A magnetohidrodinâmica, ou simplesmente MHD, é um campo da ciência que estuda os movimentos de fluidos condutores submetidos a forças eletromagnéticas e une conceitos da fluidodinâmica e eletromagnetismo. Nos últimos anos, a MHD vem sendo aplicada em diversas áreas tecnológicas, desde a propulsão eletromagnética até dispositivos biológicos. Neste trabalho, são mostradas a construção e a operação de um dispositivo MHD, um canal retangular preenchido com um fluido eletrolítico conhecido como macrobomba, isento de partes mecânicas móveis. Os imãs geram um campo magnético externo e os eletrodos criam um campo elétrico, perpendicular ao escoamento, que move o fluido. O modelo MHD é calculado a partir das equações de Navier Stokes acopladas às equações de Maxwell para um fluido incompressível newtoniano. As forças eletromagnéticas que surgem resultam do produto vetorial da densidade de corrente e da densidade de fluxo magnético - essa é a força de Lorentz. Os resultados são apresentados em simulações 3D numéricas, assim como em dados experimentais. O objetivo é relacionar o campo magnético com o elétrico e com a quantidade de movimento produzida, e calcular a densidade de corrente e o perfil de pressão e de velocidade. Um perfil U e M de pressões e velocidades é esperado no experimento. Dados experimentais e computacionais são comparados para validação e posterior uso para futuros trabalhos. / Magnetohydrodynamics or simply (MHD) is a field of science that studies the movement of conductive fluids subjected to electromagnetic forces. Such a phenomenon brings together concepts of fluid dynamics and electromagnetism. Over the years, MHD has been encountered in a wide area of technological applications electromagnetic propulsion to biological devices. The present work didactically shows the construction (materials and equipment) and operation of an MHD device; a rectangular closed circuit filled with an electrolyte fluid, known as macro pumps, where a permanent magnet generates a magnetic field and electrodes generate the electric field, perpendicular to the flow, moving the fluid. The MHD model has been derived from the Navier-Stokes equation and coupled with the Maxwell equations for Newtonian incompressible fluid. Electric and magnetic components engaged in the test chamber assist in creating the propulsion of the electrolyte fluid. The electromagnetic forces that arise are due to the cross product between the vector density of current and the vector density of magnetic field applied. This is the Lorentz force. Results are present of 3D numerical MHD simulation for Newtonian fluid as well as experimental data. The goal is to relate the magnetic field with the electric field and the amounts of movement produced, and calculate de current density and fluid´s pressure and velocity. An u-shaped and m-shaped velocity and pressure profiles are expected in the experiment. Computational and experimental data are compared for validation and future analysis.

A magnetohidrodinâmica, ou simplesmente MHD, é um campo da ciência que estuda os movimentos de fluidos condutores submetidos a forças eletromagnéticas e une conceitos da fluidodinâmica e eletromagnetismo. Nos últimos anos, a MHD vem sendo aplicada em diversas áreas tecnológicas, desde a propulsão eletromagnética até dispositivos biológicos. Neste trabalho, são mostradas a construção e a operação de um dispositivo MHD, um canal retangular preenchido com um fluido eletrolítico conhecido como macrobomba, isento de partes mecânicas móveis. Os imãs geram um campo magnético externo e os eletrodos criam um campo elétrico, perpendicular ao escoamento, que move o fluido. O modelo MHD é calculado a partir das equações de Navier Stokes acopladas às equações de Maxwell para um fluido incompressível newtoniano. As forças eletromagnéticas que surgem resultam do produto vetorial da densidade de corrente e da densidade de fluxo magnético - essa é a força de Lorentz. Os resultados são apresentados em simulações 3D numéricas, assim como em dados experimentais. O objetivo é relacionar o campo magnético com o elétrico e com a quantidade de movimento produzida, e calcular a densidade de corrente e o perfil de pressão e de velocidade. Um perfil U e M de pressões e velocidades é esperado no experimento. Dados experimentais e computacionais são comparados para validação e posterior uso para futuros trabalhos. / Magnetohydrodynamics or simply (MHD) is a field of science that studies the movement of conductive fluids subjected to electromagnetic forces. Such a phenomenon brings together concepts of fluid dynamics and electromagnetism. Over the years, MHD has been encountered in a wide area of technological applications electromagnetic propulsion to biological devices. The present work didactically shows the construction (materials and equipment) and operation of an MHD device; a rectangular closed circuit filled with an electrolyte fluid, known as macro pumps, where a permanent magnet generates a magnetic field and electrodes generate the electric field, perpendicular to the flow, moving the fluid. The MHD model has been derived from the Navier-Stokes equation and coupled with the Maxwell equations for Newtonian incompressible fluid. Electric and magnetic components engaged in the test chamber assist in creating the propulsion of the electrolyte fluid. The electromagnetic forces that arise are due to the cross product between the vector density of current and the vector density of magnetic field applied. This is the Lorentz force. Results are present of 3D numerical MHD simulation for Newtonian fluid as well as experimental data. The goal is to relate the magnetic field with the electric field and the amounts of movement produced, and calculate de current density and fluid´s pressure and velocity. An u-shaped and m-shaped velocity and pressure profiles are expected in the experiment. Computational and experimental data are compared for validation and future analysis.

