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Design, simulation, construction and characterization of a vibrant magnetic structure for its use in magnetostrictive energy harvesters

El trabajo consiste en el diseño, simulación, construcción y caracterización de una estructura magnética vibrante para su potencial uso como base en recolectores de energía (“harvesters”) magnetostrictivos vibracionales. Este elemento transfiere las vibraciones de una fuente del entorno al material magnetostrictivo activo, permitiendo de esta forma la generación de energía a través de los cambios experimentados en la magnetización y los principios de la ley de Faraday. Por lo tanto, su rendimiento es esencial en la siguiente conversión energética en el dispositivo recolector. En la primera parte del trabajo se realizarán varias simulaciones numéricas (con MATLAB® y Gmsh© ) para verificar la viabilidad del diseño y optimizar el sistema. Esta tarea se realizará a través de la modificación de parámetros relevantes para reducir la frecuencia de resonancia y maximizar las tensiones generadas en el material activo para obtener la máxima potencia de salida. La reducción de la frecuencia de resonancia está justificada porque la mayoría de los procesos industriales tienen lugar a frecuencias entorno a o incluso por debajo de los 100 Hz. En este rango de frecuencias los recolectores piezoeléctricos, los más comúnmente utilizados, presentan desventajas significativas relacionadas con el progresivo aumento de sus dimensiones conforme la frecuencia disminuye. En este contexto, un diseño de estructura compacta, sencilla, duradera y barata podría mejorar el rendimiento de la recolección de energía vibracional en aplicaciones industriales gracias a la sustitución de los recolectores piezoeléctricos por recolectores magnetostrictivos. En la segunda parte del proyecto se construirá un prototipo en el laboratorio y se caracterizará para comprobar si los resultados experimentales coinciden con los resultados de las simulaciones numéricas y si se obtiene un resultado satisfactorio en términos de frecuencia de resonancia y amplitud de vibración.

The project consists of the design, simulation, construction and characterization of a vibrant magnetic structure for its potential use as the core of magnetostrictive vibrational energy harvesters. This element transfers the vibrations from an environmental source to the active magnetostrictive material, enabling this way the energy generation through the experienced magnetization changes and Faraday’s law principles. So, its performance becomes essential in the subsequent energy conversion efficiency of the harvester device. The first part of the project consists of several numerical simulations (by using MATLAB® and Gmsh© ) to verify the viability of the design and optimize the system. This task will be done by the modification of relevant parameters to reduce the resonance frequency and maximize the stresses generated in the active material for obtaining the maximum output power. The reduction of the working frequency is justified since most of the industrial processes take place at frequencies around or even lower than 100 Hz. At this interval, the piezoelectric harvester devices, which are the most commonly used, present relevant disadvantages related to their increasing size as frequency decreases. In this context, a compact, simple, long lasting and cheap structure design could improve vibrational energy harvesting performance in industrial applications thank to the substitution of piezoelectric harvesters by magnetostrictive ones. In the second part of the project a prototype will be built in the laboratory and it will be characterized to verify if the experimental results agree with the numerical simulations and if satisfactory performance is obtained in terms of resonance frequency and amplitude of vibration.