O presente trabalho trata do estudo e análise da influência da saturação magnética no torque de uma máquina síncrona com ímã permanente no rotor. A máquina síncrona em es-tudo trata-se de uma máquina cuja forma de onda de força contra eletromotriz é trapezoidal. Inicialmente é feito um estudo sobre os efeitos da saturação magnética nos três principais parâmetros da máquina, indutância de fase, relutância (vista pelo circuito que tem como fonte de fluxo magnético os ímãs permanentes) e a força contra eletromotriz. Em seguida, realiza-se um estudo sobre o torque eletromagnético para a máquina e a importância dos parâmetros estudados, demonstrando a forte dependência da qualidade do torque com estes parâmetros. Com base nos estudos sobre saturação e torque, objetiva-se, portanto, descrever o comportamento de cada um dos parâmetros quando da saturação da máquina e quanto/como cada um deles afeta o torque eletromagnético da máquina. A fim de se estudar cada componente do torque separadamente, avalia-se a máquina por meio do Método da Permeabilidade Fixa. Por fim, faz-se simulações em elementos finitos empregando o método apresentado e os resultados são analisados. / This work deals with the influence of magnetic saturation on torque of permanent mag-net synchronous machine. At first, a study of magnetic saturation is carried out in order to understand its influence on three main machines parameters, phase inductance, magnet re-luctance and back electromotive force. A study describing the electric torque and its compo-nents is carried out. This study explain the importance of each machines parameter on electric torques smoothness and amplitude. In order to investigate and describe each torques com-ponent, a review on Frozen Permeability Method is developed. At last, some simulation by means of finite element method with Frozen Permeability Method are carried out. The results are shown and analyzed.

Este trabalho tem por objetivo estudar e avaliar uma técnica de determinação de posição inicial de rotor em máquinas síncronas de ímã permanente de superfície. A técnica de determinação de posição inicial é baseada na aplicação de pulsos ao motor. É proposto também um algoritmo de ajuste automático desses pulsos de forma a criar um mecanismo genérico de determinação de posição inicial de ângulo de rotor para o tipo de máquina em estudo. Simulações são realizadas de forma a garantir funcionamento correto do algoritmo que foi implementado em código C com matemática de ponto fixo. A implementação foi realizada utilizando-se um microcontrolador comercial de baixo custo que não possui hardware para aritmética de ponto flutuante. Um descritivo detalhado da implementação, do sistema de testes e resultados são apresentados ao longo do texto. / This work aims the study and evaluation of a rotor initial angle estimation technique in surface mounted permanent magnet synchronous machine. The technique of the rotor initial angle estimation is based on pulse injection to the motor. It is also proposed in this work an automatic pulse adjustment algorithm in order to create a generic mechanism to estimate rotor initial angle for the machine type under study. Simulations are performed in order to ensure the proper functionality of the algorithm which was implemented in C code with fixed point mathematics. The implementation was performed using a comercial low cost microcontroller which does not have floating point arithmetic capability. A detailed description of the implementation, test system and results are presented in this text.

O presente trabalho trata do desenvolvimento de um sistema de controle vetorial para máquinas elétricas síncronas de ímã permanente (MSIP), com forma de onda da força contra eletromotriz (FCEM) não senoidal, sem a utilização de sensor de posição angular do eixo. O sistema de controle é desenvolvido utilizando a transformação não-senoidal dqx, que exige a todo instante o conhecimento da posição do rotor, assim aplica-se um estimador de posição baseado nas medidas elétricas e no modelo matemático da máquina elétrica utilizando o filtro de Kalman juntamente com PLLs. Abordam-se a modelagem matemática da máquina, as técnicas de controle sem sensor tradicionais e as abordagens de controle de alto desempenho sem o uso de sensor de posição. Mostra-se o sistema proposto bem como os resultados da sua aplicação em ambiente simulado e por meio de testes práticos em bancada, mostrando o comportamento dinâmico da máquina síncrona. / This work deals with the development of a vector control system for permanent magnet synchronous machines (PMSM), with non-sinusoidal back electromotive force (Back EMF) waveforms, widely known as the BLDC machine, without shaft angular position sensor. The control system is developed using the non-sinusoidal transformation dqx, which demands constant knowledge of the shaft\'s angular position. This way, a position estimator is applied, based solely on electrical measurements and the machines mathematical model applying the Kalman filter and PLLs. Thus, the machines mathematical modelling, and the sensorless control and estimation approaches are reviewed. The developed system is explained, along with the results obtained trough simulations and practical tests, demonstrating the dinamic behavior of the PMSM.

