Com o aperfeiçoamento de materiais compósitos de alto desempenho, surge a possibilidade do desenvolvimento de estruturas inteligentes, onde atuadores e sensores piezelétricos estão integrados na estrutura com sistemas de controle adequados para a atenuação de vibrações. Projetos multidisciplinares se tornam cada vez mais complexos e sofisticados, envolvendo diversas fontes de incertezas que devem ser analisadas e quantificadas. O escopo principal desse trabalho visa o estudo da propagação de incertezas em estruturas de materiais compósitos laminados com atuadores e sensores piezelétricos, onde entradas e parâmetros do projeto podem ser fontes aleatórias e/ou nebulosas. Para atingir esse objetivo é adotada a metodologia fuzzy, com a aplicação de otimização de cortes-α. Essa técnica é utilizada na presença de informações vagas ou imprecisas acerca da aleatoriedade presente. Nesse estudo projetam-se, através do método dos elementos finitos, estruturas em forma de placa e casca de material compósito laminado com atuadores e sensores piezelétricos acoplados, controlados pelos reguladores Linear Quadratic Regulator (LQR) e Linear Quadratic Gaussian (LQG). Inicialmente são realizados estudos de otimização para encontrar a melhor localização dos componentes piezelétricos pelos Gramianos de controlabilidade e observabilidade, assim como os fatores de ponderação das leis de controle. O desenvolvimento é realizado no espaço modal reduzido visando um melhor desempenho computacional. As métricas escolhidas para avaliação do controle de vibração e análise das saídas incertas do sistema são baseadas nas energias cinética, potencial e elétrica. Também apresentam-se estudos de envelopes relacionados ao deslocamentos e às frequências naturais da estrutura devido às incertezas. Os resultados mostraram que as otimizações por corte-α para tratar números fuzzy nesse tipo de problema são robustas e eficientes, encontrando-se valores extremos das saídas desejadas. Além de ser um método não intrusivo, também pode ser utilizado em problemas com um número elevado de parâmetros incertos como entrada. / The possibility of developments of smart structures arises with high performance composite materials improvements, where piezoelectric actuators and sensors are embedded into the structures, following a suitable control laws for vibration attenuation. Multidisciplinary projects are becoming highly complex and sophisticated, involving several sources of uncertainty that should be analyzed and quantified. The main objective for this work is to study the uncertainty propagation in composite laminate structures with embedded piezoelectric actuators and sensors, considering random and/or fuzzy sources for the inputs and design parameters. To accomplish this objective, it is adopted the fuzzy α-cut optimizations methodology. This technique is used when the available information related to the actual randomness is vague or imprecise. In this study, laminated composite shells and plates structures are designed and analyzed by the finite element method, where embedded piezoelectric actuators and sensors controlled by Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) are present. Initially, optimization analyses are executed to find the best arrangement for the piezoelectric material using controllability and observability Gramians metrics, as well as the best controller parameters. This study is developed in the reduced modal space looking for computational costs savings. The chosen rating metrics for the vibration control and uncertainty analysis are based on kinetic, potential and electrical energies. Structural displacements and natural frequency envelopes due uncertainty are also studied and presented. The results have shown that the fuzzy α-cut optimizations methodology is robust and efficient to find extreme values for the sought outputs. In addition to being a non-intrusive method, it is also able to deal with a large number of uncertain input parameters.

Em sistemas modernos de manutenção inteligente a qualidade de uma máquina ou equipamento depende do suporte que é fornecido junto com esse produto, com a confiabilidade e segurança na utilização do mesmo. Estas exigências, por vezes, não são cumpridas e podem estar indisponíveis em algumas máquinas. Este trabalho descreve uma abordagem utilizando sinais de vibração coletados em tempo real com falhas como estudo preliminar para uma abordagem mais profunda como estudo dametodologia de testes de vida acelerado para auxiliar durante a fase de vida operacional permitindo ao fabricante a determinação dos ciclos de vida do produto. A abordagem proposta construída em cima de experiências anteriores em desenvolvimento no projeto Integração de Sistemas Inteligentes de Manutenção e Cadeia de Fornecimento de Peças Sobressalentes. O objetivo deste trabalho é apresentar resultados preliminares analisando a variabilidade das assinaturas de falhas das engrenagens danificadas de maneira a permitir a identificação dos ciclos de vida do produto para partes específicas de um atuador elétrico. / In modern systems of intelligent maintenance the quality of a machine or equipment depends on the support that comes with this product, with the reliability and safety in the use of it. These requirements are sometimes not met and may be unavailable on some machines. This paper describes an approach using vibration signals collected in real-time with faults as a preliminary study for a deeper approach with the study of the methodology of accelerated life tests to assist during the operational life stage allowing the manufacturer the determination of the life cycles of product. The proposed approach built on previous experiences under development in the project Integration of Intelligent Systems of Maintenance and Chain of Supply of Spares. The objective of this work is to present preliminary results analyzing the variability of failure signatures of the damaged gears in order to allow the identification of product life cycles for specific parts of an electric actuator.

Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização topológica de atuadores piezelétricos em estruturas compostas laminada com o objetivo de atenuar as vibrações estruturais induzidas por excitações externas. Para isso, utiliza-se técnicas de controle ótimo, como o regulador linear quadrático (LQR) e o controlador linear quadrático gaussiano (LQG). Os estados não mensuráveis são estimados através do uso de observadores de estados de ordem completa, usando o filtro de Kalman para a escolha ótima da matriz de ganhos do observador de estados. O problema de otimização topológica é formulado para a localização ótima do atuador piezelétrico composto MFC (Macro Fiber Composite) na camada ativa da placa, determinando a localização mais vantajosa do material MFC através da maximização do índice de controlabilidade. Para o modelo estrutural, é proposto neste trabalho um modelo para a interação entre o atuador MFC e a estrutura. Assume-se que o MFC é uma das lâminas de material ortotrópico que sofre uma deformação inicial a partir da aplicação de um potencial elétrico e que essa deformação terá efeitos sobre o restante da estrutura. Dessa maneira, não é necessário modelar o campo elétrico gerado através dos eletrodos, uma vez que o efeito eletromecânico é considerado analiticamente. A rigidez e a massa do atuador MFC são considerados no modelo estrutural. Os resultados numéricos mostram que o modelo estrutural proposto para representar a interação entre o atuador MFC e a estrutura apresenta boa concordância com resultados experimentais e numéricos encontrados. Além disso, os resultados mostram que a partir do posicionamento ótimo do atuador MFC na estrutura, a técnica de controle implementada permite atenuar as vibrações estruturais. As simulações para uma força de um degrau unitário permitem concluir que a estratégia de controle usando o controlado LQG apresenta melhor desempenho em termos de tempo de assentamento, sobre resposta, amortecimento e sinal de controle, quando comparado com o controlador LQR. / This work presents a topologic optimization methodology of piezoelectric actuators in laminated composite structures with the objective of controlling external perturbation induced by structural vibrations. The Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) optimal control techniques are used. The states are estimated through of the full order state observers, using the Kalman filter to the observer gain matrix. The topology optimization is formulated to find the optimum localization of the Macro Fiber Composite (MFC) active piezoelectric patch, determining the most advantageous location of the MFC, through of the maximization of the controllability index. For the structural model, this work proposes a simplified MFC/structure interaction model. It is assumed that the MFC is one of the orthotropic material layers which has an initial strain arising from the application of an electric potential; this strain acts on the remainder of the structure. This way, modeling the electromechanical interaction between the piezoelectric material and the electric field is unnecessary because this effect is considered analytically. Both the stiffness and the mass of the MFC are taken into account in the structural model. Numerical results show that proposed MFC-structure interaction model presents good agreement with experiments and numerical simulations of models that uses the electromechanical effect. Actuator location optimization results show that the technique implemented improves the structural vibration damping. The response simulations to an unit step force allows to conclude that the control strategy using the LQG controller presents better performance in terms of settling time, overshoot, damping and control signal energy when compared to the LQR controller.

