Este trabalho de mestrado está relacionado com a análise do comportamento dinâmico de turbinas eólicas equipadas com gerador síncrono com excitação a ímãs permanentes operando durante contingências na rede elétrica e com variação na velocidade do vento. Tal configuração tem muitas vantagens quando comparada com a configuração atualmente utilizada pelos principais fabricantes de turbinas eólicas de grande porte. A principal delas é devido ao fato de não utilizar caixas de engrenagens. Porém, o impacto na rede elétrica com a conexão de tal configuração deve ser minimizado melhorando as condições operativas no ponto de conexão da fazenda eólica. Desta forma, o projeto em questão visa investigar formas de diminuir os impactos negativos causados e melhorar a estabilidade do sistema, principalmente, no ponto de conexão à rede elétrica Portanto, o projeto de pesquisa deste mestrado está relacionado ao desenvolvimento de modelos computacionais que representem tal tecnologia, considerando os principais componentes e controles utilizando o software de simulação PSCAD. Também são incluídos novos métodos de controle e elementos adicionais que melhoram a confiabilidade e o nível de penetração de parques eólicos com geradores a ímãs permanentes. Ressalta-se que tais modelos não estão disponíveis de forma completa no software citado acima, portanto foram desenvolvidos partindo de modelos genéricos existentes. Todas as partes do modelo foram realizadas com elementos básicos acessíveis em qualquer programa de simulação, de modo que qualquer engenheiro ou pesquisador possa programar este mesmo modelo em qualquer software. Esta dissertação começa com uma breve descrição do modelo desenvolvido, incluindo o modelo aerodinâmico das turbinas eólicas, o controle do conversor do lado do gerador, o controle do conversor do lado da rede e o sistema de proteção do link de corrente contínua. Com o modelo desenvolvido, analisa-se a operação do gerador síncrono a imãs permanentes durante contingências na rede. A aplicação de um sistema avançado de armazenamento de energia e a possibilidade de suporte de frequência à rede elétrica também foram desenvolvidos e analisados. Considerando os resultados obtidos, podemos verificar que a conexão de parques eólicos equipados com geradores síncronos com excitação a ímãs permanentes pode trazer benefícios para a rede elétrica, quando o seu potencial de controle e de operação é utilizado. Mais detalhes podem ser verificados nos capítulos a seguir. / This master\'s project aims to study the behavior of wind turbines with Permanent Magnet Synchronous Generator, operating during contingencies and changes in wind speed. This configuration has many advantages compared with configurations currently used by leading manufacturers of large wind turbines. The main one is due to the fact of use smaller gearboxes or even gearless turbines. However, the impact on the electrical grid connection of this configuration should be minimized by improving the operating conditions at the connection point of the wind farm. Thus, this project aims to investigate ways to reduce the negative impacts and improve the system stability, especially at the grid connection point. This work employs the simulation software PSCAD for developing a computational model of this technology, considering the main components and controls. New control methods and additional features are included, for improving the reliability and the level of penetration of wind farms with permanent magnet generators in the power system. It is noteworthy that such models are not available in the simulation software PSCAD; therefore it was developed from existing generic models. All parts of the model were done with basic elements; as a result any engineer or researcher can program this same model in any software. This work begins with a brief description of the developed model, including: the aerodynamic model of the wind turbines, the control of the generator side converter, the control of the grid side converter and the protection system of the Link-DC. With this model, the operation of the permanent magnet synchronous generator was analyzed during network contingencies. The application of a sophisticated energy storage system for frequency support was also both developed and analyzed. The connection of wind turbines with Permanent Magnet Synchronous Generator has advantages when its potential for control and operation is used. More details can be checked in the following chapters.

Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de estudar a aplicação, para sistema de frenagem veicular, de uma máquina elétrica sem escovas, de armadura toroidal, e fluxo magnético axial produzido por ímãs permanentes de terras raras, a chamada máquina Torus. A máquina foi construída no LMEAE e estudada inicialmente como motor em outro trabalho. Mas, para que se possa avaliar seu funcionamento em sistema de frenagem, o foco é do ponto de vista da máquina como gerador. São realizados testes dinâmicos e estáticos experimentalmente e modelo numérico pelo método dos elementos finitos com um formato de ímãs permanentes de seção setorial, possibilitando o comparativo com a versão anterior da máquina que empregou ímãs de seção quadrada. Mudanças físicas e no sistema de acionamento da máquina, e ensaios de frenagem dinâmica foram realizados. Modelagem analítica para indução magnética foi desenvolvida utilizando-se da técnica de Transformação Conforme. O trabalho busca apresentar as características da máquina e justificativas que demonstram o seu potencial de aplicabilidade em um subsistema veicular sob frenagem regenerativa e a capacidade de fornecimento de energia a um sistema de armazenamento com uma parte de energia cinética, ou seja, baterias e supercapacitores. / This work is carried out with the aim to study the application, by a vehicular braking system, of a brushless electrical machine with a toroidal armature core, and axial magnetic flux delivered by rare earth permanent magnets, the so-called Torus machine. The machine was built in the LMEAE, and previously studied as a motor by other work. However, in order to assess its performance in a braking system, the focus is the point of view of the machine as a generator. Static and dynamic tests are implemented as well as a numerical model by means of the finite element method, in order to compare the machine with sector poles permanent magnets and with square magnet poles. Physical changes and on the driving system of the machine, and dynamic braking tests are performed. The analytical modelling for the magnetic induction was developed using the technique of conformal transformation. The study aims to present the features of the machine and demonstrates its potential applicability to a vehicular subsystem under regenerative braking and the ability to supply an energy storage system with part of the kinetic energy, i.e. batteries and super capacitors.

A determinação das principais propriedades magnéticas de um ímã permanente geralmente requer sistemas de medição sofisticados e custosos. Este trabalho analisa e propõe um sistema de caracterização de ímãs permanentes de Terras Raras à temperatura ambiente de baixo custo e de implementação mais simples e rápida. Ele consiste de um circuito magnético formado pelo ímã permanente sob caracterização, uma culatra de aço, um entreferro variável e uma sonda de efeito Hall com seu respectivo gaussímetro para a medição da intensidade do campo magnético no entreferro. Como introdução se apresenta o estado da arte da caracterização dos ímãs permanentes, conceitos básicos de magnetismo e em relação aos ímãs permanentes, sua história, os principais tipos, sua importância e suas aplicações principais. Os resultados teóricos e experimentais são comparados a resultados certificados, validando o método como proposto. / Determining the main magnetic properties of a permanent magnet usually requires sophisticated and expensive measurement setups. This work analyses and proposes a low-cost system to characterize Rare Earth permanent magnets at ambient temperature with easy and fast implementation. It consists of a magnetic circuit with the permanent magnet under test, appropriate pole pieces, a variable air gap and a Hall Effect probe with its respective Gaussmeter. As an introduction, it is presented the state of the art of permanent magnets characterization, basic concepts of magnetism and its history, the main types of permanent magnets, their importance and applications. The theoretical and experimental results are compared to certified ones, validating so the method as proposed.