O presente trabalho trata do estudo e análise da influência da saturação magnética no torque de uma máquina síncrona com ímã permanente no rotor. A máquina síncrona em es-tudo trata-se de uma máquina cuja forma de onda de força contra eletromotriz é trapezoidal. Inicialmente é feito um estudo sobre os efeitos da saturação magnética nos três principais parâmetros da máquina, indutância de fase, relutância (vista pelo circuito que tem como fonte de fluxo magnético os ímãs permanentes) e a força contra eletromotriz. Em seguida, realiza-se um estudo sobre o torque eletromagnético para a máquina e a importância dos parâmetros estudados, demonstrando a forte dependência da qualidade do torque com estes parâmetros. Com base nos estudos sobre saturação e torque, objetiva-se, portanto, descrever o comportamento de cada um dos parâmetros quando da saturação da máquina e quanto/como cada um deles afeta o torque eletromagnético da máquina. A fim de se estudar cada componente do torque separadamente, avalia-se a máquina por meio do Método da Permeabilidade Fixa. Por fim, faz-se simulações em elementos finitos empregando o método apresentado e os resultados são analisados. / This work deals with the influence of magnetic saturation on torque of permanent mag-net synchronous machine. At first, a study of magnetic saturation is carried out in order to understand its influence on three main machines parameters, phase inductance, magnet re-luctance and back electromotive force. A study describing the electric torque and its compo-nents is carried out. This study explain the importance of each machines parameter on electric torques smoothness and amplitude. In order to investigate and describe each torques com-ponent, a review on Frozen Permeability Method is developed. At last, some simulation by means of finite element method with Frozen Permeability Method are carried out. The results are shown and analyzed.

O presente trabalho trata do desenvolvimento de um sistema de controle vetorial para máquinas elétricas síncronas de ímã permanente (MSIP), com forma de onda da força contra eletromotriz (FCEM) não senoidal, sem a utilização de sensor de posição angular do eixo. O sistema de controle é desenvolvido utilizando a transformação não-senoidal dqx, que exige a todo instante o conhecimento da posição do rotor, assim aplica-se um estimador de posição baseado nas medidas elétricas e no modelo matemático da máquina elétrica utilizando o filtro de Kalman juntamente com PLLs. Abordam-se a modelagem matemática da máquina, as técnicas de controle sem sensor tradicionais e as abordagens de controle de alto desempenho sem o uso de sensor de posição. Mostra-se o sistema proposto bem como os resultados da sua aplicação em ambiente simulado e por meio de testes práticos em bancada, mostrando o comportamento dinâmico da máquina síncrona. / This work deals with the development of a vector control system for permanent magnet synchronous machines (PMSM), with non-sinusoidal back electromotive force (Back EMF) waveforms, widely known as the BLDC machine, without shaft angular position sensor. The control system is developed using the non-sinusoidal transformation dqx, which demands constant knowledge of the shaft\'s angular position. This way, a position estimator is applied, based solely on electrical measurements and the machines mathematical model applying the Kalman filter and PLLs. Thus, the machines mathematical modelling, and the sensorless control and estimation approaches are reviewed. The developed system is explained, along with the results obtained trough simulations and practical tests, demonstrating the dinamic behavior of the PMSM.

