Este trabalho apresenta a proposta de topologia para um atuador planar sem núcleo ferromagnético na armadura, sua análise teórica em termos de forças de tração que nele atuam, seu desenvolvimento e resultados teóricos e experimentais obtidos como base em um protótipo construído. O atuador planar tem características inovadoras: uma armadura estacionária sem ferro com enrolamentos ortogonais e dois carros acoplados magneticamente um ao outro com quatro ímãs permanentes de NdFeB de alto produto energético. A armadura desse estator é composta por enrolamentos planares multifases colocados de tal maneira que dois enrolamentos ortogonais independentes são produzidos e assim definem duas forças de propulsão ortogonais. Cada carro possui uma culatra de aço que suporta os ímãs permanentes e que está ligada a uma estrutura de suspensão mecânica para permitir o movimento bidirecional sobre a área definida pela armadura. Esse tipo de atuador pode ser usado em aplicações que requerem o movimento em qualquer direção ao longo de um plano. O protótipo desenvolvido neste trabalho foi testado com a finalidade de validar suas características estáticas de operação com relação à análise numérica e o modelo analítico. Os valores de densidade de fluxo magnético no entreferro e de força planar de propulsão, obtidos através de ensaios, apresentaram uma boa aproximação em relação aos valores obtidos através da simulação numérica e do modelo analítico. Para os ensaios de força normal este trabalho preocupou-se em analisar numérica e experimentalmente os resultados, que também apresentaram valores convergentes e satisfatórios para os itens propostos. Para os ensaios do atuador planar com regulagem de entreferro de 12 mm e 24 mm foram encontradas sensibilidades médias da força planar de propulsão de 7,19 N/A e 4,13 N/A respectivamente. / This work presents a proposal of topology of a planar actuator with an ironless armature core, its theoretical analysis in terms of the driving forces that acting on the actuator, its development, the theoretical and experimental results obtained for an implemented prototype. Such planar actuator has innovative features: a stationary and ironless armature core with orthogonal planar windings and two cars magnetically coupled to each other by means of four high energy-product NdFeB permanent magnets. The stator of the actuator comprehends an ironless core with two sets of multiphase windings placed in such a way that two independent orthogonal windings form the armature in a way that allows the yielding of two orthogonal propulsion forces. Each car has a back iron which supports two permanent magnets and is supported by a suspension structure to allow bidirectional movement of the coupled cars. This type of actuator can be used in applications that require the movement in any direction over a plane. The prototype of this study was tested in order to validate their static characteristics of operation with respect to the numerical analysis and the analytical model. The values of magnetic flux density in the air gap and the planar propulsion force obtained through testing, showed a good agreement with the values obtained by numerical simulation and analytical model. The normal force tests showed good agreement with the results of the numerical analysis. The tests of planar actuator with air gaps of 12 mm and 24 mm were found to produce an average sensitivity of the planar propulsion force of 7.19 N/A and 4.13 N/A respectively.

Este trabalho apresenta a proposta de topologia para um atuador planar sem núcleo ferromagnético na armadura, sua análise teórica em termos de forças de tração que nele atuam, seu desenvolvimento e resultados teóricos e experimentais obtidos como base em um protótipo construído. O atuador planar tem características inovadoras: uma armadura estacionária sem ferro com enrolamentos ortogonais e dois carros acoplados magneticamente um ao outro com quatro ímãs permanentes de NdFeB de alto produto energético. A armadura desse estator é composta por enrolamentos planares multifases colocados de tal maneira que dois enrolamentos ortogonais independentes são produzidos e assim definem duas forças de propulsão ortogonais. Cada carro possui uma culatra de aço que suporta os ímãs permanentes e que está ligada a uma estrutura de suspensão mecânica para permitir o movimento bidirecional sobre a área definida pela armadura. Esse tipo de atuador pode ser usado em aplicações que requerem o movimento em qualquer direção ao longo de um plano. O protótipo desenvolvido neste trabalho foi testado com a finalidade de validar suas características estáticas de operação com relação à análise numérica e o modelo analítico. Os valores de densidade de fluxo magnético no entreferro e de força planar de propulsão, obtidos através de ensaios, apresentaram uma boa aproximação em relação aos valores obtidos através da simulação numérica e do modelo analítico. Para os ensaios de força normal este trabalho preocupou-se em analisar numérica e experimentalmente os resultados, que também apresentaram valores convergentes e satisfatórios para os itens propostos. Para os ensaios do atuador planar com regulagem de entreferro de 12 mm e 24 mm foram encontradas sensibilidades médias da força planar de propulsão de 7,19 N/A e 4,13 N/A respectivamente. / This work presents a proposal of topology of a planar actuator with an ironless armature core, its theoretical analysis in terms of the driving forces that acting on the actuator, its development, the theoretical and experimental results obtained for an implemented prototype. Such planar actuator has innovative features: a stationary and ironless armature core with orthogonal planar windings and two cars magnetically coupled to each other by means of four high energy-product NdFeB permanent magnets. The stator of the actuator comprehends an ironless core with two sets of multiphase windings placed in such a way that two independent orthogonal windings form the armature in a way that allows the yielding of two orthogonal propulsion forces. Each car has a back iron which supports two permanent magnets and is supported by a suspension structure to allow bidirectional movement of the coupled cars. This type of actuator can be used in applications that require the movement in any direction over a plane. The prototype of this study was tested in order to validate their static characteristics of operation with respect to the numerical analysis and the analytical model. The values of magnetic flux density in the air gap and the planar propulsion force obtained through testing, showed a good agreement with the values obtained by numerical simulation and analytical model. The normal force tests showed good agreement with the results of the numerical analysis. The tests of planar actuator with air gaps of 12 mm and 24 mm were found to produce an average sensitivity of the planar propulsion force of 7.19 N/A and 4.13 N/A respectively.