Orientador: Prof. Dr. Andre Fenili / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 2016. / Uma viga em rotação é equipada com sensores e atuadores piezoelétricos em conjunto com um controlador proporcional-derivativo (PD) ou um controlador do tipo regulador linear quadrático (LQR) para comparação. O objetivo dos controladores é a minimização da deflexão na extremidade livre da estrutura devido ao seu movimento em torno do eixo de rotação. Utilizando o efeito piezoelétrico ¿ a geração de uma voltagem quando a estrutura está sujeita a uma tensão mecânica ¿ e, inversamente, a geração de uma deformação quando sujeito a uma voltagem, a estrutura do tipo viga é considerada como um sistema inteligente, tendo a capacidade de detectar e corrigir deflexões ao longo de seu comprimento. Usando as equações de Lagrange, a equação governante do movimento é obtida para a viga. A força (momento) e a rigidez da cerâmica piezoelétrica são subsequentemente adicionadas à equação governante da viga. A função de Heaviside é usada para a localização do atuador piezoelétrico ao longo da viga. A posição do atuador piezoelétrico varia a partir da extremidade engastada até a extremidade livre da viga ocupando três diferentes posições. O comprimento do atuador piezoelétrico é de um terço do comprimento da viga. O melhor posicionamento do piezoelétrico dentre os investigados é determinado para os três primeiros modos de vibração. Duas técnicas de controle linear são investigadas com o objetivo de eliminar a vibração na estrutura flexível: PD e LQR. O grau de liberdade associado ao movimento de rotação da viga (e suas derivadas) é prescrito por meio de um perfil pré-definido. / A rotating beam is fitted with piezoelectric sensors and actuators in conjunction with a proportional-derivative (PD) controller and a linear quadratic regulator (LQR) controller in order to minimize the deflection of the tip due to the rotational motion of the structure. Utilizing the piezo effects, the generation of a voltage, when subjected to a strain, and conversely the generation of a strain when subjected to a voltage, the system is considered as smart, having the ability to sense and correct deflections of the tip of the beam. Using the equations of Lagrange, the governing equation of motion is derived for the beam. The force (moment) and the stiffness of the piezo ceramic are subsequently added to the governing equation of the beam. In a model of the system, a Heaviside function is used to manipulate the position of the piezo. The position of the piezo will be varied from the root of the beam (the clamped end) to the free end of the beam, occupying three different positions; the length of the piezo is a third of the beam¿s length. The best position of the piezo is determined for three modes of vibration. Two linear control techniques are investigated in order to eliminate vibration in the flexible structure. The degree of freedom associated with the rotational motion is obtained by a predefined profile.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Desde seu surgimento no início da década de setenta, os sistemas semiativos vêm ganhando cada vez mais espaço nos projetos de engenharia. No caso específico dos sistemas semiativos que utilizam fluido magneto reológico, os primeiros produtos com esse material inteligente só foram comercializados com sucesso pela primeira vez em 1998 pela LORD® Corporation, que é fornecedora do atuador utilizado neste trabalho. A partir daí as aplicações não pararam de crescer. Desde sistemas de suspensão inteligentes de pontes e edifícios, visando a segurança de pessoas e a saúde estrutural das construções, até assentos de veículos, visando o conforto e segurança do passageiro. O objetivo desse trabalho foi o de apresentar uma metodologia de validação de modelos matemáticos de amortecedores com fluido magneto reológico, tanto paramétricos quanto não paramétricos. Para validação, utilizou-se da técnica de problemas inversos para otimizar o modelo estudado em relação aos dados experimentais, através da minimização do erro relativo, usando a norma da diferença entre as forças obtidas do ensaio experimental realizado e do modelo numérico implementado em ambiente MATLAB®, dividida pela norma da força experimental. As vantagens dos modelos matemáticos paramétricos é que permitem rápida convergência dos resultados; já a desvantagem é que, por seguir uma lei de formação bem definida matematicamente, as formas das curvas são “rígidas”, ou seja, sem liberdade para mudar sua configuração. Normalmente, essas curvas seguem uma tendência bem característica. O modelo não paramétrico aplicado neste trabalho é baseado na lógica fuzzy (lógica nebulosa), conferindo maior “liberdade” para modelar adequadamente todos os pontos da curva experimental. Contudo, a dificuldade em encontrar os parâmetros fuzzy são grandes, a ponto de prejudicar o resultado da validação. Por fim, conclui-se que o modelo histerético, paramétrico, apresentou os melhores resultados, menor custo computacional e maior facilidade de implementação. / Since the appearance of semiactive systems in the early seventies, they have been gaining more applications in several engineering projects. In the specific case of semiactive systems using magneto rheological fluid, the first commercial products with this intelligent material were only successfully marketed for the first time in 1998 by LORD® Corporation, the same manufacturer of the actuator used in the present research work. Since then, the applications did not stop growing. From intelligent suspension systems to bridges