Afin d’accomplir les promesses des récupérateurs d’énergie vibratoire (VEHs) qui s’imposent comme unealternative majeure pour garantir l’autonomie des capteurs pour la surveillance, leurs performances en termes debande passante et puissance récupérable doivent être améliorées. Dans cette thèse, à la différence des VEHs classiqueslinéaires et multimodales ou non-linéaires et mono-fréquence, on propose une approche de récupérationd’énergie basée sur des réseaux d’aimants couplés en lévitation ou élastiquement guidés combinant les avantagesdes non-linéarités et des interactions modales. Une étude bibliographique sur les récupérateurs d’énergie vibratoireest effectuée. En particulier, les inconvénients des récupérateurs linéaires et les techniques de réglage de fréquencesont présentées. De plus, les méthodes non-linéaires sont présentées pour définir une procédure de résolution permettantl’étude de la dynamique des récupérateurs non-linéaires. Les équations du mouvement qui contiennentla non-linéarité magnétique, la non-linéarité géométrique et l’amortissement électromagnétique sont résolus enutilisant la méthode de la balance harmonique couplée avec la méthode asymptotique numérique. Une méthodologied’optimisation multi-objectif basée sur l’algorithme Non Sorting Genetic Algorithm est appliquée afin decalculer les solutions optimales pour maximiser les performances du récupérateur d’énergie. Grâce au couplagenon-linéaire et aux interactions modales, pour le cas des trois aimants couplés, l’approche proposée permet la récupérationde l’énergie vibratoire dans la gamme fréquentielle 4;6 - 14;5 Hz, avec une bande passante d’environ190 % et une puissance normalisée de 20,2 mWcm-3g-2. / In order to accomplish the promises of vibration energy harvesters (VEHs) as a major alternative to powersensors, their performances in terms of frequency bandwidth and harvested power have to be improved. In thisthesis, unlike classical VEHs either linear and multimodal or nonlinear and mono-frequency, we propose a vibrationenergy harvesting approach based on arrays of coupled levitated or elastically guided magnets combining thebenefits of nonlinearities and modal interactions.A review of VEHs is carried out. Particularly, the design issues of linear harvesters are addressed and frequencytuning techniques are presented. A review of nonlinear methods is also presented in order to define a solving procedureenabling the investigation of the dynamics of nonlinear VEHs. The equations of motion which include themagnetic nonlinearity, the geometric nonlinearity and the electromagnetic damping are solved using the harmonicbalance method coupled with the asymptotic numerical method. A multi-objective optimization procedure isintroduced and performed using a non-dominated sorting genetic algorithm for the cases of small magnet arraysin order to select the optimal solutions in term of performances by bringing the eigenmodes close to each other interms of frequencies and amplitudes. Thanks to the nonlinear coupling and the modal interactions even for onlythree coupled magnets, the proposed method enable harvesting the vibration energy in the operating frequencyrange of 4.6–14.5 Hz, with a bandwidth of 190 % and a normalized power of 20:2mWcm-3g-2.

The thesis deals with the design of a hybrid magnetic bearing. This is an extension of the issue of common bearings in high-speed motors. The work is divided into three parts. A general theory of magnetic bearings is described in the first part. The second part deals with the mathematical description of the bearing. A proposal of specific hybrid magnetic bearing is described in the third part. The bearing for the motor was already designed. It is a 45000rpm motor with a power output of 12 kW. This thesis aims to create a design of hybrid magnetic bearing with magnets to create a permanent magnetic field and coils to regulate forces to stabilize the rotor and limit vibrations. The practical design includes mathematical calculation in Matlab and computer simulation based on the finite element method in ANSYS Maxwell.