Este trabalho apresenta a proposta de topologia para um atuador planar sem núcleo ferromagnético na armadura, sua análise teórica em termos de forças de tração que nele atuam, seu desenvolvimento e resultados teóricos e experimentais obtidos como base em um protótipo construído. O atuador planar tem características inovadoras: uma armadura estacionária sem ferro com enrolamentos ortogonais e dois carros acoplados magneticamente um ao outro com quatro ímãs permanentes de NdFeB de alto produto energético. A armadura desse estator é composta por enrolamentos planares multifases colocados de tal maneira que dois enrolamentos ortogonais independentes são produzidos e assim definem duas forças de propulsão ortogonais. Cada carro possui uma culatra de aço que suporta os ímãs permanentes e que está ligada a uma estrutura de suspensão mecânica para permitir o movimento bidirecional sobre a área definida pela armadura. Esse tipo de atuador pode ser usado em aplicações que requerem o movimento em qualquer direção ao longo de um plano. O protótipo desenvolvido neste trabalho foi testado com a finalidade de validar suas características estáticas de operação com relação à análise numérica e o modelo analítico. Os valores de densidade de fluxo magnético no entreferro e de força planar de propulsão, obtidos através de ensaios, apresentaram uma boa aproximação em relação aos valores obtidos através da simulação numérica e do modelo analítico. Para os ensaios de força normal este trabalho preocupou-se em analisar numérica e experimentalmente os resultados, que também apresentaram valores convergentes e satisfatórios para os itens propostos. Para os ensaios do atuador planar com regulagem de entreferro de 12 mm e 24 mm foram encontradas sensibilidades médias da força planar de propulsão de 7,19 N/A e 4,13 N/A respectivamente. / This work presents a proposal of topology of a planar actuator with an ironless armature core, its theoretical analysis in terms of the driving forces that acting on the actuator, its development, the theoretical and experimental results obtained for an implemented prototype. Such planar actuator has innovative features: a stationary and ironless armature core with orthogonal planar windings and two cars magnetically coupled to each other by means of four high energy-product NdFeB permanent magnets. The stator of the actuator comprehends an ironless core with two sets of multiphase windings placed in such a way that two independent orthogonal windings form the armature in a way that allows the yielding of two orthogonal propulsion forces. Each car has a back iron which supports two permanent magnets and is supported by a suspension structure to allow bidirectional movement of the coupled cars. This type of actuator can be used in applications that require the movement in any direction over a plane. The prototype of this study was tested in order to validate their static characteristics of operation with respect to the numerical analysis and the analytical model. The values of magnetic flux density in the air gap and the planar propulsion force obtained through testing, showed a good agreement with the values obtained by numerical simulation and analytical model. The normal force tests showed good agreement with the results of the numerical analysis. The tests of planar actuator with air gaps of 12 mm and 24 mm were found to produce an average sensitivity of the planar propulsion force of 7.19 N/A and 4.13 N/A respectively.