Os ímãs permanentes de terras-raras desempenham um papel vital na indústria de dispositivos eletromagnéticos. As principais aplicações destes materiais na indústria são na produção de motores para veículos elétricos e híbridos e geradores para turbinas eólicas. Com a restrição chinesa a exportação de terras-raras em 2010, os elevados preços e a necessidade de substituição dos terras-raras pesados (Dy e Tb) nos ímãs permanentes, há um interesse mundial por alternativas. No processamento de ímãs permanentes de terras-raras, a moagem é uma etapa determinante, controlando e homogeneizando a microestrutura final do ímã, aumentando as propriedades magnéticas. O presente trabalho avalia a influência de diferentes tempos de moagem na microestrutura e nas propriedades magnéticas de ímãs permanentes sinterizados. Os ímãs foram preparados via metalurgia do pó, a partir de pós obtidos pelo processo de decrepitação por hidrogênio (HD) feito na liga Strip-Casting de composição (Nd,Pr)13,49Fe77,72B6Co1,1Al1,2Nb0,28Cu0,2. A moagem dos pós foi realizada em meio de ciclohexano em Moinho Planetário de Alta Energia, durante um período entre 30 e 75 minutos, com intervalos regulares de 15 minutos, a uma velocidade fixa de 200 rpm. Os ímãs produzidos foram caracterizados por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS), Difração de Raios-X (DRX), as propriedades magnéticas foram obtidas por meio de Permeâmetro e a textura cristalográfica dos ímãs foi calculada a partir dos difratogramas obtidos. O ímã produzido com 45 minutos de moagem (45-B) apresentou remanência Br = 1,38 T, coercividade intrínseca iHc = 880 KA.m-1, produto de energia máximo BHmáx = 330 KJ.m-1, fator de quadratura SF= 0,95 e grau de alinhamento < cos&theta; > = 0,96. / Rare-earth permanent magnets plays a vital role on the electromagnetic devices industry. The major applications of this material industrially are in the production of motors for electric and hybrid vehicles and magnetic generators for wind turbines. With the Chinese restriction of rare-earth exportations in 2010, the high prices and the need to substitute the heavy rare-earths (Dy,Tb) in the permanent magnets, there is a global interest in alternatives. In the processing of rare earth permanent magnets, the milling process is a determinant step, controlling and homogenizing the microstructure of the magnet, increasing its properties. The present work evaluates the influence of different high energy planetary ball milling times on the microstructure and the magnetic properties of sintered permanent magnets. The magnets were prepared via conventional powder metallurgy route, using powders obtained by the hydrogen decrepitation process (HD) made in the (Nd, Pr)13.49Fe77.72B6Co1,1Al1,2Nb0,28Cu0,2. Strip-Casting alloy. The milling process was carried under ciclohexane medium, using a High Energy Planetary Mill for a period between 30 and 75 minutes, with regular intervals of 15 minutes at a speed of 200 rpm. The magnets were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), Dispersive Energy Spectroscopy (EDS), X-ray Diffraction (XRD), and magnetic properties were obtained by Permeameter. The magnet produced with 45 minutes of milling (45-B) presented Br = 1.38 T, intrinsic coercivity iHc = 880 KA.m-1, maximum energy product BHMÁX = 330 KJ.m-1 , squareness factor SF = 0,95 and alignment degree < cos&theta; > = 0,96.

Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de estudar a aplicação, para sistema de frenagem veicular, de uma máquina elétrica sem escovas, de armadura toroidal, e fluxo magnético axial produzido por ímãs permanentes de terras raras, a chamada máquina Torus. A máquina foi construída no LMEAE e estudada inicialmente como motor em outro trabalho. Mas, para que se possa avaliar seu funcionamento em sistema de frenagem, o foco é do ponto de vista da máquina como gerador. São realizados testes dinâmicos e estáticos experimentalmente e modelo numérico pelo método dos elementos finitos com um formato de ímãs permanentes de seção setorial, possibilitando o comparativo com a versão anterior da máquina que empregou ímãs de seção quadrada. Mudanças físicas e no sistema de acionamento da máquina, e ensaios de frenagem dinâmica foram realizados. Modelagem analítica para indução magnética foi desenvolvida utilizando-se da técnica de Transformação Conforme. O trabalho busca apresentar as características da máquina e justificativas que demonstram o seu potencial de aplicabilidade em um subsistema veicular sob frenagem regenerativa e a capacidade de fornecimento de energia a um sistema de armazenamento com uma parte de energia cinética, ou seja, baterias e supercapacitores. / This work is carried out with the aim to study the application, by a vehicular braking system, of a brushless electrical machine with a toroidal armature core, and axial magnetic flux delivered by rare earth permanent magnets, the so-called Torus machine. The machine was built in the LMEAE, and previously studied as a motor by other work. However, in order to assess its performance in a braking system, the focus is the point of view of the machine as a generator. Static and dynamic tests are implemented as well as a numerical model by means of the finite element method, in order to compare the machine with sector poles permanent magnets and with square magnet poles. Physical changes and on the driving system of the machine, and dynamic braking tests are performed. The analytical modelling for the magnetic induction was developed using the technique of conformal transformation. The study aims to present the features of the machine and demonstrates its potential applicability to a vehicular subsystem under regenerative braking and the ability to supply an energy storage system with part of the kinetic energy, i.e. batteries and super capacitors.