An induction setup for levitation studies of molten metals was built. The setup was used to levitate and heat stainless steel samples of 2.00 g to 1600 °C and subject them to different atmospheres. Changes in shape and temperature were recorded by video and infrared thermocouple. Oxide films forming on the droplets during levitation were observed. It was possible to notice an immediate surface reaction when the reaction gas was introduced. This reaction is concluded to influence the surface and bulk composition, and therefore have an effect on the shape evolution of the droplet. A more oxidizing atmosphere resulted in a more conical droplet shape; this is thought to be an effect of lowered surface tension and the conically shaped volumetric force caused by the magnetic field. Changes in temperature after the sample is molten are thought to be an effect of changes in emissivity, caused by surface oxidization. Post mortem analysis show a difference in surface morphology for samples subjected to different gases, as well as a difference in amount of oxidization.

Sistemas de levitação magnética são inerentemente não-lineares e, quando con- trolados digitalmente, normalmente, esbarram em limitações do hardware empregado. O objetivo desta tese é apresentar aspectos teóricos e práticos durante a aplicação da teoria de controle H1 não-linear em sistemas de levitação magnética. A primeira con- tribuição desta tese é apresentar um procedimento de projeto de um controlador H1 não-linear que utiliza funções de ponderação com dinâmica, obtidas a partir do projeto de um controlador H1 linear. Assim como no caso linear, essas funções de ponderação possibilitam a rejeição de perturbações, ruídos de sensor, aumento da robustez, den- tre outras especificações. A segunda contribuição é apresentar um procedimento de conversão de uma rotina implementada em ponto-flutuante para ponto-fixo, utilizando minimização de norma l1, que foi implementada em um DSP de 32 bits em ponto- fixo. Resultados experimentais também são apresentados, nos quais a performance do controlador não-linear é especificamente avaliada na fase inicial de levitação. / Electromagnetic suspension systems are inherently nonlinear and often face hard- ware limitation when digitally controlled. The goal of this thesis is to present theoretical and practical aspects during the nonlinear H1 control applied on an electromagnetic suspension system. The first contribution is the design of a nonlinear H1 controller, including dynamic weighting functions, obtained from a linear H1 controller. Just as in the linear case, this dynamic weighting functions provide the disturbance and noise sensor rejection, robustness improvement, among other specifications. The second con- tribution is to present a procedure able to translate a floating-point algorithm into a fixed-point algorithm by using l1 norm minimization due to conversion error, which was then implemented into a 32-bit fixed-point DSP. Experimental results are also pre-sented, in which the performance of the nonlinear controller is evaluated specifically in the initial suspension phase.

Sistemas de levitação magnética são inerentemente não-lineares e, quando con- trolados digitalmente, normalmente, esbarram em limitações do hardware empregado. O objetivo desta tese é apresentar aspectos teóricos e práticos durante a aplicação da teoria de controle H1 não-linear em sistemas de levitação magnética. A primeira con- tribuição desta tese é apresentar um procedimento de projeto de um controlador H1 não-linear que utiliza funções de ponderação com dinâmica, obtidas a partir do projeto de um controlador H1 linear. Assim como no caso linear, essas funções de ponderação possibilitam a rejeição de perturbações, ruídos de sensor, aumento da robustez, den- tre outras especificações. A segunda contribuição é apresentar um procedimento de conversão de uma rotina implementada em ponto-flutuante para ponto-fixo, utilizando minimização de norma l1, que foi implementada em um DSP de 32 bits em ponto- fixo. Resultados experimentais também são apresentados, nos quais a performance do controlador não-linear é especificamente avaliada na fase inicial de levitação. / Electromagnetic suspension systems are inherently nonlinear and often face hard- ware limitation when digitally controlled. The goal of this thesis is to present theoretical and practical aspects during the nonlinear H1 control applied on an electromagnetic suspension system. The first contribution is the design of a nonlinear H1 controller, including dynamic weighting functions, obtained from a linear H1 controller. Just as in the linear case, this dynamic weighting functions provide the disturbance and noise sensor rejection, robustness improvement, among other specifications. The second con- tribution is to present a procedure able to translate a floating-point algorithm into a fixed-point algorithm by using l1 norm minimization due to conversion error, which was then implemented into a 32-bit fixed-point DSP. Experimental results are also pre-sented, in which the performance of the nonlinear controller is evaluated specifically in the initial suspension phase.

