A Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP, Brasil) e o Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia (IDPC, Brasil) estão desenvolvendo conjuntamente um Dispositivo de Assistência Ventricular (DAV) baseado numa bomba de vazão mista e utilizando mancais magnéticos que objetivem substituir os mancais convencionais, pois o uso de mancal magnético neste dispositivo minimiza a hemólise e melhora o tempo de vida do DAV, isso em razão da ausência e contato de um mancal com a crase sanguínea o que, por fim, aumenta a vida útil do dispositivo. O mancal magnético utilizado para o DAV será o mancal do tipo híbrido. Este tipo de mancal combina ímãs permanentes com eletroímãs para realizar a levitação do rotor com controle apenas na direção axial do rotor. Na configuração original desse mancal magnético, um sensor indutivo detecta a posição axial do rotor. Esta posição é enviada a um controlador do tipo PID e processada, amplificada e enviada aos atuadores eletromagnéticos. A corrente enviada aos eletroímãs é controlada de maneira a manter o rotor sempre em uma posição axial fixa. No entanto, essa configuração exige o uso de um atuador eletromagnético contendo um furo para a instalação do sensor indutivo, impondo limitações no desempenho do atuador. Além disso, o sensor indutivo limita a miniaturização do mancal. Assim, para minimizar as limitações impostas pelo uso do sensor indutivo, este trabalho faz, primeiramente, um levantamento das diversas técnicas conhecidas para a medição da posição do rotor em mancais magnéticos. Como resultado, este trabalho identifica o uso do sensor Hall como a alternativa mais promissora. Este sensor responde à magnitude de um campo magnético que nele é aplicado. Fixando-se um ímã permanente ao rotor, obtém-se uma saída no sensor Hall proporcional ao deslocamento do rotor. Contudo, a leitura do sensor Hall é afetada ainda pelo campo magnético gerado pelos atuadores eletromagnéticos, o que é indesejável. Buscando minimizar essa influência, este trabalho apresenta algumas estratégias para eliminar, da saída do sensor Hall, a influência do campo gerado pelo atuador eletromagnético. Os métodos são testados através de experimentos de levitação em mancal magnético e a eficácia dos mesmos comprovada. / The Escola Politécnica of the University of São Paulo (EPUSP, Brazil) and the Institute Dante Pazzanese of Cardiology (IDPC, Brazil) are jointly developing a Ventricular Assist Device (VAD) based on a mixed flow pump with magnetic bearings. The VAD rotor has a conical shape with spiral impellers that impels and pressurizes the blood. The magnetic bearing eliminates mechanical contact between the pump rotor and the VAD body, minimizing hemolysis and improving the lifetime of the VAD. The magnetic bearing studied is the hybrid type that combines permanent magnets with electromagnets to execute active control in the axial direction of the rotor. In the original configuration, the bearing uses inductive sensor to detect the axial position of the rotor. The sensor readings are sent to a PID type controller, processed, amplified and sent to the electromagnets. The current supplied to the electromagnets are controlled in a manner to keep the rotor in a fixed axial position. However, this configuration requires the use of a hollowed core in the electromagnetic actuator, imposing limitations in its efficiency. Moreover, the use of an inductive sensor imposes limitations to pump downsizing. In order to minimize the limitations, this work conducts firstly a study about alternative techniques for measuring the rotor position in a magnetic bearing. As result, the Hall sensor is identified as the most promising alternative. The Hall sensor is a small semiconductor element available in the market that gives an electric signal with amplitude corresponding to the magnet field intensity applied to it. By fixing a permanent magnet to the rotor, the Hall sensor gives a signal according to the rotor displacement. However, the Hall sensor output is also affected by the magnetic field generated by the electromagnetic actuator of the bearing. This is not desirable for controlling the bearing. In order to minimize the mentioned influence, this work presents some methods to eliminate the influence of the actuator from the Hall sensor readings. The methods are tests in a magnetic bearing and the efficiency of these methods is demonstrated.

A Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP, Brasil) e o Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia (IDPC, Brasil) estão desenvolvendo conjuntamente um Dispositivo de Assistência Ventricular (DAV) baseado numa bomba de vazão mista e utilizando mancais magnéticos que objetivem substituir os mancais convencionais, pois o uso de mancal magnético neste dispositivo minimiza a hemólise e melhora o tempo de vida do DAV, isso em razão da ausência e contato de um mancal com a crase sanguínea o que, por fim, aumenta a vida útil do dispositivo. O mancal magnético utilizado para o DAV será o mancal do tipo híbrido. Este tipo de mancal combina ímãs permanentes com eletroímãs para realizar a levitação do rotor com controle apenas na direção axial do rotor. Na configuração original desse mancal magnético, um sensor indutivo detecta a posição axial do rotor. Esta posição é enviada a um controlador do tipo PID e processada, amplificada e enviada aos atuadores eletromagnéticos. A corrente enviada aos eletroímãs é controlada de maneira a manter o rotor sempre em uma posição axial fixa. No entanto, essa configuração exige o uso de um atuador eletromagnético contendo um furo para a instalação do sensor indutivo, impondo limitações no desempenho do atuador. Além disso, o sensor indutivo limita a miniaturização do mancal. Assim, para minimizar as limitações impostas pelo uso do sensor indutivo, este trabalho faz, primeiramente, um levantamento das diversas técnicas conhecidas para a medição da posição do rotor em mancais magnéticos. Como resultado, este trabalho identifica o uso do sensor Hall como a alternativa mais promissora. Este sensor responde à magnitude de um campo magnético que nele é aplicado. Fixando-se um ímã permanente ao rotor, obtém-se uma saída no sensor Hall proporcional ao deslocamento do rotor. Contudo, a leitura do sensor Hall é afetada ainda pelo campo magnético gerado pelos atuadores eletromagnéticos, o que é indesejável. Buscando minimizar essa influência, este trabalho apresenta algumas estratégias para eliminar, da saída do sensor Hall, a influência do campo gerado pelo atuador eletromagnético. Os métodos são testados através de experimentos de levitação em mancal magnético e a eficácia dos mesmos comprovada. / The Escola Politécnica of the University of São Paulo (EPUSP, Brazil) and the Institute Dante Pazzanese of Cardiology (IDPC, Brazil) are jointly developing a Ventricular Assist Device (VAD) based on a mixed flow pump with magnetic bearings. The VAD rotor has a conical shape with spiral impellers that impels and pressurizes the blood. The magnetic bearing eliminates mechanical contact between the pump rotor and the VAD body, minimizing hemolysis and improving the lifetime of the VAD. The magnetic bearing studied is the hybrid type that combines permanent magnets with electromagnets to execute active control in the axial direction of the rotor. In the original configuration, the bearing uses inductive sensor to detect the axial position of the rotor. The sensor readings are sent to a PID type controller, processed, amplified and sent to the electromagnets. The current supplied to the electromagnets are controlled in a manner to keep the rotor in a fixed axial position. However, this configuration requires the use of a hollowed core in the electromagnetic actuator, imposing limitations in its efficiency. Moreover, the use of an inductive sensor imposes limitations to pump downsizing. In order to minimize the limitations, this work conducts firstly a study about alternative techniques for measuring the rotor position in a magnetic bearing. As result, the Hall sensor is identified as the most promising alternative. The Hall sensor is a small semiconductor element available in the market that gives an electric signal with amplitude corresponding to the magnet field intensity applied to it. By fixing a permanent magnet to the rotor, the Hall sensor gives a signal according to the rotor displacement. However, the Hall sensor output is also affected by the magnetic field generated by the electromagnetic actuator of the bearing. This is not desirable for controlling the bearing. In order to minimize the mentioned influence, this work presents some methods to eliminate the influence of the actuator from the Hall sensor readings. The methods are tests in a magnetic bearing and the efficiency of these methods is demonstrated.