Submitted by Cássia Santos (cassia.bcufg@gmail.com) on 2016-12-16T10:26:12Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Renato de Almeida Prado - 2016.pdf: 5947860 bytes, checksum: 8eac741b1f0ab4e9c86905c5865fda99 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Jaqueline Silva (jtas29@gmail.com) on 2016-12-16T16:49:28Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Renato de Almeida Prado - 2016.pdf: 5947860 bytes, checksum: 8eac741b1f0ab4e9c86905c5865fda99 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-12-16T16:49:28Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Renato de Almeida Prado - 2016.pdf: 5947860 bytes, checksum: 8eac741b1f0ab4e9c86905c5865fda99 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2016-12-02 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The Permanent Magnet Brushless DC Machine has been used increasingly in numerous applications, such as in industry, transportation systems and wind energy conversion. Given this scenario and the need for knowledge of machine parameters for design purposes, performance analysis and operation of systems, this paper aims to present methodologies and the development of a test system. The test system is based on virtual instrumentation and aims to determine phase resistance, inductances, viscous and static friction coefficients, inertia, and electromotive force and torque constants. In many aspects, the test system is a tool that fills a gap in the area. To check the validity of the obtained parameters and to study machine's perfomance, computer simulations and load tests are performed. / A máquina CC de ímãs permanentes sem escovas (máquina Brushless DC) vem sendo empregada de forma crescente em diversas aplicações, tais como na indústria, nos sistemas de transporte e na conversão de energia eólica. Tendo em vista esse cenário e a necessidade do conhecimento dos parâmetros da máquina para fins de projeto, análise de desempenho e operação dos sistemas, esse trabalho tem como objetivo a apresentação de metodologias e o desenvolvimento de um sistema de ensaio. Tal sistema é baseado em instrumentação virtual e visa o levantamento da resistência de fase, indutâncias, coeficientes de atrito viscoso e estático, inércia e constantes de força eletromotriz e de torque. Sob muitos aspectos, tem-se uma ferramenta que preenche uma lacuna atual na área. Para a verificação dos parâmetros obtidos e estudo de seu rendimento, são realizadas simulações computacionais e ensaios em carga.

Este trabalho tem por objetivo estudar e avaliar uma técnica de determinação de posição inicial de rotor em máquinas síncronas de ímã permanente de superfície. A técnica de determinação de posição inicial é baseada na aplicação de pulsos ao motor. É proposto também um algoritmo de ajuste automático desses pulsos de forma a criar um mecanismo genérico de determinação de posição inicial de ângulo de rotor para o tipo de máquina em estudo. Simulações são realizadas de forma a garantir funcionamento correto do algoritmo que foi implementado em código C com matemática de ponto fixo. A implementação foi realizada utilizando-se um microcontrolador comercial de baixo custo que não possui hardware para aritmética de ponto flutuante. Um descritivo detalhado da implementação, do sistema de testes e resultados são apresentados ao longo do texto. / This work aims the study and evaluation of a rotor initial angle estimation technique in surface mounted permanent magnet synchronous machine. The technique of the rotor initial angle estimation is based on pulse injection to the motor. It is also proposed in this work an automatic pulse adjustment algorithm in order to create a generic mechanism to estimate rotor initial angle for the machine type under study. Simulations are performed in order to ensure the proper functionality of the algorithm which was implemented in C code with fixed point mathematics. The implementation was performed using a comercial low cost microcontroller which does not have floating point arithmetic capability. A detailed description of the implementation, test system and results are presented in this text.

Os principais objetivos deste trabalho são estudar e caracterizar as perdas em acoplamentos magnéticos a ímãs permanentes, quando da existência de uma barreira de material condutor entre seus rotores. Tais perdas são originadas da circulação de correntes parasitas de Foucault na barreira e implicam um torque resistivo ao torque transmitido pelo acoplamento, diminuindo, dessa maneira, a eficácia de sua transmissão. Com este estudo pretendeu-se investigar também a influência desse efeito resistivo na curva característica do acoplamento, ou seja, na curva torque em função do deslocamento angular entre os rotores. A determinação dessa influência da placa condutora no comportamento do acoplamento magnético é de suma importância, uma vez que permite seu correto dimensionamento em aplicações como bombas seladas e agitadores. Para a determinação da influência da barreira, recorreu-se a uma abordagem analítica para o cálculo das perdas geradas pelas correntes parasitas, que são induzidas na placa condutora. Desta forma, foi possível obter o torque resistivo em função dos parâmetros construtivos do acoplamento e da velocidade de rotação. A validação da metodologia empregada será feita pela comparação dos resultados teóricos com os experimentais, através de ensaios num protótipo já construído. / The main objectives of this work are to study and to determine losses in permanent magnet couplings in the presence of a conductive barrier between its rotors. These losses are originated from eddy currents that circulate in the barrier and entail a resistive torque to the torque that is transmitted by the coupling and therefore, reduces the efficiency of its transmission. With this study, it was also intended to investigate such resistive effect influence in the coupling characteristic curve, i.e. in the torque versus angular shift between rotors curve. The determination of the conductive barrier influence on the magnetic coupling behavior is of major importance, since it allows the correct designing in applications as sealed pumps and magnetic stirrers. In order to determine the barrier influence, an analytical approach was used in order to calculate the losses generated by the eddy current circulation, which are induced in the conductive wall. As a result, it was possible to obtain the resistive torque as a function of the magnet coupling geometrical parameters and angular speed. The validation of the employed methodology will be made comparing the theoretical results with the experimental ones, obtained from tests in the existing prototype.