O campo magnético estabelecido no entreferro das máquinas síncronas é responsável pela transmissão do torque e potência desejados, porém é também precursor de forças radiais inerentes. Tais forças combinadas à resposta dinâmica do sistema mecânico podem resultar em vibração excessiva do núcleo do estator, o que em geral é indesejável devido a eventuais danos e redução de vida útil decorrentes. Este trabalho tem como objetivo principal desenvolver modelos e simulações focados nas forças eletromagnéticas atuantes no núcleo do estator de tal forma que estes possam contribuir para compreensão global dos fenômenos envolvidos bem como para refinamento de resultados já conhecidos. De forma complementar, modelos mecânicos analíticos do núcleo do estator existentes na literatura serão explorados com a finalidade de, em conjunto com as forças eletromagnéticas encontradas, se obter o comportamento vibracional global da estrutura do núcleo do estator. Validação experimental dos resultados também é discutida com base em ensaios em duas máquinas reais. / The magnetic field established in the airgap of a synchronous machine is responsible for the desired torque and power transmission; however it is also precursor of inherent radial forces. Such forces combined to the dynamic response of the mechanical system can result in excessive stator core vibration, what is in general undesirable due to eventual damages and life span reduction. This work has the main objective of developing models and simulations focused on the electromagnetic forces acting on the stator core in such a way that they can contribute for the global comprehension of involved phenomena as well as for the refinement of already known results. Complementarily, analytical mechanical models of the stator core available in the literature will be explored with the goal of, in conjunction with the obtained electromagnetic forces, deriving the global vibrational behavior of the stator core structure. Experimental validation of results is also discussed based on tests performed in two real machines.

Power transformers are quite costly and essential to provide reliable electrical power system operation. Besides their maintenance or substitution costs, transformer failures must be taken into account, since its will have a large impact on the utility financial health due to the temporary loss of power delivery capability. Concerning transformer failure statistics, investigations carried out in many utilities in the world reveal that the effect of electromechanical stress caused by short-circuit currents is a relevant cause of failure in such equipment and they cause onerous financial damage. Failures caused by mechanical stress due to external short-circuit and due to inrush currents are an important aspect to be considered. The excessive strength caused in transformer conductors/windings due to electromagnetic forces can reduce the transformer lifetime or even cause irreversible damages of them. Therefore, the investigation of the harmful effects caused by transient phenomena becomes imperative. With this in mind, this work aims at investigating the electromagnetic forces and mechanical stresses due to external short-circuit and inrush currents inside the transformer. The studies are carried out using a time domain transformer model based on magnetomotive forces and magnetic reluctances, which allows simulating the transformer transient and steady state behavior regarding the electric, magnetic and mechanical aspects. The methodology is applied in two transformer models operating under rated and short-circuit conditions. Due to the lack of mechanical stress experimental values, a comparative performance analysis is obtained by comparing the simulated results and the well accepted results from finite element program. The results obtained from simulations are evaluated through of the impacts provoked in the variables used to analyze the mechanical stresses which occur in the transformers due to short-circuit and inrush currents. From the mechanical stress calculated it is presented a methodology that establishes a correlation between the phenomena here investigated and the impact in the transformer lifetime. This can assist, previously, in the reduction of the number of unexpected failures and, consequently, in financial damages. / Transformadores de potência são dispositivos fundamentais para a operação de sistemas de potência e têm um peso significativo no custo total de uma instalação. Além dos custos de manutenção e substituição, as falhas nos transformadores devem ser levadas em consideração, no sentido de manter tanto a continuidade do fornecimento de energia como os padrões mínimos de qualidade estabelecidos para o insumo energia elétrico, aliado ao equilíbrio financeiro das empresas. Estudos realizados por concessionárias de diversos países deixam evidentes os enormes prejuízos financeiros das empresas do setor elétrico, devido às falhas mecânicas em transformadores. Defeitos provocados pelos esforços mecânicos decorrentes de correntes de curtos-circuitos passantes e correntes de inrush se constituem como importantes causadores de falhas em transformadores. Os esforços adicionais causados nos condutores/bobinas de transformadores, devido ao acréscimo das forças eletromagnéticas resultantes, podem, em alguns casos, vir a reduzir a vida útil de transformadores ou até mesmo provocar a sua perda total. A investigação dos efeitos danosos causados pelos fenômenos mencionados, portanto, torna-se imperativa. Nessa perspectiva, a presente tese tem por objetivo investigar as forças eletromagnéticas e o estresse mecânico resultantes de cor- rentes de curtos-circuitos passantes e correntes de energização que se estabelecem no interior de transformadores. Para alcançar tal propósito, é empregada uma modelagem computacional no domínio do tempo baseada em forças magnetomotrizes e relutâncias magnéticas. Este modelo permite simulações de fenômenos de regime transitório e per- manente, além de possibilitar o acesso às grandezas elétricas, magnéticas e mecânicas. A metodologia é aplicada a dois modelos de transformadores operando em condições nominais e em curto-circuito. Devido às dificuldades de se encontrar publicações que contenham valores de referência para validar a metodologia proposta, os resultados são comparados aos correspondentes obtidos de um tradicional e bem aceito pacote do Método dos Elementos Finitos. Os resultados oriundos das simulações são avaliados em termos do grau de impacto que é provocado nas grandezas utilizadas para aferir os esforços mecânicos a que fica submetido um transformador, quando de sua energização ou na ocorrência de curtos-circuitos passantes. A partir dos esforços mecânicos determinados é apresentada uma proposta de metodologia que estabelece uma correlação entre os fenômenos aqui estudados e o impacto sobre a vida útil de transformadores, que pode auxiliar, de maneira preditiva, na redução do número de falhas inesperadas e, em conseqüência, nos prejuízos financeiros decorrentes. / Doutor em Ciências