and buildings, aiming at the safety of people and the structural health of buildings, to vehicle seats, aiming at passenger comfort and safety, magneto rheological fluid actuators occupy a large spectrum of applications. The objective of this work is to present a methodology for the validation of mathematical models, both parametric and non-parametric. For validation purposes, inverse problem techniques were used to optimize the model studied with respect to the experimental data, using the minimization of a relative error, based on the norm of the difference between the forces obtained from the test performed and the numerical model implemented in MATLAB® environment, divided by the norm of the experimental force. The advantages of parametric mathematical models are that they led to a rapid convergence to the results, and the disadvantage is that, since they have a well-defined law of formation, the shapes of the characteristic curves of the actuators are "rigid", i.e., they do not have enough freedom to change their shape drastically. Usually these curves follow a well-defined trend. The nonparametric model studied in this work is based on fuzzy logic, which has a greater "freedom" to model all the points of the experimental curve, conveniently. However, the difficulty in finding the fuzzy parameters is very important, to the point of compromising the validation result. Finally, it was concluded that the parametric hysteretic model presented the best results for design purposes, lower computational cost, and easier implementation as compared with competing models. / Dissertação (Mestrado)

Com o aperfeiçoamento de materiais compósitos de alto desempenho, surge a possibilidade do desenvolvimento de estruturas inteligentes, onde atuadores e sensores piezelétricos estão integrados na estrutura com sistemas de controle adequados para a atenuação de vibrações. Projetos multidisciplinares se tornam cada vez mais complexos e sofisticados, envolvendo diversas fontes de incertezas que devem ser analisadas e quantificadas. O escopo principal desse trabalho visa o estudo da propagação de incertezas em estruturas de materiais compósitos laminados com atuadores e sensores piezelétricos, onde entradas e parâmetros do projeto podem ser fontes aleatórias e/ou nebulosas. Para atingir esse objetivo é adotada a metodologia fuzzy, com a aplicação de otimização de cortes-α. Essa técnica é utilizada na presença de informações vagas ou imprecisas acerca da aleatoriedade presente. Nesse estudo projetam-se, através do método dos elementos finitos, estruturas em forma de placa e casca de material compósito laminado com atuadores e sensores piezelétricos acoplados, controlados pelos reguladores Linear Quadratic Regulator (LQR) e Linear Quadratic Gaussian (LQG). Inicialmente são realizados estudos de otimização para encontrar a melhor localização dos componentes piezelétricos pelos Gramianos de controlabilidade e observabilidade, assim como os fatores de ponderação das leis de controle. O desenvolvimento é realizado no espaço modal reduzido visando um melhor desempenho computacional. As métricas escolhidas para avaliação do controle de vibração e análise das saídas incertas do sistema são baseadas nas energias cinética, potencial e elétrica. Também apresentam-se estudos de envelopes relacionados ao deslocamentos e às frequências naturais da estrutura devido às incertezas. Os resultados mostraram que as otimizações por corte-α para tratar números fuzzy nesse tipo de problema são robustas e eficientes, encontrando-se valores extremos das saídas desejadas. Além de ser um método não intrusivo, também pode ser utilizado em problemas com um número elevado de parâmetros incertos como entrada. / The possibility of developments of smart structures arises with high performance composite materials improvements, where piezoelectric actuators and sensors are embedded into the structures, following a suitable control laws for vibration attenuation. Multidisciplinary projects are becoming highly complex and sophisticated, involving several sources of uncertainty that should be analyzed and quantified. The main objective for this work is to study the uncertainty propagation in composite laminate structures with embedded piezoelectric actuators and sensors, considering random and/or fuzzy sources for the inputs and design parameters. To accomplish this objective, it is adopted the fuzzy α-cut optimizations methodology. This technique is used when the available information related to the actual randomness is vague or imprecise. In this study, laminated composite shells and plates structures are designed and analyzed by the finite element method, where embedded piezoelectric actuators and sensors controlled by Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) are present. Initially, optimization analyses are executed to find the best arrangement for the piezoelectric material using controllability and observability Gramians metrics, as well as the best controller parameters. This study is developed in the reduced modal space looking for computational costs savings. The chosen rating metrics for the vibration control and uncertainty analysis are based on kinetic, potential and electrical energies. Structural displacements and natural frequency envelopes due uncertainty are also studied and presented. The results have shown that the fuzzy α-cut optimizations methodology is robust and efficient to find extreme values for the sought outputs. In addition to being a non-intrusive method, it is also able to deal with a large number of uncertain input parameters.

