Este trabalho propõe uma solução inovadora para o amortecimento de vibrações laterais indesejadas em máquinas rotativas através da conversão de energia cinética em energia elétrica por meio de um dispositivo eletromagnético passivo de colheita de energia, com o mínimo de geração de torque reativo. Para atingir estes objetivos, foram descritas e avaliadas as três principais técnicas de coleta de energia vibratória (piezelétrica, eletrostática e eletromagnética) juntamente com análises qualitativas das equações de eletromagnetismo e pelo Método dos Elementos Finitos. Um protótipo que consiste em um conjunto de ímãs permanentes anexos ao rotor e um conjunto de bobinas no estator demonstrou experimentalmente uma diminuição da amplitude de vibração em até 6,8%, na região de velocidades críticas, com geração não significativa de torque. Estes resultados foram obtidos experimentalmente mantendo-se os enrolamentos independentes entre si. / In this work, it is proposed a novel damping solution for undesired lateral vibrations in rotating machines by converting kinetic energy into electrical energy through a passive electromagnetic energy harvesting device, with minimal generation of reactive torque. In order to achieve these goals, it is described and evaluated the three main vibration energy harvesting techniques (piezoelectric, electrostatic and electromagnetic) along with qualitative analysis of electromagnetic equations and nite element analysis (FEA). Furthermore, a prototype consisting of a set of permanent magnets attached to the rotor and a set of coils attached to the stator showed a decrease in the amplitude of vibration up to 6,8% in the range of critical velocities, with non-signicant torque generation. Such results were obtained experimentally with independent-circuit coils.

Este trabalho propõe uma solução inovadora para o amortecimento de vibrações laterais indesejadas em máquinas rotativas através da conversão de energia cinética em energia elétrica por meio de um dispositivo eletromagnético passivo de colheita de energia, com o mínimo de geração de torque reativo. Para atingir estes objetivos, foram descritas e avaliadas as três principais técnicas de coleta de energia vibratória (piezelétrica, eletrostática e eletromagnética) juntamente com análises qualitativas das equações de eletromagnetismo e pelo Método dos Elementos Finitos. Um protótipo que consiste em um conjunto de ímãs permanentes anexos ao rotor e um conjunto de bobinas no estator demonstrou experimentalmente uma diminuição da amplitude de vibração em até 6,8%, na região de velocidades críticas, com geração não significativa de torque. Estes resultados foram obtidos experimentalmente mantendo-se os enrolamentos independentes entre si. / In this work, it is proposed a novel damping solution for undesired lateral vibrations in rotating machines by converting kinetic energy into electrical energy through a passive electromagnetic energy harvesting device, with minimal generation of reactive torque. In order to achieve these goals, it is described and evaluated the three main vibration energy harvesting techniques (piezoelectric, electrostatic and electromagnetic) along with qualitative analysis of electromagnetic equations and nite element analysis (FEA). Furthermore, a prototype consisting of a set of permanent magnets attached to the rotor and a set of coils attached to the stator showed a decrease in the amplitude of vibration up to 6,8% in the range of critical velocities, with non-signicant torque generation. Such results were obtained experimentally with independent-circuit coils.