Esta dissertação tem como objetivo o projeto de um mancal magnético para rodas de reação com aplicação na malha de controle de atitude de satélites. Mancais magnéticos são alternativas aos mancais tradicionais tais como os de esferas ou de lubrificação seco pois trabalham sem contato mecânico entre o rotor e o estator, minimizando assim a fricção entre ambas as partes. Além da minimização do atrito, o ganho em confiabilidade e vida útil da roda de reação é considerável por não apresentar desgastes mecânicos. Devido às consequências de qualquer fricção no movimento relativo entre a inércia (parte rotativa da roda de reação) e o satélite, o mancal torna-se um componente crítico da roda de reação. A fricção se traduz não apenas num maior consumo de potência elétrica, como também na introdução de uma zona morta de atuação em torque, bem como na limitação da vida útil da roda de reação devido ao gradual desgaste do mancal. O mancal proposto possui dois graus de liberdade axiais ativamente controlados e faz uso de ímãs para a estabilização passiva dos demais graus de liberdade. Ao longo do desenvolvimento são apresentados modelos não lineares dos campos magnéticos e das forças atuantes no mancal são encontrados. Com esses modelos, uma otimização é realizada a fim de encontrar melhores características. Um modelo não linear da dinâmica do rotor é desenvolvido e um controle PID capaz de estabilizar o rotor em seu ponto de equilíbrio é apresentado com o objetivo de demonstrar a viabilidade da topologia proposta. / The main objective of this work is to project a magnetic bearing for reaction wheels with application in satellite attitude control. Magnetic bearings are alternatives to traditional bearings such as ball or dry lubrication because they work without mechanical contact between the rotor and the stator thereby minimizing friction between both parts. In addition to minimizing friction, the gain in reliability and lifetime of the reaction wheel is considerable as a consequence of the absence of wear. Because of the consequences of any friction in the relative movement between the inertia (of the reaction wheel) and the satellite ( which is rigidly connected to the satellite body), the bearing becomes a critical component of the reaction wheel. The friction gives rise not only to a greater consumption of electric power, as well as the introduction of a torque dead zone operation, in a reduced lifetime of the reaction wheel due to gradual wear of the bearing. The proposed bearing has two axial degrees of freedom actively controlled and makes use of magnets for the passive stabilization of other degrees of freedom. Nonlinear models of magnetic fields and forces acting on the bearing are presented. With these models, an optimization is performed to find the best bearing characteristics. A nonlinear model rotor dynamics is developed and a PID control capable of stabilizing the active degrees of freedom presented.

Esta dissertação tem como objetivo o projeto de um mancal magnético para rodas de reação com aplicação na malha de controle de atitude de satélites. Mancais magnéticos são alternativas aos mancais tradicionais tais como os de esferas ou de lubrificação seco pois trabalham sem contato mecânico entre o rotor e o estator, minimizando assim a fricção entre ambas as partes. Além da minimização do atrito, o ganho em confiabilidade e vida útil da roda de reação é considerável por não apresentar desgastes mecânicos. Devido às consequências de qualquer fricção no movimento relativo entre a inércia (parte rotativa da roda de reação) e o satélite, o mancal torna-se um componente crítico da roda de reação. A fricção se traduz não apenas num maior consumo de potência elétrica, como também na introdução de uma zona morta de atuação em torque, bem como na limitação da vida útil da roda de reação devido ao gradual desgaste do mancal. O mancal proposto possui dois graus de liberdade axiais ativamente controlados e faz uso de ímãs para a estabilização passiva dos demais graus de liberdade. Ao longo do desenvolvimento são apresentados modelos não lineares dos campos magnéticos e das forças atuantes no mancal são encontrados. Com esses modelos, uma otimização é realizada a fim de encontrar melhores características. Um modelo não linear da dinâmica do rotor é desenvolvido e um controle PID capaz de estabilizar o rotor em seu ponto de equilíbrio é apresentado com o objetivo de demonstrar a viabilidade da topologia proposta. / The main objective of this work is to project a magnetic bearing for reaction wheels with application in satellite attitude control. Magnetic bearings are alternatives to traditional bearings such as ball or dry lubrication because they work without mechanical contact between the rotor and the stator thereby minimizing friction between both parts. In addition to minimizing friction, the gain in reliability and lifetime of the reaction wheel is considerable as a consequence of the absence of wear. Because of the consequences of any friction in the relative movement between the inertia (of the reaction wheel) and the satellite ( which is rigidly connected to the satellite body), the bearing becomes a critical component of the reaction wheel. The friction gives rise not only to a greater consumption of electric power, as well as the introduction of a torque dead zone operation, in a reduced lifetime of the reaction wheel due to gradual wear of the bearing. The proposed bearing has two axial degrees of freedom actively controlled and makes use of magnets for the passive stabilization of other degrees of freedom. Nonlinear models of magnetic fields and forces acting on the bearing are presented. With these models, an optimization is performed to find the best bearing characteristics. A nonlinear model rotor dynamics is developed and a PID control capable of stabilizing the active degrees of freedom presented.