Um atuador planar de indução é um dispositivo baseado no mesmo princípio de funcionamento de um motor linear de indução, onde a interação de um campo magnético viajante produzido pelo primário do dispositivo com uma superfície de boa condutividade elétrica induz correntes parasitas que levam à produção de uma força de propulsão. O movimento planar sobre essa superfície é produzido através da movimentação linear em dois eixos ortogonais. Uma aplicação deste movimento é na propulsão de uma plataforma equipada com câmeras e sensores para a realização da inspeção em uma superfície metálica, que se beneficiaria da força normal que o motor planar de indução produz quando acionado sobre uma superfície ferromagnética para anexar a plataforma à superfície. Um modelo analítico que fornece equações para o campo elétrico e magnético é apresentado, e simulações numéricas baseadas no método dos elementos finitos são realizadas para avaliar o comportamento do dispositivo utilizando três tipos diferentes de superfícies como secundário: um secundário com duas camadas formadas por uma chapa de alumínio com outra de aço por baixo; apenas a chapa de alumínio; e apenas a chapa de aço. As distribuições de campo magnético calculadas por estes dois modelos teóricos mostram boa concordância entre si, e são utilizadas para calcular as forças de propulsão e normal produzidas pelo atuador. Medidas experimentais são realizadas em um protótipo de atuador planar de indução, e seus resultados são comparados com os resultados obtidos nos modelos teóricos, mostrando uma boa concordância e potencial para a aplicação do atuador planar de indução na inspeção de superfícies horizontais. / An induction planar actuator is a device that, based on the operating principle of a linear induction motor, in which the interaction between a travelling magnetic field produced by the primary of the device and a conducting surface generates eddy currents in the surface and leads to the generation of a thrust force. The device produces planar motion over this surface through movement on two orthogonal axis. An application of this movement is in a platform for the inspection of metallic surfaces, which is driven by the planar induction motor and equipped with cameras and sensors to inspect the surface. This application benefits from the normal force produced by the induction planar actuator operating over a ferromagnetic surface to attach the driving platform to it. An analytical model with equations for the electric and magnetic fields is presented, and numerical simulations based on the finite element method are carried out to assess the behaviour of the device using three different surfaces as secondary: a double-layered secondary formed by an aluminum plate over a steel plate; a aluminum only plate; and a single steel plate. The distributions for the magnetic field computed through these theoretical models show good agreement, and are employed to evaluate the thrust and normal forces produced by the planar induction actuator. Experimental measurements are made on a prototype of the device, and the results are compared to the results of the theoretical models, showing good agreement and potential in the application of the induction planar motor for the inspection of horizontal metallic surfaces.

O presente trabalho trata do estudo, análise, construção e teste de uma nova configuração para um atuador planar. O dispositivo é composto de um núcleo de armadura ferromagnético plano, estático e sem ranhuras sobre o qual são montados dois conjuntos de enrolamentos planares, ortogonais entre si, com quatro bobinas cada, eletricamente independentes entre si. A parte móvel consiste de um carro equipado com ímãs permanentes de alto produto energético responsáveis pela produção de fluxo magnético de excitação. A movimentação bidirecional sobre o plano se dá pela interação entre esse fluxo e a corrente elétrica adequadamente aplicada aos enrolamentos. O atuador apresenta uma distribuição espacial da densidade de fluxo magnético em toda a sua estrutura. Este trabalho preocupa-se em analisar numérica e experimentalmente os fenômenos eletromagnéticos envolvidos, tanto em regime estático como dinâmico. O emprego de dois diferentes materiais utilizados separadamente no núcleo da armadura é investigado: o aço maciço (caso 1) e um compósito magneticamente macio de grão isolado (caso 2). Devido à movimentação do carro e conseqüentemente do fluxo magnético de excitação, uma força eletromotriz induzida aparecerá no núcleo da armadura, sendo responsável pelo estabelecimento de correntes elétricas induzidas no mesmo. Essas correntes, que também dependem da condutividade do material do núcleo, produzem um efeito de frenagem sobre o carro do atuador que afeta a sua dinâmica. Produzem ainda perdas Joule no núcleo da armadura. A redução desses efeitos pode ser obtida com a utilização de um material magnético isotrópico de alta resistividade, caso 2, que possibilita ainda a distribuição tridimensional da densidade de fluxo magnético na estrutura do atuador. Uma análise dinâmica a partir do método dos elementos finitos tornou possível a verificação da distribuição da densidade de corrente elétrica induzida no núcleo da armadura, bem como a obtenção dos seus valores em função da velocidade do carro e do material utilizado. Ainda, o efeito de frenagem foi quantificado em ensaios práticos, propondo-se então um coeficiente de atrito total, k, para cada um dos dois casos em estudo. Nessa caracterização, obteve-se que o coeficiente de atrito eletromagnético, devido às correntes induzidas, de 1,74469 Ns/m para o caso 1, enquanto que para o caso 2 esse valor fica em 0,261285 Ns/m. Os resultados numéricos e experimentais apontam que existem diferenças significativas na utilização dos dois materiais propostos, indicando que o caso 2, quando utilizado de maneira adequada no sistema, reduz as correntes