Submitted by Maria Suzana Diniz (msuzanad@hotmail.com) on 2015-11-05T15:02:58Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2263650 bytes, checksum: 4d60464c07f78fb9c03a13252617e730 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-11-05T15:02:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2263650 bytes, checksum: 4d60464c07f78fb9c03a13252617e730 (MD5) Previous issue date: 2015-07-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work to characterize a thermoelectric device as a electrical power generator. For this propose, a thermoelectric cell was submit to different temperature profiles on his faces. The application of heat on the device was made through a feeded back controled structure with cascade Peltier cells, temperature sensors and current circuit drivers. The execution and the monitoring of this was made by an interface of acquisition and data control connected to the computer and managed by a software dedicated to this application. With this experiments was observed the electrical voltage response from the thermoelectric device in relation to temperatures applied to his faces. Also was inserted a resistive charge for behavior analysis of the electrical power provided by the device. Among the obtained results, stand out the variation of the Seebeck coefficient when the average of work’s temperature changes. The power provided by the thermoelectric device setted as generator comes to 95 mW when submitted to a temperature difference ((ΔT) in 40 ºC. The power and current curves are showed in relation to the voltage generated by the device. / Este trabalho caracteriza um dispositivo termoelétrico como gerador de energia elétrica. Para tal propósito, uma célula termoelétrica foi submetida a diferentes perfis de temperatura em suas faces.A aplicação de calor no dispositivo foi feita através de uma estrutura de controle retroalimentada composta por células de Peltier em cascata,sensores de temperatura e circuitos condicionadores de corrente. A execução e o monitoramento do sistema foram feitos através de uma interface de aquisição e controle de dados, conectada a um computador e gerenciada por um software dedicado a aplicação. Com estes experimentos foi observada a resposta da tensão elétrica do dispositivo termoelétrico em relação às temperaturas aplicadas em suas faces. Também foi inserida uma carga resistiva para analise do comportamento da potência elétrica fornecida pelo dispositivo. Dentre os resultados obtidos, destaca-se a variação do coeficiente de Seebeck quando é variada a temperatura média de trabalho. A potência fornecida pelo dispositivo termoelétrico configurado como gerador chega a 95 mW quando submetido a uma diferença de temperatura (ΔT) de 40 ºC.A curva de potência e corrente elétrica são apresentadas em relação à tensão gerada pelo dispositivo.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:57:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2159894 bytes, checksum: 0afcf73fa1c2d4c1bf3a43ee27852d53 (MD5) Previous issue date: 2014-02-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Currently possible solutions for alternative electric power generation have been the subject of interest of many researchers. Many of these studies focus on the use of natural resources, theoretically inexhaustible, to preserve exhaustible sources of energy. More recently, it has been studied the possibility of generating low power electricity, but enough to meet the demand of some electronic systems. Systems such as wireless sensors or remote communication which has low power consumption can be benefited. Among various technologies for producing alternative electricity, the use of vibratory energy and deformation of structures can be used to generate electricity. This conversion has the piezoelectric materials that convert mechanical strain energy into electrical energy. Thus, this work presents the characterization study of a piezoelectric material, Lead Zirconate Titanate (PZT), with the purpose of generating electricity. For the characterization experiment, we used a cylindrical PZT subjected to compression in a cyclic manner in the axial direction. An experimental apparatus was designed and instrumented to capture the force, acceleration, voltage and electric power generated due to piezoelectric cell. Initially simulations were developed in order to guide the experimental set of actions. From the experimental results with a piezoelectric cell a piezoelectric generator was designed with three cells and characterized. Results of the physical parameters related to characterization are presented. / Atualmente tem sido alvo de interesse de muitos pesquisadores estudos que apresentem possíveis soluções para geração de energia elétrica alternativa. Muitas dessas pesquisas se concentram na utilização de recursos naturais, teoricamente inesgotáveis, para preservar outras fontes de energias esgotáveis. Mais recentemente, tem sido estudada a possibilidade de geração de energia elétrica de baixa potência, mas que seja suficiente para suprir a demanda de alguns sistemas eletrônicos. Sistemas como sensores sem fio ou comunicação remota que tem baixo consumo de potência podem ser beneficiados. Dentre as várias tecnologias de produção de energia elétrica alternativa, o uso da energia vibratória e de deformação de estruturas pode ser utilizada para gerar energia elétrica. Para essa conversão se tem os materiais piezoelétricos que convertem a energia de deformação mecânica em energia elétrica. Assim, neste trabalho, é apresentado o estudo de caracterização de um material piezoelétrico de Titanato Zirconato de Chumbo (PZT) com o objetivo de geração de energia elétrica. Para a caracterização experimental foi utilizado um PZT com geometria cilíndrica tubular, submetido a uma compressão de forma cíclica no sentido axial. Um aparato experimental foi criado e instrumentado para a captação da força, aceleração, tensão e potência elétrica gerada devido a célula piezoelétrica. Inicialmente simulações foram desenvolvidas no sentido de nortear o conjunto de ações experimentais. A partir dos resultados experimentais com uma célula piezoelétrica foi elaborado um gerador piezoelétrico com três células e caracterizado. Resultados dos parâmetros físicos relacionados às caracterizações são apresentados.