Este trabalho foca o estudo e desenvolvimento de um atuador linear com ímãs permanentes aplicado a sistemas de suspensão ativa, com ênfase em suspensão veicular. Seu desenvolvimento considera aspectos específicos como força, volume, razão força/volume, curso e resposta em frequência. Junto ao estudo teórico desenvolve-se o projeto baseado na simulação paramétrica em elementos finitos que analisa aspectos qualitativos e quantitativos importantes para tomada de decisão do projeto, especificamente na definição de materiais e geometrias. Para servir como ferramenta de análise foi empregada uma modelagem analítica que se mostrou eficiente, pois foi capaz de produzir resultados de forma mais rápida que o método de elementos finitos para avaliar grandezas de interesse como força e densidade de fluxo magnético. Por fim e com base nos aspectos de projeto, foi construído um protótipo que permitiu validar os modelos. Os resultados experimentais e teóricos mostraram boa concordância o que permite concluir que os métodos empregados são eficazes, fornecendo subsídios à aplicação em foco. / This work aims the study and development of a linear actuator with permanent magnets applied to active suspension systems, with emphasis on vehicular suspension. That development takes into account specific features such as force, volume, force per volume ratio, stroke and frequency response. Together with the theoretical study the design of the actuator is carried out based on parametric simulation by means of finite elements which analyses qualitative and quantitative aspects that are important to make the project decision, specifically to define materials and geometry. To suit as an analysis tool it was employed an analytical modelling, which showed to be efficient because it was capable of producing faster results than the finite elements method to evaluate physical quantities of interest such as force and magnetic flux density. Finally and based on project aspects, a prototype was built which allowed to validate all models. Experimental and theoretical results showed a good agreement which led to conclude that the employed methods are efficient, providing subsidies to the studied application.

A determinação das principais propriedades magnéticas de um ímã permanente geralmente requer sistemas de medição sofisticados e custosos. Este trabalho analisa e propõe um sistema de caracterização de ímãs permanentes de Terras Raras à temperatura ambiente de baixo custo e de implementação mais simples e rápida. Ele consiste de um circuito magnético formado pelo ímã permanente sob caracterização, uma culatra de aço, um entreferro variável e uma sonda de efeito Hall com seu respectivo gaussímetro para a medição da intensidade do campo magnético no entreferro. Como introdução se apresenta o estado da arte da caracterização dos ímãs permanentes, conceitos básicos de magnetismo e em relação aos ímãs permanentes, sua história, os principais tipos, sua importância e suas aplicações principais. Os resultados teóricos e experimentais são comparados a resultados certificados, validando o método como proposto. / Determining the main magnetic properties of a permanent magnet usually requires sophisticated and expensive measurement setups. This work analyses and proposes a low-cost system to characterize Rare Earth permanent magnets at ambient temperature with easy and fast implementation. It consists of a magnetic circuit with the permanent magnet under test, appropriate pole pieces, a variable air gap and a Hall Effect probe with its respective Gaussmeter. As an introduction, it is presented the state of the art of permanent magnets characterization, basic concepts of magnetism and its history, the main types of permanent magnets, their importance and applications. The theoretical and experimental results are compared to certified ones, validating so the method as proposed.

A determinação das principais propriedades magnéticas de um ímã permanente geralmente requer sistemas de medição sofisticados e custosos. Este trabalho analisa e propõe um sistema de caracterização de ímãs permanentes de Terras Raras à temperatura ambiente de baixo custo e de implementação mais simples e rápida. Ele consiste de um circuito magnético formado pelo ímã permanente sob caracterização, uma culatra de aço, um entreferro variável e uma sonda de efeito Hall com seu respectivo gaussímetro para a medição da intensidade do campo magnético no entreferro. Como introdução se apresenta o estado da arte da caracterização dos ímãs permanentes, conceitos básicos de magnetismo e em relação aos ímãs permanentes, sua história, os principais tipos, sua importância e suas aplicações principais. Os resultados teóricos e experimentais são comparados a resultados certificados, validando o método como proposto. / Determining the main magnetic properties of a permanent magnet usually requires sophisticated and expensive measurement setups. This work analyses and proposes a low-cost system to characterize Rare Earth permanent magnets at ambient temperature with easy and fast implementation. It consists of a magnetic circuit with the permanent magnet under test, appropriate pole pieces, a variable air gap and a Hall Effect probe with its respective Gaussmeter. As an introduction, it is presented the state of the art of permanent magnets characterization, basic concepts of magnetism and its history, the main types of permanent magnets, their importance and applications. The theoretical and experimental results are compared to certified ones, validating so the method as proposed.

Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de estudar a aplicação, para sistema de frenagem veicular, de uma máquina elétrica sem escovas, de armadura toroidal, e fluxo magnético axial produzido por ímãs permanentes de terras raras, a chamada máquina Torus. A máquina foi construída no LMEAE e estudada inicialmente como motor em outro trabalho. Mas, para que se possa avaliar seu funcionamento em sistema de frenagem, o foco é do ponto de vista da máquina como gerador. São realizados testes dinâmicos e estáticos experimentalmente e modelo numérico pelo método dos elementos finitos com um formato de ímãs permanentes de seção setorial, possibilitando o comparativo com a versão anterior da máquina que empregou ímãs de seção quadrada. Mudanças físicas e no sistema de acionamento da máquina, e ensaios de frenagem dinâmica foram realizados. Modelagem analítica para indução magnética foi desenvolvida utilizando-se da técnica de Transformação Conforme. O trabalho busca apresentar as características da máquina e justificativas que demonstram o seu potencial de aplicabilidade em um subsistema veicular sob frenagem regenerativa e a capacidade de fornecimento de energia a um sistema de armazenamento com uma parte de energia cinética, ou seja, baterias e supercapacitores. / This work is carried out with the aim to study the application, by a vehicular braking system, of a brushless electrical machine with a toroidal armature core, and axial magnetic flux delivered by rare earth permanent magnets, the so-called Torus machine. The machine was built in the LMEAE, and previously studied as a motor by other work. However, in order to assess its performance in a braking system, the focus is the point of view of the machine as a generator. Static and dynamic tests are implemented as well as a numerical model by means of the finite element method, in order to compare the machine with sector poles permanent magnets and with square magnet poles. Physical changes and on the driving system of the machine, and dynamic braking tests are performed. The analytical modelling for the magnetic induction was developed using the technique of conformal transformation. The study aims to present the features of the machine and demonstrates its potential applicability to a vehicular subsystem under regenerative braking and the ability to supply an energy storage system with part of the kinetic energy, i.e. batteries and super capacitors.

Este trabalho foca o estudo e desenvolvimento de um atuador linear com ímãs permanentes aplicado a sistemas de suspensão ativa, com ênfase em suspensão veicular. Seu desenvolvimento considera aspectos específicos como força, volume, razão força/volume, curso e resposta em frequência. Junto ao estudo teórico desenvolve-se o projeto baseado na simulação paramétrica em elementos finitos que analisa aspectos qualitativos e quantitativos importantes para tomada de decisão do projeto, especificamente na definição de materiais e geometrias. Para servir como ferramenta de análise foi empregada uma modelagem analítica que se mostrou eficiente, pois foi capaz de produzir resultados de forma mais rápida que o método de elementos finitos para avaliar grandezas de interesse como força e densidade de fluxo magnético. Por fim e com base nos aspectos de projeto, foi construído um protótipo que permitiu validar os modelos. Os resultados experimentais e teóricos mostraram boa concordância o que permite concluir que os métodos empregados são eficazes, fornecendo subsídios à aplicação em foco. / This work aims the study and development of a linear actuator with permanent magnets applied to active suspension systems, with emphasis on vehicular suspension. That development takes into account specific features such as force, volume, force per volume ratio, stroke and frequency response. Together with the theoretical study the design of the actuator is carried out based on parametric simulation by means of finite elements which analyses qualitative and quantitative aspects that are important to make the project decision, specifically to define materials and geometry. To suit as an analysis tool it was employed an analytical modelling, which showed to be efficient because it was capable of producing faster results than the finite elements method to evaluate physical quantities of interest such as force and magnetic flux density. Finally and based on project aspects, a prototype was built which allowed to validate all models. Experimental and theoretical results showed a good agreement which led to conclude that the employed methods are efficient, providing subsidies to the studied application.