This paper summarizes and extends the modeling state of the art of magnetostrictive energy harvesters with a focus on the pick-up coil design. The harvester is a one-sided clamped galfenol unimorph loaded with two brass pieces each containing a permanent magnet to create a biased magnetic field. Measurements on different pick-up coils were conducted and compared with results from an analytic model. Resistance, mass and inductance were formulated and proved by measurements. Both the length for a constant number of turns and the number of turns for a constant coil length were also modeled and varied. The results confirm that the output voltage depends on the coil length for a constant number of turns and is higher for smaller coils. In contrast to a uniform magnetic field, the maximal output voltage is gained if the coil is placed not directly at but near the fixation. Two effects explain this behavior: Due to the permanent magnet next to the fixation, the magnetic force is higher and orientates the magnetic domains stronger. The clamping locally increases the stress and forces the magnetic domains to orientate, too. For that reason the material is stiffer and therefore the strain smaller. The tradeoff between a higher induced voltage in the coil and an increasing inductance and resistance for every additional turn are presented together with an experimental validation of the models. Based on the results guidelines are given to design an optimal coil which maximizes the output power for a given unimorph.

Le travail effectué dans cette thèse a pour thème central la conception d’un aimant quadripolaire supraconducteur en Nb-Ti destiné à remplacer à l’horizon 2014 les aimants d’insertions actuellement utilisés dans le grand collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN de Genève. Ce nouveau quadripôle, caractérisé par un diamètre d’ouverture encore jamais atteint (120 mm), ouvre la voie vers les quadripôles à grandes ouvertures. Tout d’abord, pour rapidement estimer l’énergie magnétique stockée dans un quadripôle de type cos2?, une formule analytique basée sur la décomposition en série de Fourier du courant et permettant d’estimer l’énergie avec une précision de 10 % est développée. Le design magnétique de la section transverse de la bobine du quadripôle est ensuite réalisé en utilisant une nouvelle méthode d’optimisation basée sur les équations analytiques du champ magnétique. Puis, pour la première fois, une estimation de la reproductibilité dans le positionnement des blocs de conducteurs dans des aimants Nb3Sn est faite. Elle a été réalisée à l’aide d’une méthode existante et grâce à la production récente de deux séries d’aimants Nb3Sn. Une comparaison avec les valeurs obtenues pour des aimants en Nb-Ti est présentée. Ensuite, une méthode analytique basée sur les statistiques et permettant d’expliquer certains phénomènes observés sur la dispersion des mesures magnétiques dans une série de quadripôles est développée. Enfin, on montre que l’incertitude sur la moyenne des harmoniques de champ est due pour la majorité des harmoniques à un phénomène statistique lié au nombre limité d’aimants dans la série et non à des erreurs systématiques / The main objective of the work presented in this thesis is the design of a quadrupole magnet based on Nb-Ti. It aims at replacing the current insertion quadrupoles used in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN by 2014. This new quadrupole features an unprecedented large aperture (120 mm) and opens the way toward large aperture quadrupoles. First, to rapidly estimate the magnetic energy stored in a cos2?-type quadrupole, an analytical formula based on the Fourier transform of the current is developed. It allows estimating the energy with a precision of 10 %. Secondly, the magnetic design of the quadrupole coil cross-section is realized using a novel optimization method based on analytical equations of the magnetic field. Subsequently, for the first time, an estimate of the reproducibility in the coil-blocks positioning in Nb3Sn magnets is given. The estimate has been obtained by using an existing method and from tow recently built Nb3Sn magnet series. A comparison with values obtained for Nb-Ti magnets is also presented. Following this, an analytical method based on statistics is developed. It makes possible to explain some phenomenon observed on the dispersion of the magnetic measurement in a quadrupole series. Finally, we show that the uncertainty in the mean of the magnetic field errors is for most of the harmonics related to statistical errors due to the limited number of magnets in the series, and not because of systematic defects in the coil

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) appliquée au domaine vétérinaire exploite des systèmes à bas champ magnétostatique qui ont de nombreux avantages, notamment leur faible coût d'achat et d'entretien. Mais sur ces machines, les capteurs radiofréquence (RF) sont initialement dédiées à l'homme et ne permettent pas une qualité d'image optimale. Dans le cadre de cette thèse, des méthodes simples d'optimisation de capteurs à 0,2 T ont été développées, puis exploitées pour des applications de recherche et préclinique. Le travail d'optimisation a été partagé en deux axes. Dans un premier temps, un modèle analytique a été développé sous MATLAB pour l'estimation du rapport signal sur bruit intrinsèque à un capteur paramétré par ses dimensions et les propriétés de l'objet imagé. La validation du modèle a été obtenue par la comparaison entre mesures et simulations du facteur de qualité. Cette méthode d'optimisation a été appliquée pour deux études spécifiques qui ont fait l'objet d'une publication. Dans un second temps, un travail sur le découplage actif a été mené. En effet, sur l'IRM 0,2 T à notre disposition, le découplage passif est la méthode retenue par le constructeur. Mais pour certaines applications des artefacts d'imagerie sont inévitables et le facteur de qualité réduit. Des moyens de découplage actif ont donc été développés. Les performances des capteurs ainsi équipés se sont avérées meilleures qu'en découplage passif. Ce système de découplage associé à un dispositif de connexion par couplage inductif du signal de résonance magnétique a été également démontré à 3 T comme une preuve de concept d'un dispositif de connexion universelle. Ce dispositif a fait l'objet d'un article récemment soumis pour publication / Magnetic resonance imaging {MRl) in veterinary practice employs low magnetostatic field devices which have numerous advantages such as their low maintenance and initial cost. Yet, the radiofrequency {RF) coils commercially provided with these devices are dedicated to human morphology, therefore reducing image quality. ln this work, simple optimization methods for 0.2 T RF coils were developed for an implementation in research and preclinical studies. Optimization protocol was subdivided into two main steps. First, an analytical model was developed using MATLAB in order to estimate the intrinsic signal to noise ratio variations with coil and imaged sample characteristics. Validation of the model was assessed thanks to quality factor comparison between simulated and measured values. The use of the analytical model for two specific studies was described in a recently accepted publication. Second, active decoupling was investigated. lndeed, passive decoupling is the decoupling method implemented on the 0.2 T MR device at our disposal. However, this technique can lack of efficiency in some experiments, inducing imaging artifacts and reduced quality factor. Active decoupling method was therefore implemented. The electronic performances of the coils equipped this way were better than in passive decoupling. This active decoupling device combined with an inductive coupling connecting system was tested at 3 T to demonstrate the technical feasibility of a new universal connecting device, for which an article was recently submitted