Orientador: Eduardo Paciência Godoy / Resumo: A colheita de energia emerge como uma das soluções para a alimentação sustentável de sensores e dispositivos de monitoramento em redes sem fio nas aplicações da Internet das Coisas (IoT), permitindo até mesmo prescindir do uso de baterias. Este trabalho descreve o desenvolvimento de uma plataforma de colheita de energia e monitoramento de vazão a partir de redes de distribuição hidráulicas. O sistema experimental montado apresenta um circuito fechado de fluxo variável de água, criado a partir de uma bomba pressurizadora controlável eletronicamente, com sensor de vazão e um micro hidrogerador. A energia elétrica recuperada através do micro hidrogerador é utilizada para alimentar diferentes dispositivos de IoT com comunicação via Wi-Fi dos dados de monitoramento da vazão e volume, assim como, fornece energia para baterias. Os testes operacionais tiveram como objetivo dimensionar a quantidade de energia recuperada, em comparação com a energia consumida pelos dispositivos e bateria conectadas, em função dos valores de vazão obtidos pela plataforma. Nos testes realizados foi possível demonstrar a capacidade da colheita de energia pelo micro hidrogerador, com geração de aproximadamente 1W de energia e sua utilização para a operação contínua de dispositivos em aplicações de IoT. O estudo e implantação de diferentes modos de operação para os dispositivos medidores de vazão possibilitaram a redução do consumo de energia em até 54,4% e maximizaram a eficiência energética da solução, co... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Energy harvesting emerges as one of the solutions for sustainable power supply of sensors and monitoring devices in wireless networks in the Internet of Things (IoT) applications, even allowing to dispense with the use of batteries. This work describes the development of an energy harvesting and flow monitoring platform from hydraulic distribution networks. The assembled experimental system features a variable water flow closed loop, created from an electronically controllable pressurizing pump with flow sensor and a micro hydrogenerator. The electrical energy recovered through the micro-generator supplies different IoT device models with Wi-Fi communication of the flow and volume monitoring data and also provides power for storage batteries. The operational tests aimed to measure the amount of energy recovered, compared to the energy consumed by the connected devices and battery, according to the flow values obtained by the platform. In the tests carried out it was possible to demonstrate the capacity to harvest energy by the micro-generator, generating approximately 1W of energy and its use for the continuous operation of devices in IoT applications. The study and implementation of different modes of operation for flow meter devices make it possible to reduce energy consumption by up to 54.4% and maximize the energy efficiency of the solution, proving the potential of energy recovery as a viable alternative to guarantee the operation of self-sustaining meters for IoT applic... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Submitted by Morgana Silva (morgana_linhares@yahoo.com.br) on 2016-07-27T17:45:52Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2648831 bytes, checksum: 9541497365622df815ae71c695bd6f89 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-27T17:45:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2648831 bytes, checksum: 9541497365622df815ae71c695bd6f89 (MD5) Previous issue date: 2015-02-24 / In recent decades, the growing demand for miniaturized, portable and autonomous electronics has intensified the search for new and appropriate energy sources. Following this context, the purpose of this work is to develop an energy-autonomous electronic system, powered by magnetic energy harvesting. Being the energy harvesting system composed of an electromagnetic transducer, to capture and convert stray magnetic field around power lines, and an electronic circuit to condition the energy generated by the transducer and provide adequate power for a resistive load of low consumption. An experimental methodology was employed to select the appropriate material