarium libre. Les impacts des ligands organiques tels le NTA, l’EDTA, le citrate, l’acide malique et l’acide fulvique Suwannee River Standard I (SRFA) ont été étudiés par l’IET en mode dynamique. Une grande corrélation a été trouvée plus entre les taux d’accumulation de samarium sur la résine d’échange pour différents rapports NTA : Sm, EDTA : Sm, SRFA : Sm et le samarium libre. Par contre, aucune corrélation significative n’a été observée pour les ligands citrate et acide malique compte tenu des complexes qu’ils forment avec le samarium et qui s’adsorbent aussi sur la résine Dowex. Les concentrations Sm3+ mesurées par la technique IET ont été fortement corrélées avec celles prédites par le modèle WHAM 7.0 en utilisant la constante de stabilité obtenue par titration de SRFA par extinction de la fluorescence. Par ailleurs, la formation de colloïdes de samarium en fonction du pH influe grandement sur la détermination du samarium libre et doit être prise en compte dans la spéciation du samarium. L'IET assisté par des techniques auxiliaires comme le dosage par extinction de la fluorescence et le SP-ICPMS pourrait être une technique utile pour évaluer les concentrations de Sm biodisponible dans les eaux naturelles.

Dysprosium transport in Nd-Fe-B pellets

The addition of heavy rare earth (RE) elements to Nd2Fe14B based magnets to form (Nd,Dy)2Fe14B is known to increase the coercivity and high temperature performance required for hybrid vehicle electric motors and other extreme temperature applications. Attempts to conserve heavy rare earth elements for high temperature (RE)2Fe14B based magnets have led to the development of a grain boundary diffusion process for bulk magnets. This process relies on transport of a heavy rare earth, such as Dy, into a bulk Nd2Fe14B magnet along pores, a low volume fraction of eutectic liquid along grain boundary grain triple junctions and grain boundaries. This enriches the grain surfaces in Dy through the thickness of the bulk magnet, leading to larger increases coercivity with a smaller Dy concentration than can be achieved with homogeneous alloys. Attempts to carry out the same process during sintering require significant control of Dy transport efficiency. The macroscopic transport of Dy in Nd2.7Fe14B1.4 based powder packs is studied using a 'layered' pellet, where Nd2.7Fe14B1.4powder is an interlayer and Dy source as a center layer. The sintering of this layered pellet provided evidence for very large effective diffusion lengths aided by Dy rich liquid flow through connected porosity. Approaches to controlling Dy transportation include decreasing the liquid phase transport capability of the powder pack by increasing the melting point of the Dy source and the decreasing amount of RE rich liquid in the powder packs. The solid-liquid reaction is studied in which melt spun Nd2.7Fe14B1.4 ribbons are PVD coated with Dy-Fe eutectic composition and then thermally treated. The resulting microstructure from the reaction between Dy-Fe eutectic coating and Nd2.7Fe14B1.4 ribbon is interpreted as support for a proposed dissolution/reprecipitation process between solid and liquid phases. The estimate the diffusion coefficient and the effective diffusion length of Dy sources in Nd2.7Fe14B1.4 layered pellets and melt spun ribbons were obtained from the calculation of Fick's second law combined with EDS results from the experiment. The results indicate that the effective diffusion coefficient of Dy in the layered pellets is higher than the diffusion in ribbons due to its higher porosity than ribbons.

Design Optimization of Modern Machine-drive Systems for Maximum Fault Tolerant and Optimal Operation

Modern electric machine drives, particularly three phase permanent magnet machine drive systems represent an indispensable part of high power density products. Such products include; hybrid electric vehicles, large propulsion systems, and automation products. Reliability and cost of these products are directly related to the reliability and cost of these systems. The compatibility of the electric machine and its drive system for optimal cost and operation has been a large challenge in industrial applications. The main objective of this dissertation is to find a design and control scheme for the best compromise between the reliability and optimality of the electric machine-drive system. The effort presented here is motivated by the need to find new techniques to connect the design and control of electric machines and drive systems. A highly accurate and computationally efficient modeling process was developed to monitor the magnetic, thermal, and electrical aspects of the electric machine in its operational environments. The modeling process was also utilized in the design process in form finite element based optimization process. It was also used in hardware in the loop finite element based optimization process. The modeling process was later employed in the design of a very accurate and highly efficient physics-based customized observers that are required for the fault diagnosis as well the sensorless rotor position estimation. Two test setups with different ratings and topologies were numerically and experimentally tested to verify the effectiveness of the proposed techniques. The modeling process was also employed in the real-time demagnetization control of the machine. Various real-time scenarios were successfully verified. It was shown that this process gives the potential to optimally redefine the assumptions in sizing the permanent magnets of the machine and DC bus voltage of the drive for the worst operating conditions. The mathematical development and stability criteria of the physics-based modeling of the machine, design optimization, and the physics-based fault diagnosis and the physics-based sensorless technique are described in detail. To investigate the performance of the developed design test-bed, software and hardware setups were constructed first. Several topologies of the permanent magnet machine were optimized inside the optimization test-bed. To investigate the performance of the developed sensorless control, a test-bed including a 0.25 (kW) surface mounted permanent magnet synchronous machine example was created. The verification of the proposed technique in a range from medium to very low speed, effectively show the intelligent design capability of the proposed system. Additionally, to investigate the performance of the developed fault diagnosis system, a test-bed including a 0.8 (kW) surface mounted permanent magnet synchronous machine example with trapezoidal back electromotive force was created. The results verify the use of the proposed technique under dynamic eccentricity, DC bus voltage variations, and harmonic loading condition make the system an ideal case for propulsion systems.