O mancal magnético base deste trabalho é de 1-GDL(grau de liberdade) de controle uni-axial com circuito magnético híbrido do tipo atração, o qual foi desenvolvido em 2000 na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo por Silva e Horikawa [1][2]. Nas duas extremidades do rotor são fixados ímãs, e em oposição ficam os atuadores eletromagnéticos com núcleos ferromagnéticos. Os ímãs são atraídos para os atuadores pelas forças magnéticas devido à presença dos núcleos ferromagnéticos dos dois atuadores. Devido à concorrência entre as forças magnéticas de atração, o rotor fica confinado na posição central do eixo axial resultando numa rigidez passiva para esforços radiais. E na direção axial, a posição do rotor é definida pelo controle ativo que produz o efeito da levitação magnética do rotor. Se o rotor do mancal magnético sofrer esforços na direção axial, o sistema de controle deve aplicar mais corrente elétrica nos atuadores para assegurar o correto posicionamento do rotor, isto pode gerar um enorme consumo de energia elétrica. Este trabalho estuda o princípio de controle de mancal magnético com potência nula para ser aplicado no projeto de uma bomba centrífuga mista, que tem seu rotor suspenso magneticamente. É chamada de potência nula a condição de operação com o mínimo de consumo de energia na levitação do rotor. A bomba em projeto será utilizada no auxílio da circulação sanguínea, aliviando a carga do bombeamento do ventrículo esquerdo do coração doente, por isso o projeto da bomba é chamado de Dispositivo de Assistência Ventricular (DAV). As necessidades técnicas do DAV justificam o emprego do sistema de mancal magnético e do controle de potência nula. Para se aplicar a técnica de controle de potência nula é essencial que o sistema magnético do mancal seja do tipo híbrido. Este estudo se desenvolveu a partir do sistema de mancal magnético desenvolvido por Silva e Horikawa [1][2] pela semelhança de propriedades que o mancal do DAV solicita. O Algoritmo do controle de potência nula (ZPC- zero power control) foi desenvolvido para proporcionar um código simples e pequeno sem comprometer a robustez do controle que o projeto do DAV requer. / The magnetic bearing of this work is based on the 1-DOF (degree of freedom) control uni-axial magnetic circuit with hybrid-type attraction, which was developed in 2000 at the Polytechnic School, University of São Paulo by Silva and Horikawa [1][2]. At both ends of the rotor magnets are fixed, and in opposition are the electromagnetic actuators with ferromagnetic cores. The magnets are attracted to the actuators by the forces due to the presence of ferromagnetic cores of the two actuators. Due to competition between the magnetic forces of attraction, the rotor is confined in the central position of the axial stiffness resulting in efforts to radial. And in the axial direction, the rotor position is defined by the active control that produces the effect of magnetic levitation of the rotor. If the rotor magnetic bearing suffer efforts in the axial direction, the control system should apply more electrical current in the actuators to ensure correct positioning of the rotor, this can generate a huge power consumption. This paper studies the principle of magnetic bearing control with zero power to be applied in designing a mixed centrifugal pump, which has its rotor magnetically suspended. It is called the zero power operating condition with minimal energy consumption in the levitation of the rotor. The pump design will be used to aid blood circulation, relieving the load on the pumping of the left ventricle of the heart sick, so the pump design is called a Ventricular Assist Device (VAD). The technical needs of the DAV justify the use of magnetic bearing system and zero power control. To apply the technique of zero power control is essential that the magnetic bearing system is a hybrid. This study was developed from the magnetic bearing system developed by Silva and Horikawa [1] [2] by the similarity of the bearing properties of the DAV requests. The algorithm of zero power control (ZPC-zero power control \") was developed to provide a simple and small code without compromising the robustness of the control that the project requires the VAD.

