بررسي اثر ابعاد بر برداشت كننده‌ي انرژي با آلياژ حافظه‌دار مغناطيسي در دو پيكربندي مختلف

An investigation on effectiveness of dimension on Magnetic Shape Memory Alloy based energy harvester with two different configurations

در اين مقاله، مدل ساختاري پايه ترموديناميكي براي مدلسازي رفتار آلياژ حافظه‌دار مغناطيسي طي اعمال كرنش در يك سيستم برداشت‌كننده انرژي بكار برده شده است. در اين سيستم با اعمال كرنش به آلياژ، مغناطش داخلي آن تغيير كرده و در نتيجه شار اطراف آن تغيير مي‌كند. با قرار دادن يك سيم‌پيچ مي‌توان اين تغيير شار را به ولتاژ تبديل نمود. براي بررسي اثر تغيير ابعاد در انرژي استحصالي، فاكتور مغناطيس‌زدائي براي ابعاد مختلف از رابطه تحليلي مواد فرومغناطيسي مكعب مستطيل محاسبه و نتايج با داده‌هاي مرجع راستي آزمايي شده‌اند. با استفاده از اين رابطه اثر تغيير ابعاد در مقادير فاكتور مغناطيس‌زدائي بررسي شده‌اند. با افزايش ضخامت آلياژ، فاكتور مغناطيس‌زدائي در راستاي طولي بيشتر و در راستاي عرضي كمتر مي‌شود در حاليكه اين فاكتور براي هردو راستا با افزايش عرض قطعه افزايش مي‌يابد. مدل ساختاري آلياژ براي پيكربندي كه سيم‌پيچ برداشت‌كننده دور آلياژ پيچيده مي‌شود و براي پيكربندي كه از هسته فرومغناطيسي براي هدايت شار استفاده مي‌شود، بكار برده شده است. شبيه‌سازي در ضخامت‌هاي مختلف آلياژ نشان مي‌دهد افزايش ضخامت در پيكربندي كه سيم‌پيچ دور آلياژ قرار دارد باعث افزايش ولتاژ بصورت خطي مي‌شود در صورتيكه براي پيكربندي -هسته‌دار افزايش ضخامت در ضخامت‌هاي كم باعث افزايش ولتاژ و در ضخامت‌هاي زياد افزايش كمتر ولتاژ رادر پي دارد. با افزايش عرض آلياژ، هردو پيكربندي افزايش ولتاژ خطي دارند اگرچه در سيستم هسته‌دار شيب خط افزايش ولتاژ بيشتر است. افزايش طول هم بدون اينكه در ولتاژ خروجي پيكربندي با سيم‌پيچ دور آلياژ تغييري ايجاد كند باعث افزايش ولتاژ خروجي سيستم هسته‌دار مي‌شود.

In this paper, a thermodynamic based constitutive model used to model the behavior of magnetic shape memory alloy (MSMA) during applying strain in an energy harvester. In this type of energy harvester, applying strain changes the internal magnetization of MSMA and as a result changes the flux density around it. Using a coil the flux change can be converted to voltage. In order to study the effect of changing MSMA dimensions on the amount of harvested energy, the demagnetization factor for different dimensions derived from an analytic expression for ferromagnetic prisms and the results are validated by reference data. Increasing MSMA thickness results in increasing longitudinal demagnetization factor and decreasing transversal demagnetization factor. The constitutive model of MSMA is used in modeling an energy harvester using two different configurations; one a pickup coil turned around MSMA and second a system with ferromagnetic core to conduct magnetic flux and the pickup coil around core. Simulation of two models at different thicknesses shows that increasing thickness in system with coil around MSMA results in linear increase of voltage while this parameter in second configuration leads to a nonlinear increase of voltage. Furthermore, simulations show that increase of MSMA width, results in linear increase of output voltage in both configurations but with steepest rate for system with ferromagnetic core. Finally, increasing the length of MSMA specimen shows no changes in voltage for the system with coil around MSMA, while linear increase in voltage for the system with core is recorded.