Em sistemas modernos de manutenção inteligente a qualidade de uma máquina ou equipamento depende do suporte que é fornecido junto com esse produto, com a confiabilidade e segurança na utilização do mesmo. Estas exigências, por vezes, não são cumpridas e podem estar indisponíveis em algumas máquinas. Este trabalho descreve uma abordagem utilizando sinais de vibração coletados em tempo real com falhas como estudo preliminar para uma abordagem mais profunda como estudo dametodologia de testes de vida acelerado para auxiliar durante a fase de vida operacional permitindo ao fabricante a determinação dos ciclos de vida do produto. A abordagem proposta construída em cima de experiências anteriores em desenvolvimento no projeto Integração de Sistemas Inteligentes de Manutenção e Cadeia de Fornecimento de Peças Sobressalentes. O objetivo deste trabalho é apresentar resultados preliminares analisando a variabilidade das assinaturas de falhas das engrenagens danificadas de maneira a permitir a identificação dos ciclos de vida do produto para partes específicas de um atuador elétrico. / In modern systems of intelligent maintenance the quality of a machine or equipment depends on the support that comes with this product, with the reliability and safety in the use of it. These requirements are sometimes not met and may be unavailable on some machines. This paper describes an approach using vibration signals collected in real-time with faults as a preliminary study for a deeper approach with the study of the methodology of accelerated life tests to assist during the operational life stage allowing the manufacturer the determination of the life cycles of product. The proposed approach built on previous experiences under development in the project Integration of Intelligent Systems of Maintenance and Chain of Supply of Spares. The objective of this work is to present preliminary results analyzing the variability of failure signatures of the damaged gears in order to allow the identification of product life cycles for specific parts of an electric actuator.

O presente trabalho trata do estudo, análise, construção e teste de uma nova configuração para um atuador planar. O dispositivo, que apresenta uma movimentação sobre o plano com dois graus de liberdade a partir de um único dispositivo de tração, é formado por um carro, também chamado de primário, que apresenta dois enrolamentos trifásicos independentes, ortogonais entre si, montados em um núcleo ranhurado de material compósito magneticamente macio de grão isolado; e por um estator, também chamado de secundário, formado por uma chapa de alumínio plana montada sobre um núcleo ferromagnético igualmente plano, formando a área de trabalho ou de movimentação do primário. Através de um acionamento trifásico, os enrolamentos produzem campos magnéticos viajantes, fazendo com que correntes elétricas induzidas apareçam nos materiais eletricamente condutores do secundário. A interação entre os campos magnéticos e as correntes induzidas proporciona o aparecimento de uma força planar de propulsão na direção do campo magnético viajante, responsável pelo deslocamento do primário sobre a área de trabalho, definida pelo secundário. O atuador apresenta uma distribuição espacial da densidade de fluxo magnético em toda a sua estrutura. Este trabalho preocupa-se em analisar analítica, numérica e experimentalmente os fenômenos eletromagnéticos envolvidos, tanto em regime estático como dinâmico. O emprego de duas configurações para o secundário, utilizados separadamente, é investigado: no caso 1 é montado um núcleo de material ferromagnético sobre o qual é colocada uma chapa de alumínio; já no caso 2, é retirado o alumínio do conjunto, mantendo-se o mesmo material ferromagnético, a saber, aço maciço 1020. Uma análise estática e dinâmica, a partir do método dos elementos finitos tornou possível a verificação da densidade de fluxo magnético no entreferro e da distribuição da densidade de corrente elétrica induzidas nos materiais do secundário em função da excitação trifásica dos enrolamentos do primário, bem como a obtenção dos seus efeitos sobre a força planar de propulsão, considerando as duas configurações propostas para o estator. Além disso, pode-se comparar esses resultados, direta ou indiretamente, como os resultados analíticos e experimentais obtidos. Esses resultados apontam que existem diferenças significativas na utilização das duas configurações, indicando que o caso 1, quando utilizado de maneira adequada no sistema, produz uma melhor resposta de força em função da excitação elétrica. / The present work presents the study, analysis, implementation and test of a new type of planar actuator, the induction planar actuator with orthogonal windings. The device, which presents movement over the plan with two degrees of freedom from a unique traction device, is formed by a car, also called primary, which presents two three-phase independent winding, orthogonal among each other, assembled on a slotted core made of grain insulated soft magnetic composite material and by a stator, also called secondary, formed by an aluminum plate assembled over a plan ferromagnetic core equally plan, forming a work area or of primary movement. Through the three-phase operation drive, the windings produce traveling magnetic fields, having the electric induced current to appear at the electrically conductor materials of the secondary. The interaction between the magnetic fields