O mancal magnético base deste trabalho é de 1-GDL(grau de liberdade) de controle uni-axial com circuito magnético híbrido do tipo atração, o qual foi desenvolvido em 2000 na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo por Silva e Horikawa [1][2]. Nas duas extremidades do rotor são fixados ímãs, e em oposição ficam os atuadores eletromagnéticos com núcleos ferromagnéticos. Os ímãs são atraídos para os atuadores pelas forças magnéticas devido à presença dos núcleos ferromagnéticos dos dois atuadores. Devido à concorrência entre as forças magnéticas de atração, o rotor fica confinado na posição central do eixo axial resultando numa rigidez passiva para esforços radiais. E na direção axial, a posição do rotor é definida pelo controle ativo que produz o efeito da levitação magnética do rotor. Se o rotor do mancal magnético sofrer esforços na direção axial, o sistema de controle deve aplicar mais corrente elétrica nos atuadores para assegurar o correto posicionamento do rotor, isto pode gerar um enorme consumo de energia elétrica. Este trabalho estuda o princípio de controle de mancal magnético com potência nula para ser aplicado no projeto de uma bomba centrífuga mista, que tem seu rotor suspenso magneticamente. É chamada de potência nula a condição de operação com o mínimo de consumo de energia na levitação do rotor. A bomba em projeto será utilizada no auxílio da circulação sanguínea, aliviando a carga do bombeamento do ventrículo esquerdo do coração doente, por isso o projeto da bomba é chamado de Dispositivo de Assistência Ventricular (DAV). As necessidades técnicas do DAV justificam o emprego do sistema de mancal magnético e do controle de potência nula. Para se aplicar a técnica de controle de potência nula é essencial que o sistema magnético do mancal seja do tipo híbrido. Este estudo se desenvolveu a partir do sistema de mancal magnético desenvolvido por Silva e Horikawa [1][2] pela semelhança de propriedades que o mancal do DAV solicita. O Algoritmo do controle de potência nula (ZPC- zero power control) foi desenvolvido para proporcionar um código simples e pequeno sem comprometer a robustez do controle que o projeto do DAV requer. / The magnetic bearing of this work is based on the 1-DOF (degree of freedom) control uni-axial magnetic circuit with hybrid-type attraction, which was developed in 2000 at the Polytechnic School, University of São Paulo by Silva and Horikawa [1][2]. At both ends of the rotor magnets are fixed, and in opposition are the electromagnetic actuators with ferromagnetic cores. The magnets are attracted to the actuators by the forces due to the presence of ferromagnetic cores of the two actuators. Due to competition between the magnetic forces of attraction, the rotor is confined in the central position of the axial stiffness resulting in efforts to radial. And in the axial direction, the rotor position is defined by the active control that produces the effect of magnetic levitation of the rotor. If the rotor magnetic bearing suffer efforts in the axial direction, the control system should apply more electrical current in the actuators to ensure correct positioning of the rotor, this can generate a huge power consumption. This paper studies the principle of magnetic bearing control with zero power to be applied in designing a mixed centrifugal pump, which has its rotor magnetically suspended. It is called the zero power operating condition with minimal energy consumption in the levitation of the rotor. The pump design will be used to aid blood circulation, relieving the load on the pumping of the left ventricle of the heart sick, so the pump design is called a Ventricular Assist Device (VAD). The technical needs of the DAV justify the use of magnetic bearing system and zero power control. To apply the technique of zero power control is essential that the magnetic bearing system is a hybrid. This study was developed from the magnetic bearing system developed by Silva and Horikawa [1] [2] by the similarity of the bearing properties of the DAV requests. The algorithm of zero power control (ZPC-zero power control \") was developed to provide a simple and small code without compromising the robustness of the control that the project requires the VAD.