Avaliação de compósitos magnetoelétricos para aplicações em energy harvesting e atuadores

Abstract

Num mundo em constante evolução tecnológica, a criação de dispositivos de pequeno porte, baixo custo e utilização energética eficiente torna-se cada vez mais preponderante. Neste sentido, o desenvolvimento de diversos sistemas na área de Energy Harvesting apresenta-se como uma abordagem interessante para melhorar a eficiência energética da eletrónica de baixo consumo. Esta dissertação tem como principal objetivo a “Avaliação de compósitos magnetoelétricos para aplicações em Energy Harvesting e atuadores”. Os compósitos magnetoelétricos (ME) são constituídos por dois tipos de materiais acoplados, um material piezoelétrico e outro magnetoestritivo. Estes compósitos alteram a sua polaridade quando sujeitos a um campo magnético (efeito ME direto) ou a sua magnetização quando sujeitos a um campo elétrico (efeito ME inverso). Deste modo, alguns dos materiais atualmente utilizados para sensores, atuadores ou elementos eletrónicos poderão vir a ser substituídos por estes materiais inovadores e de baixo custo. Aplicações a serem desenvolvidas incluem transdutores, antenas, filtros, memórias, dispositivos de energy harvesting, ressonadores, entre outros. Será descrito o desenvolvimento e implementação de um equipamento que permite testar materiais ME para o efeito direto, assim como do desenvolvimento de um circuito para aproveitamento de energia elétrica por meio de campos magnéticos, isto é, Energy Harvesting através destes materiais. Para isso, é dado ênfase a diferentes topologias de Energy Harvesting baseados em circuitos tais como: retificador de onda completa, duplicador de tensão, multiplicador de tensão e Dickson charge pump, fazendo uma comparação através de testes de otimização de potência, para futuramente alimentar um dispositivo de baixo consumo. Atingiu-se uma potência máxima de 6,41 μW utilizando o multiplicador de tensão, utilizando um campo magnético alternado (Hac) de 0,477 Oe†e um campo magnético contínuo (Hdc) de 4,75 Oe, gerados por dois pares de bobinas de Helmholtz, aplicados ao transdutor magnetoelétrico. Por outro lado, fez-se uma tentativa de prova de conceito do efeito ME inverso utilizando um sensor de campo magnético com uma resolução na ordem dos μOe com o intuito de detetar o campo magnético produzido pela amostra ME.

We live in an age of exponential technological evolution, craving for smaller low-cost efficient energy devices. In this sense, the development of many systems, in the Energy Harvesting field presents an interesting approach to improve energy efficiency in low power electronic devices. This current project aims the “Evaluation of magnetoelectric composites for applications in Energy Harvesting and actuators”. The magnetoelectric (ME) composites are the result from the attachment of piezoelectric and magnetostrictive layers. These composites change their polarity when subjected to a magnetic field (direct ME effect), or magnetization when subjected to an electrical field (inverse ME effect). Thus, some of the materials currently used for sensors, actuators or electronic devices may be replaced by these innovative low cost materials. The applications are based on transducers, antennas, filters, memories, energy harvesting devices, resonators, among others. It will be described the development and implementation of a device that allows the test of the direct ME effect in such materials, as well as the development of the circuit in order to harvest electrical energy from the magnetic field, i.e. Energy Harvesting through magnetoelectric materials. Thereby, emphasis will be given to different circuits topologies such as full wave rectifier, voltage doubler and multiplier circuits, and Dickson charge pump. All the topologies were evaluated in terms of efficiency, regarding the energy harvested on each test, in order to sustain the highest possible range of low power devices. It was reached a maximum power of 6.41 μW, in the voltage multiplier circuit, applying an alternating magnetic field (Hac) of intensity of 0.477 Oe† and a direct magnetic field (Hdc) of 4.75 Oe, generated by two pairs of Helmholtz coils, applied to the ME transducer. Moreover, an attempt was also made to produce the inverse ME effect using a magnetic field sensor with high resolution in order to detect the magnetic field produced by the ME sample.