and the induced currents provides the appearance of a planar traction force towards the traveling magnetic field, responsible for the displacement of the primary over the work area, defined by the secondary. The actuator presents magnetic flow density spatial distribution in all its structure. This paper is concerned about analyzing analytically, numerically and experimentally the phenomena involved as in steady as dynamic state. The employment of two settings to the secondary used separately is argued: in case 1 a ferromagnetic core is assembled over which is placed an aluminum plate; in case 2 the aluminum is taken off the setting, maintaining the same ferromagnetic material (steel 1020). Dynamic and statics analysis, from the finite elements method, made the verification of the magnetic flux density possible in the air gap and the distribution of the electric current density induced on the material of the secondary due to the three-phase excitation of the winding of the primary, as well as the obtainment of its effects over the planar traction force, regarding the two settings proposed for the stator. Besides, it’s possible to compare these results, direct or indirectly as analytical and experimental results obtained. These results point the there are meaningful differences at both settings, indicating that case 1, when used adequately in the system, produces better force response due to the electric excitation.

O trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia denominada modelo de núcleo reduzido, aplicada para avaliar o desempenho de máquinas elétricas no que tange a geometria e materiais empregados na fabricação do núcleo completo. Para fins de validação da metodologia utiliza-se um Atuador Planar de Indução Trifásico com dois graus de liberdade, comparando os resultados numéricos e experimentais. Através desta metodologia, pode-se realizar a análise dos fenômenos eletromagnéticos ocorridos no núcleo completo por meio da avaliação de seu modelo reduzido, composto neste caso por 33% do núcleo completo empregado no Atuador Planar de Indução Trifásico. A comprovação da metodologia do modelo de núcleo reduzido ocorreu através da fabricação de uma bancada de testes, composta por uma célula de carga para realizar aquisição da força de propulsão planar, interface de potência e os núcleos reduzidos com seguintes materiais ferromagnéticos: compósitos SMC 1P Somaloy 500®, Ferro resinado e Aço ABNT 1020. Com auxilio da estrutura de testes, validou-se o modelo numérico dos três núcleos reduzidos quanto a força de propulsão planar. Na análise dos dados experimentais e numéricos, o material Ferro resinado apresentou a diferença 14% referente a força de propulsão planar, sendo a maior diferença entre os materiais estudados. Com a convergência dos resultados experimental e numéricos, realiza-se a comparação numérica entre os núcleos reduzidos e completos utilizando-se os três materiais ferromagnéticos. A análise numérica do núcleo reduzido com o material SMC 1P Somaloy 500® apresentou o fator de relação médio da força de propulsão planar de 2,65 em relação ao núcleo completo. O núcleo completo com Aço ABNT 1020 resultou no consumo médio de 56,7Watts para gerar a força de propulsão planar de 1 Newton. Dessa forma, proporciona-se uma ferramenta de maior rapidez para fabricação e avaliação do desempenho de materiais ferromagnéticos utilizados no núcleo completo da máquina elétrica. / This paper presents the development of a methodology denominated low core model applied to evaluate the performance of electrical machines with respect to geometry and materials used in manufacturing of the complete core. For validation purposes of the methodology is used a Planar Three-phase Induction Actuator with two degrees of freedom, comparing the experimental and numerical results. Through this methodology, it is possible to perform the analysis of electromagnetic phenomena occurring in the complete core based evaluation of the reduced model, made in this case with 33% of the full core employed in the Planar Three-phase Induction Actuator. The verification of the reduced core model methodology occurred through the manufacture of a testing bench, which is composed of a load cell to realize the acquisition of the planar propulsion force, potency interface and reduced cores with the following ferromagnetic materials: SMC 1P Somaloy 500® composites, resinated Iron and Steel ABNT 1020. With the help of the test structure, it was validated the numerical model of the three reduced cores regarding to the planar propulsion force. In the analysis of experimental and numerical data, the resinated Iron material showed a 14% difference concerning the strength of the planar propulsion, which is the biggest difference between the materials studied. With the convergence of the experimental and numerical results, a numerical comparison is performed between the reduced and complete cores using the three ferromagnetic materials. The numerical analysis of the reduced core with the SMC 1P Somaloy 500® material showed the average ratio of the planar factor propulsive force of 2.65 when compared with the complete core. The complete core with ABNT 1020 Steel resulted in an average consumption of 56.7 Watts to generate a planar propulsive force of 1 Newton. Thus, it is provided a faster tool for manufacturing and evaluation of ferromagnetic materials performance used in the complete core of the electric machine.

Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização topológica de atuadores piezelétricos em estruturas compostas laminada com o objetivo de atenuar as vibrações estruturais induzidas por excitações externas. Para isso, utiliza-se técnicas de controle ótimo, como o regulador linear quadrático (LQR) e o controlador linear quadrático gaussiano (LQG). Os estados não mensuráveis são estimados através do uso de observadores de estados de ordem completa, usando o filtro de Kalman para a escolha ótima da matriz de ganhos do observador de estados. O problema de otimização topológica é formulado para a localização ótima do atuador piezelétrico composto MFC (Macro Fiber Composite) na camada ativa da placa, determinando a localização mais vantajosa do material MFC através da maximização do índice de controlabilidade. Para o modelo estrutural, é proposto neste trabalho um modelo para a interação entre o atuador MFC e a estrutura. Assume-se que o MFC é uma das lâminas de material ortotrópico que sofre uma deformação inicial a partir da aplicação de um potencial elétrico e que essa deformação terá efeitos sobre o restante da estrutura. Dessa maneira, não é necessário modelar o campo elétrico gerado através dos eletrodos, uma vez que o efeito eletromecânico é considerado analiticamente. A rigidez e a massa do atuador MFC são considerados no modelo estrutural. Os resultados numéricos mostram que o modelo estrutural proposto para representar a interação entre o atuador MFC e a estrutura apresenta boa concordância com resultados experimentais e numéricos encontrados. Além disso, os resultados mostram que a partir do posicionamento ótimo do atuador MFC na estrutura, a técnica de controle implementada permite atenuar as vibrações estruturais. As simulações para uma força de um degrau unitário permitem concluir que a estratégia de controle usando o controlado LQG apresenta melhor desempenho em termos de tempo de assentamento, sobre resposta, amortecimento e sinal de controle, quando comparado com o controlador LQR. / This work presents a topologic optimization methodology of piezoelectric actuators in laminated composite structures with the objective of controlling external perturbation induced by structural vibrations. The Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Gaussian (LQG) optimal control techniques are used. The states are estimated through of the full order state observers, using the Kalman filter to the observer gain matrix. The topology optimization is formulated to find the optimum localization of the Macro Fiber Composite (MFC) active piezoelectric patch, determining the most advantageous location of the MFC, through of the maximization of the controllability index. For the structural model, this work proposes a simplified MFC/structure interaction model. It is assumed that the MFC is one of the orthotropic material layers which has an initial strain arising from the application of an electric potential; this strain acts on the remainder of the structure. This way, modeling the electromechanical interaction between the piezoelectric material and the electric field is unnecessary because this effect is considered analytically. Both the stiffness and the mass of the MFC are taken into account in the structural model. Numerical results show that proposed MFC-structure interaction model presents good agreement with experiments and numerical simulations of models that uses the electromechanical effect. Actuator location optimization results show that the technique implemented improves the structural vibration damping. The response simulations to an unit step force allows to conclude that the control strategy using the LQG controller presents better performance in terms of settling time, overshoot, damping and control signal energy when compared to the LQR controller.