Os principais objetivos deste trabalho são estudar e caracterizar as perdas em acoplamentos magnéticos a ímãs permanentes, quando da existência de uma barreira de material condutor entre seus rotores. Tais perdas são originadas da circulação de correntes parasitas de Foucault na barreira e implicam um torque resistivo ao torque transmitido pelo acoplamento, diminuindo, dessa maneira, a eficácia de sua transmissão. Com este estudo pretendeu-se investigar também a influência desse efeito resistivo na curva característica do acoplamento, ou seja, na curva torque em função do deslocamento angular entre os rotores. A determinação dessa influência da placa condutora no comportamento do acoplamento magnético é de suma importância, uma vez que permite seu correto dimensionamento em aplicações como bombas seladas e agitadores. Para a determinação da influência da barreira, recorreu-se a uma abordagem analítica para o cálculo das perdas geradas pelas correntes parasitas, que são induzidas na placa condutora. Desta forma, foi possível obter o torque resistivo em função dos parâmetros construtivos do acoplamento e da velocidade de rotação. A validação da metodologia empregada será feita pela comparação dos resultados teóricos com os experimentais, através de ensaios num protótipo já construído. / The main objectives of this work are to study and to determine losses in permanent magnet couplings in the presence of a conductive barrier between its rotors. These losses are originated from eddy currents that circulate in the barrier and entail a resistive torque to the torque that is transmitted by the coupling and therefore, reduces the efficiency of its transmission. With this study, it was also intended to investigate such resistive effect influence in the coupling characteristic curve, i.e. in the torque versus angular shift between rotors curve. The determination of the conductive barrier influence on the magnetic coupling behavior is of major importance, since it allows the correct designing in applications as sealed pumps and magnetic stirrers. In order to determine the barrier influence, an analytical approach was used in order to calculate the losses generated by the eddy current circulation, which are induced in the conductive wall. As a result, it was possible to obtain the resistive torque as a function of the magnet coupling geometrical parameters and angular speed. The validation of the employed methodology will be made comparing the theoretical results with the experimental ones, obtained from tests in the existing prototype.

Neste trabalho é estudado um motor trifásico de ímã permanente no rotor, com fluxo não senoidal, através da análise do campo magnético. Essa máquina foi projetada utilizando-se a estrutura ferromagnética do estator de um motor de indução monofásico de 24 ranhuras o qual recebeu um novo enrolamento trifásico, e foi construído o rotor que é constituído de ímãs permanentes em sua superfície. Ela é aplicada em compressores herméticos de refrigeração, possibilitando o controle de velocidade e a melhoria da eficiência, quando comparada às demais máquinas utilizadas para a mesma aplicação. O estudo é realizado através da análise dos resultados obtidos utilizando-se um programa computacional baseado no método dos elementos finitos, aplicado em grandezas como: tensão induzida, densidade de fluxo magnético, torque eletromagnético e perdas. São apresentados resultados numéricos comparativos para a máquina existente (protótipo) com as seguintes alterações: diminuição do tamanho do entreferro, troca dos ímãs de ferrita pelos de NdFeB (Bonded) e, juntamente com essas mudanças, o recálculo do número de espiras e do diâmetro do enrolamento do estator. / In this work is studied a three-phase permanent-magnet motor, with nonsinusoidal flux, through the analysis of magnetic field. This machine was designed to use the same stator of a 24 slots single-phase induction motor that received a new three-phase winding. The rotor consists of permanent-magnet on its surface. The main application of this machine is in hermetic compressor household refrigeration systems. It has speed control and better efficiency than other machines used for the same application. The study is made through the analysis of numerical results, obtained by a software joint in the finite element method. The results consist in electromagnetic quantity like, back-emf, magnetic flux density, electromagnetic torque and losses. Comparisons between the prototype with these changes are presented: fall in the size of airgap, exchange of ferrite magnets for NdFeB (Bonded) magnets and, together with these changes, the number of turns in each winding and the wire diameter are recalculated.