Modelagem não linear de núcleos magnéticos aplicada à colheita de energia por indução
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2017 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB |
Texto Completo: | https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/12698 |
Resumo: | Inthescientificliterature,energyharvestingtofeedsensornodeinwirelesssensornetworks can be accomplished in several ways: by magnetic induction, by temperature difference between surfaces (thermal energy), by displacement/movement devices (kinetic energy), and others. Some works with magnetic energy harvesters take advantage the magnetic field produced by the mains electrical current (60 Hz) to supply these sensor nodes, through the principle of magnetic induction. Part of these works neglects the effects of hysteresis or saturation in the device’s magnetic material, which can lead to lower energy harvesting efficiency. To increase the efficiency of these devices, in this work is presented a nonlinear model of the magnetic harvester, whose structure is similar to those used in current transformers (CTs). The material in which the core is formed is a nanocrystalline alloy with very high relative magnetic permeability (greater than 100,000), different from the conventional materials used and with high non-linearity. The flux density and magnetic field in the harvester are modeled using Maxwell’s equations. A nonlinear constitutive relation using the hyperbolic tangent function is applied to approximate the phenomena of hysteresisandsaturationintheCT.Fromtheequationsobtained,theoutputvoltageofthe CT can be calculated and expressed by nonlinear differential equations whose resolution is given by numerical computational methods. To solve such equations the MATLAB© software was used. Experimental data (voltage, secondary and primary currents) were collected for various harvesters changing their dimensions, the number of secondary turns and the primary electrical current levels. From these data the hysteresis loop of the CTs was extracted and their magnetic parameters (for example the coercive field strength and saturation magnetic flux density). In addition to the nanocrystalline alloys, toroidal ferrite cores were used to verify if the model can reproduce the operation of traditional magnetic materials used in CTs. Simulation and experimental results were compared to validate the proposed model. It was verified that the model reproduced the operation of a nanocrystalline harvester and a ferrite harvester, with power harvested relative error (experimental versus simulated) less than 5% and less than 8%, respectively. |
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Modelagem não linear de núcleos magnéticos aplicada à colheita de energia por induçãoModelagem não linearColheita de energiaColetores magnéticosSaturaçãoNanocristalinoHistereseMétodos numéricosEnergy harvestingMagnetic harvesterSaturationNanocrystallineHysteresisNumerical methodsCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAInthescientificliterature,energyharvestingtofeedsensornodeinwirelesssensornetworks can be accomplished in several ways: by magnetic induction, by temperature difference between surfaces (thermal energy), by displacement/movement devices (kinetic energy), and others. Some works with magnetic energy harvesters take advantage the magnetic field produced by the mains electrical current (60 Hz) to supply these sensor nodes, through the principle of magnetic induction. Part of these works neglects the effects of hysteresis or saturation in the device’s magnetic material, which can lead to lower energy harvesting efficiency. To increase the efficiency of these devices, in this work is presented a nonlinear model of the magnetic harvester, whose structure is similar to those used in current transformers (CTs). The material in which the core is formed is a nanocrystalline alloy with very high relative magnetic permeability (greater than 100,000), different from the conventional materials used and with high non-linearity. The flux density and magnetic field in the harvester are modeled using Maxwell’s equations. A nonlinear constitutive relation using the hyperbolic tangent function is applied to approximate the phenomena of hysteresisandsaturationintheCT.Fromtheequationsobtained,theoutputvoltageofthe CT can be calculated and expressed by nonlinear differential equations whose resolution is given by numerical computational methods. To solve such equations the MATLAB© software was used. Experimental data (voltage, secondary and primary currents) were collected for various harvesters changing their dimensions, the number of secondary turns and the primary electrical current levels. From these data the hysteresis loop of the CTs was extracted and their magnetic parameters (for example the coercive field strength and saturation magnetic flux density). In addition to the nanocrystalline alloys, toroidal ferrite cores were used to verify if the model can reproduce the operation of traditional magnetic materials used in CTs. Simulation and experimental results were compared to validate the proposed model. It was verified that the model reproduced the operation of a nanocrystalline harvester and a ferrite harvester, with power harvested relative error (experimental versus simulated) less than 5% and less than 8%, respectively.NenhumaNa literatura científica, a colheita de energia para alimentar nós sensores em redes de sensores sem fio pode ser realizada de diversas formas: por indução magnética, pela diferença de temperatura entre superfícies (energia térmica), por deslocamento/movimento de dispositivos (energia cinética), entre outros. Trabalhos sobre coletores magnéticos de energia aproveitam o campo magnético produzido pela corrente elétrica da rede (60 Hz) para alimentar esses nós sensores através do princípio da indução magnética. Parte desses trabalhos desprezam os efeitos da histerese ou da saturação presentes no material magnético do coletor, o que pode acarretar em uma menor eficiência na colheita de energia. Para melhorar a eficiência desses dispositivos, neste trabalho é apresentado um modelo não linear de um coletor magnético, cuja construção física é análoga a dos transformadores de corrente (TCs). O material no qual é construído o núcleo é uma liga nanocristalina de altíssimapermeabilidaderelativa(maiorque100.000),diferentedosmateriaisconvencionais utilizados e de elevada não linearidade. A densidade de fluxo e a intensidade de campo magnético no coletor são modeladas através das equações de Maxwell. Uma relação constitutiva não linear utilizando a função tangente hiperbólica é aplicada para aproximar os fenômenos da histerese e da saturação no TC. A partir das equações obtidas, a tensão de saída do TC pode ser calculada e expressa por equações diferenciais não lineares cuja resolução se dá através de métodos numéricos computacionais. Para resolver tais equações utilizou-se o software MATLAB©. Dados experimentais (tensão e correntes do primário e secundário) foram medidos para diversos coletores variando suas dimensões, número de voltas do secundário e os níveis de corrente do primário. A partir desses dados foi levantado o laço de histerese dos TCs e extraídos seus parâmetros magnéticos (como, por exemplo, a intensidade de campo coerciva e densidade de fluxo magnético de saturação). Além das ligas nanocristalinas foram utilizados núcleos toroidais de ferrite, para verificar se o modelo consegue reproduzir o funcionamento de materiais magnéticos tradicionais utilizados em TCs. Resultados de simulação e experimentais foram comparados para validar o modelo proposto. Verificou-se que o modelo reproduziu o funcionamento de um coletor nanocristalino e de um coletor de ferrite, com erro relativo de potência colhida (experimental comparado com simulado) menor que 5% e menor que 8%, respectivamente.Universidade Federal da ParaíbaBrasilEngenharia ElétricaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFPBSouza, Cleonilson Protásio dehttp://lattes.cnpq.br/5635983022553950Rodriguez, Yuri Percy MolinaMoreira, Jailton Ferreira2018-12-18T17:54:48Z2018-12-182018-12-18T17:54:48Z2017-02-22info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/12698porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2018-12-18T17:54:48Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/12698Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2018-12-18T17:54:48Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false |
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