for the core of the transducer therefore been conducted many laboratory tests to analyze and compare the performance of the transducers with respect to power and power density provided by the transducers two ferromagnetic materials distinct, the Ferrite and Nanocrystalline Alloy (FeSiB). After analyzing the data, it is concluded that for this application the Nanocrystalline Alloy showed the best results in terms of power density, and therefore, was selected as the material of the toroidal core of the transducer. However, in the output of the secondary coil was observed high voltage peaks, so that could cause damage to electronic devices connected to the coil circuit. Therefore, it chose to divide the secondary coil into two coils, both connected in parallel to reduce the inductance, at end It is found the effectiveness of the solution, because, reduced voltage spikes and kept the magnitude of the effective tension. However, the showed transducer high inductive reactance, due to its physical parameters, in particular, the high permeability, to compensate were used capacitances connected in series with the coil, in order to define the ideal situation for the system provide maximum power for the load. The power conditioning circuit has been designed to power the wireless sensor node nRF24LE1 the Nordic semiconductors, therefore, have been designed a full-wave rectifier, a filter to the capacitor and a voltage regulator. Finally, it can be concluded that an electronic system with energetic autonomy could be implemented, using as power supply the energy harvesting by magnetic induction, and it can be installed in environments in which there is a magnetic field available for "exploited". / Nas últimas décadas, a crescente demanda por circuitos eletrônicos miniaturizados, portáteis e autônomos, vem intensificando a busca por novas e adequadas fontes energéticas. Seguindo este contexto, o propósito desta dissertação é desenvolver um sistema eletrônico energeticamente autônomo, alimentado por colheita de energia magnética. Sendo o sistema de colheita composto por um transdutor eletromagnético, para captar e converter o campo magnético disperso em torno de linhas de potência, e um circuito eletrônico para condicionar a energia gerada pelo transdutor e fornecer a potência adequada para uma carga resistiva de baixo consumo. Uma metodologia experimental foi empregada para selecionar o material adequado para o núcleo do transdutor, por isso, foram realizados diversos testes em laboratório para analisar e comparar o desempenho dos transdutores em relação à potência e a densidade de potência, fornecidas pelos transdutores de dois materiais ferromagnéticos distintos, a Ferrita e a liga Nanocristalina (FeSiB). Após a análise dos dados, concluiu-se que para esta aplicação a liga Nanocristalina apresentou os melhores resultados quanto à densidade de potência, e por isso, foi selecionada como o material do núcleo toroidal do transdutor. Porém, na saída da bobina secundária se observou altos picos de tensão, de modo que poderia ocasionar danos aos dispositivos eletrônicos do circuito conectado a bobina. Portanto, optou-se por fazer a divisão da bobina secundária em dois enrolamentos, ambos ligados em paralelo, para reduzir a indutância, ao final constatou-se a eficácia da solução, pois, reduziu os picos de tensão e manteve a magnitude da tensão eficaz. Contudo, o transdutor apresentou alta reatância indutiva, devido os seus parâmetros físicos, em particular, a alta permeabilidade, para compensá-la foram utilizadas capacitâncias ligadas em série com a bobina, a fim de definir a situação ideal para o sistema fornecer a máxima potência à carga. O circuito de condicionamento de energia foi projetado para alimentar o nó sensor sem fio nRF24LE1 da Nordic semiconductors, para tanto, foram projetados um retificador de onda completa, um filtro à capacitor e um regulador de tensão. Por fim, pode-se concluir que um sistema eletrônico com autonomia energética pode ser implementado, utilizando-se como fonte de alimentação a colheita de energia por indução magnética, e o mesmo pode ser instalado em ambientes nos quais existam um campo magnético disponível para ser “aproveitado”.