Cieľom práce je aplikácia lokálnych aproximátorov pre riadenie reálnych mechatronických sústav pomocou metódy dopredného riadenia predstavujúcej zaujímavú alternatívu k metódam využívajúcim globálne aproximátory. Po ukážkových príkladoch funkcie lokálnych aproximátorov bol navrhnutý algoritmus implementovaný pre riadenie dvoch sústav, elektronickej škrtiacej klapky a výukového modelu magnetickej levitácie, predstavujúcich vysoko nelineárne a nestabilné sústavy. Skúmali sme, či riadiaci algoritmus bude mať pozitívny vplyv na presnosť regulácie, ďalej bola skúmaná jeho schopnosť prispôsobiť sa zmene parametrov sústavy a tiež prípadná možnosť jeho implementácie pre mikrokontrolér znížením vzorkovacej frekvencie. Výsledky ukázali, že riadenie založené na lokálnych modeloch zlepšilo riadenie v porovnaní s jednoduchým PID regulátorom a že má schopnosť adaptability. Veľmi výhodné sa zdá byť jeho použitie pre zariadenia umožnujúce vzorkovaciu frekvenciu do 1 kHz.

O objetivo deste trabalho é apresentar um novo tipo de sistema de levitação baseado na força de interação magnética entre uma bobina de núcleo não-magnético e um imã permanente, em casos de simetria axial entre os dispositivos, nos moldes do problema 23 proposto no TEAM Workshop. Este tema é bastante atual e vários métodos têm sido estudados e propostos em razão da complexidade na determinação precisa das forças sobre os imãs permanentes imersos em um campo magnético em um circuito magnético aberto. O primeiro grande desafio deste trabalho é obter uma expressão analítica para esta força de interação magnética em casos de simetria axial usando o método de cargas magnéticas ligadas. Para tal, algumas hipóteses simplificadoras foram adotadas como considerar o campo magnético gerado pela bobina aproximadamente uniforme em toda a face do imã permanente e assumir que a magnetização do imã é constante e independente da variação de sua distância para a bobina. Pretende-se aproveitar o sistema implementado neste trabalho como bancada experimental no Laboratório de Controle da Universidade de São Paulo. Foi projetado um controlador PID através de ferramentas gráficas obedecendo a alguns critérios de desempenho, tanto no domínio do tempo como no domínio da freqüência. Uma vez sintonizado, foi utilizado o toolbox Real-Time Windows Target do Simulink e a placa de aquisição PCI 6221 (da National Instruments) para controlar em tempo real a planta de levitação em malha fechada. Os resultados experimentais foram muito satisfatórios de modo que o modelo analítico foi considerado válido. O sistema apresentou boas características como, por exemplo, um bom acompanhamento do sinal de referência, mesmo em grandes excursões, erro de regime nulo, levitação estável em distâncias relativamente grandes e uma boa estabilidade radial. O uso de dois sensores Hall mostrou-se eficiente na determinação da posição do imã permanente. / The objective of this work is to present a new kind of levitation system based on the interaction force between a non-magnetic core coil and a permanent magnet, in the case of axial symmetry between devices, as proposed by TEAM Workshop problem 23. This theme is very current and various methods have been studied and proposed in face of the complexity in determining precisely the force over permanent magnets immersed in a magnetic field in an open magnetic circuit. The first big challenge of this work is to obtain an analytical expression for this interaction magnetic force in the case of axial symmetry using the equivalent magnetic charge method. For this, some simplifying hypothesis have been adopted like considering the magnetic field created by the coil approximately uniform over all the permanent magnets face and assuming that magnets magnetization is constant and independent of the variation of its distance to the coil. The system implemented in this work is intended to be used as an experimental bench for the Laboratory of Control of Sao Paulo University. A PID controller was projected by means of graphical tools according to some criteria for performance, both in the field of time as in the frequency domain. Once tuned, the toolbox Real-Time Windows Target of Simulink and the PCI-6221 acquisition board (of National Instruments) were used to control in real time the levitation plant in closed loop. The experimental results were very satisfactory so that the analytical model was considered valid. The system showed good characteristics as, for instance, a good tracking of reference signal, even in large excursions of it, null stationary error, stable levitation at relatively big gaps and a good radial stability. The use of two Hall-effect sensors proved to be efficient in the determination of permanent magnets position.