Détermination de la spéciation du samarium dans l'environnement

Les éléments de terres rares (REEs) sont de plus en plus utilisés dans une multitude d’applications, notamment la fabrication d’aimants, de batteries rechargeables et les écrans de téléviseurs. Ils sont pour la plupart des métaux trivalents peu solubles dans les eaux naturelles. Comme pour les métaux divalents, le risque écologique des REEs est très probablement étroitement lié à leurs spéciations chimiques. Cependant, le comportement du samarium (Sm) dans les matrices environnementales est très peu connu et il n'existe actuellement aucune technique pour évaluer sa spéciation chimique. Dans cette optique, la technique d'échange d'ions (IET) sur la résine Dowex a été optimisée pour mesurer le samarium libre en solution. Les temps d'équilibre ont d'abord été déterminés pour des solutions tamponnées de samarium (Sm 6,7x10-8 M ; MES 1,0 mM M ; pH 6,0) en présence du nitrate de sodium (de 0,01M à 0,5 M). Pour ces diverses forces ioniques, l’équilibre thermodynamique n’est atteint que pour NaNO3 0,5M. Un autre mode d’utilisation de la résine (mode dynamique) a donc été développé pour tenir compte des conditions environnementales et évaluer efficacement le samarium libre. Les impacts des ligands organiques tels le NTA, l’EDTA, le citrate, l’acide malique et l’acide fulvique Suwannee River Standard I (SRFA) ont été étudiés par l’IET en mode dynamique. Une grande corrélation a été trouvée plus entre les taux d’accumulation de samarium sur la résine d’échange pour différents rapports NTA : Sm, EDTA : Sm, SRFA : Sm et le samarium libre. Par contre, aucune corrélation significative n’a été observée pour les ligands citrate et acide malique compte tenu des complexes qu’ils forment avec le samarium et qui s’adsorbent aussi sur la résine Dowex. Les concentrations Sm3+ mesurées par la technique IET ont été fortement corrélées avec celles prédites par le modèle WHAM 7.0 en utilisant la constante de stabilité obtenue par titration de SRFA par extinction de la fluorescence. Par ailleurs, la formation de colloïdes de samarium en fonction du pH influe grandement sur la détermination du samarium libre et doit être prise en compte dans la spéciation du samarium. L'IET assisté par des techniques auxiliaires comme le dosage par extinction de la fluorescence et le SP-ICPMS pourrait être une technique utile pour évaluer les concentrations de Sm biodisponible dans les eaux naturelles.

Frequency adjustable MEMS vibration energy harvester

Ambient mechanical vibrations offer an attractive solution for powering the wireless sensor nodes of the emerging "Internet-of-Things". However, the wide-ranging variability of the ambient vibration frequencies pose a significant challenge to the efficient transduction of vibration into usable electrical energy. This work reports the development of a MEMS electromagnetic vibration energy harvester where the resonance frequency of the oscillator can be adjusted or tuned to adapt to the ambient vibrational frequency. Micro-fabricated silicon spring and double layer planar micro-coils along with sintered NdFeB micro-magnets are used to construct the electromagnetic transduction mechanism. Furthermore, another NdFeB magnet is adjustably assembled to induce variable magnetic interaction with the transducing magnet, leading to significant change in the spring stiffness and resonance frequency. Finite element analysis and numerical simulations exhibit substantial frequency tuning range (25% of natural resonance frequency) by appropriate adjustment of the repulsive magnetic interaction between the tuning and transducing magnet pair. This demonstrated method of frequency adjustment or tuning have potential applications in other MEMS vibration energy harvesters and micromechanical oscillators.