[pt] A necessidade de transmitir energia e dados através de barreiras metálicas tem sido cada vez maior em aplicações industriais, onde não é possível a penetração de cabos elétricos, ou o uso de ondas eletromagnéticas, tais como, por exemplo, em sistemas de sensoriamento de cimentação em poços de petróleo. Ondas acústicas podem ser uma solução para esse problema, porque não são afetadas pelo efeito gaiola de Faraday, além de possuírem baixa atenuação ao atravessarem metais. Diversos esforços foram feitos para realizar a transmissão de dados através de camadas metálicas, com abordagens que variam em composição do canal acústico, taxa de transmissão, transmissão simultânea de dados e energia e complexidade dos circuitos empregados; existe, porém, carência de trabalhos que envolvam camadas metal-fluído-metal. Este trabalho apresenta uma possível solução utilizando ondas acústicas como meio de transportar energia e dados em um canal composto de barreiras com duas camadas metálicas e uma de fluído. Aqui propõe-se uma inovadora técnica de controle automático de ganho e um melhor aproveitamento da largura de banda do canal acústico, que permite maior taxa de transmissão de dados. É ainda proposta uma técnica para controle dinâmico da portadora enviada ao lado passivo do sistema. Inicialmente, foi feita uma análise de um modelo numérico, baseado em trabalhos anteriores, fundamentado na propagação de ondas acústicas e baseado na analogia acustoelétrica. Em seguida, desenvolveu-se um sistema eletrônico para receber / transmitir energia e dados digitais, modulados em frequência, de um lado ao outro do sistema. Por fim, análises experimentais foram feitas utilizando como canal acústico, um conjunto de duas placas planas de aço (de 5 mm) separadas por uma camada de fluído (de 100 mm) e dois transdutores alinhados axialmente, realizando a transferência de energia e dados digitais modulados em frequência. O sistema foi capaz de realizar a transferência de dados a uma taxa de 19200 bps e simultaneamente uma transferência de energia de 66 mW, com essa energia foi possível alimentar o modulo eletrônico e um sensor de pressão e temperatura. Durante os testes foi constatado um aproveitamento de 5,5 por cento da energia aplicada ao canal, e foi possível atingir uma taxa de erro de bit de 5 por cento em um teste com 2 h e 30 min de duração, utilizando o canal acústico com camadas de múltiplos materiais propostos. O sistema de controle de portadora funcionou adequadamente, permitindo uma redução de consumo de até 53 por cento. O controle automático de ganho permitiu uma redução de 50 por cento na taxa de erro de decodificação. Demonstra-se, então, a viabilidade de tais sistemas de controle propostos, os quais podem ser úteis em casos onde existam variações nas características acústicas do canal em questão que, em conjunto com a transferência não intrusiva, pode prover solução para sistemas de sensoriamento. / [en] The need for energy and data transmission through metallic barriers is increasing in industrial applications, where the penetration of electrical waves or the use of electrical waves is not possible. An example of such a scenario is the monitoring of cementing in wellbore applications. Acoustic waves are promising to solve this problem, since they are not affected by the Faraday cage effect, in addition, they present low attenuation when propagating in metals. Several efforts have been made to carry out data transmission through metallic layers, with approaches that vary in composition of the acoustic channel, transmission speed, simultaneous transmission of data and energy and the complexity of the circuits used, but there is a lack of works involving metal-fluid-metal layers. This work presents a possible solution using acoustic waves as a mean of transporting energy and data in a channel composed of barriers with two metallic layers and one fluid layer. Here, it is proposed a novel technique for automatic gain control and better use of the available bandwidth of the acoustic channel, which allows higher data transmission speed. Also, a technique for dynamic control of the carrier sent to the passive side of the system is proposed. Initially, an analysis with a numerical model was made, following previous works, which is based on the propagation of acoustic waves and relying on the acoustoelectric analogy. Then, an electronic system was developed to receive/transmit power and digital data, frequency modulated, from one side of the system to the other. Finally, experimental analyzes were performed using as an acoustic channel, a set of two flat steel plates (5 mm) separated by a fluid layer (100 mm) and a pairs of axially aligned transducers, performing the energy transfer and frequency modulated digital data. The system was able to transfer data at a rate of 19200 bps and simultaneously a transfer of energy of 66 mW, with this energy it was possible to feed the inside block module and a pressure and temperature sensor. During the tests, it was verified that 5.5 per cent of the energy applied to the channel was used, and it a bit error rate down to of 5 per cent was reached in a test with 2 h and 30 min of duration, using the multi-layered acoustic. The automatic carrier control system worked as expected and allowed one to reduce energy consumption in 53 per cent. The automatic gain control allowed one to reduce the error rate in 50 per cent. These control systems prove the feasibility of the proposed system and further show the usefulness of the system in scenarios that are subject to variations in the acoustic characteristics of the channel.