O objetivo deste trabalho é apresentar um novo tipo de sistema de levitação baseado na força de interação magnética entre uma bobina de núcleo não-magnético e um imã permanente, em casos de simetria axial entre os dispositivos, nos moldes do problema 23 proposto no TEAM Workshop. Este tema é bastante atual e vários métodos têm sido estudados e propostos em razão da complexidade na determinação precisa das forças sobre os imãs permanentes imersos em um campo magnético em um circuito magnético aberto. O primeiro grande desafio deste trabalho é obter uma expressão analítica para esta força de interação magnética em casos de simetria axial usando o método de cargas magnéticas ligadas. Para tal, algumas hipóteses simplificadoras foram adotadas como considerar o campo magnético gerado pela bobina aproximadamente uniforme em toda a face do imã permanente e assumir que a magnetização do imã é constante e independente da variação de sua distância para a bobina. Pretende-se aproveitar o sistema implementado neste trabalho como bancada experimental no Laboratório de Controle da Universidade de São Paulo. Foi projetado um controlador PID através de ferramentas gráficas obedecendo a alguns critérios de desempenho, tanto no domínio do tempo como no domínio da freqüência. Uma vez sintonizado, foi utilizado o toolbox Real-Time Windows Target do Simulink e a placa de aquisição PCI 6221 (da National Instruments) para controlar em tempo real a planta de levitação em malha fechada. Os resultados experimentais foram muito satisfatórios de modo que o modelo analítico foi considerado válido. O sistema apresentou boas características como, por exemplo, um bom acompanhamento do sinal de referência, mesmo em grandes excursões, erro de regime nulo, levitação estável em distâncias relativamente grandes e uma boa estabilidade radial. O uso de dois sensores Hall mostrou-se eficiente na determinação da posição do imã permanente. / The objective of this work is to present a new kind of levitation system based on the interaction force between a non-magnetic core coil and a permanent magnet, in the case of axial symmetry between devices, as proposed by TEAM Workshop problem 23. This theme is very current and various methods have been studied and proposed in face of the complexity in determining precisely the force over permanent magnets immersed in a magnetic field in an open magnetic circuit. The first big challenge of this work is to obtain an analytical expression for this interaction magnetic force in the case of axial symmetry using the equivalent magnetic charge method. For this, some simplifying hypothesis have been adopted like considering the magnetic field created by the coil approximately uniform over all the permanent magnets face and assuming that magnets magnetization is constant and independent of the variation of its distance to the coil. The system implemented in this work is intended to be used as an experimental bench for the Laboratory of Control of Sao Paulo University. A PID controller was projected by means of graphical tools according to some criteria for performance, both in the field of time as in the frequency domain. Once tuned, the toolbox Real-Time Windows Target of Simulink and the PCI-6221 acquisition board (of National Instruments) were used to control in real time the levitation plant in closed loop. The experimental results were very satisfactory so that the analytical model was considered valid. The system showed good characteristics as, for instance, a good tracking of reference signal, even in large excursions of it, null stationary error, stable levitation at relatively big gaps and a good radial stability. The use of two Hall-effect sensors proved to be efficient in the determination of permanent magnets position.

Diploma thesis is summarizing common theoretical knowledge about permanent magnets and electromagnetism. Represent DC electromagnet as basic part for levitated high-speed train. Work is analyzing basics under cart and principles used for magnetic levitation in high-speed transportation. Second practice part including projecting construction levitated cart and analyzing acquired mathematical model of electromagnet. Work is analyzing process for projecting control for side electromagnets and realization real model, including tuning computer communication with states of sensors and comparison real model with model simulated in program Simulink.