elétricas induzidas minimizando seus efeitos. / The present work deals with the study, analysis, construction and testing of a new configuration of a planar actuator. The device comprehends a static ferromagnetic slotless core in form of slab, on which two sets of planar windings are assembled. They are orthogonal with respect to each other and have four independent coils. The moving part consists of a car, equipped with high energy product permanent magnets that deliver the excitation magnetic flux. The bidirectional movement on the plan is a result of the interaction between the excitation magnetic flux and the electric currents that fed the armature windings properly. The actuator features a spatial distribution of the magnetic flux density throughout its structure. This work is concerned with the numerical and experimental analyses of the electromagnetic effects involved in terms of static and dynamic behavior of the actuator. These effects are investigated for two different materials employed separately in the core of the armature: solid steel (case 1) and a grain isolated soft magnetic composite (case 2). Owing to the movement of the car and so the excitation magnetic flux, an induced electromotive force appears on the core of the armature and is responsible for the establishment of induced electrical currents in there. These currents, that also depend on the conductivity of the material of the armature core, produce a braking effect on the car that affects the dynamics of the actuator. It also produces Joule losses on that core. The reduction of those effects can be obtained with the use of an isotropic ferromagnetic material with high resistivity, case 2, that allows the 3d distribution of magnetic flux density on the structure of the actuator. A dynamic analysis by means of the finite element method made possible to verify the distribution of the induced electrical current density in the core of the armature, and to compute its value according to the speed of the car and to the material employed. Still, the effect of the braking force was quantified experimentally; as a result, a total friction coefficient, k, is proposed in order to take into account that force. By doing that, a resulting coefficient of electromagnetic friction due to the induced currents is 1.74469 Ns/m for case 1, while for case 2 it is 0.261285 Ns/m. The numerical and experimental results indicate that exist significant differences in the use of the two materials proposed, indicating that the case 2, when used in an appropriate manner, reduces the induced electrical currents minimizing its effects.

Um atuador planar de indução é um dispositivo baseado no mesmo princípio de funcionamento de um motor linear de indução, onde a interação de um campo magnético viajante produzido pelo primário do dispositivo com uma superfície de boa condutividade elétrica induz correntes parasitas que levam à produção de uma força de propulsão. O movimento planar sobre essa superfície é produzido através da movimentação linear em dois eixos ortogonais. Uma aplicação deste movimento é na propulsão de uma plataforma equipada com câmeras e sensores para a realização da inspeção em uma superfície metálica, que se beneficiaria da força normal que o motor planar de indução produz quando acionado sobre uma superfície ferromagnética para anexar a plataforma à superfície. Um modelo analítico que fornece equações para o campo elétrico e magnético é apresentado, e simulações numéricas baseadas no método dos elementos finitos são realizadas para avaliar o comportamento do dispositivo utilizando três tipos diferentes de superfícies como secundário: um secundário com duas camadas formadas por uma chapa de alumínio com outra de aço por baixo; apenas a chapa de alumínio; e apenas a chapa de aço. As distribuições de campo magnético calculadas por estes dois modelos teóricos mostram boa concordância entre si, e são utilizadas para calcular as forças de propulsão e normal produzidas pelo atuador. Medidas experimentais são realizadas em um protótipo de atuador planar de indução, e seus resultados são comparados com os resultados obtidos nos modelos teóricos, mostrando uma boa concordância e potencial para a aplicação do atuador planar de indução na inspeção de superfícies horizontais. / An induction planar actuator is a device that, based on the operating principle of a linear induction motor, in which the interaction between a travelling magnetic field produced by the primary of the device and a conducting surface generates eddy currents in the surface and leads to the generation of a thrust force. The device produces planar motion over this surface through movement on two orthogonal axis. An application of this movement is in a platform for the inspection of metallic surfaces, which is driven by the planar induction motor and equipped with cameras and sensors to inspect the surface. This application benefits from the normal force produced by the induction planar actuator operating over a ferromagnetic surface to attach the driving platform to it. An analytical model with equations for the electric and magnetic fields is presented, and numerical simulations based on the finite element method are carried out to assess the behaviour of the device using three different surfaces as secondary: a double-layered secondary formed by an aluminum plate over a steel plate; a aluminum only plate; and a single steel plate. The distributions for the magnetic field computed through these theoretical models show good agreement, and are employed to evaluate the thrust and normal forces produced by the planar induction actuator. Experimental measurements are made on a prototype of the device, and the results are compared to the results of the theoretical models, showing good agreement and potential in the application of the induction planar motor for the inspection of horizontal metallic surfaces.

O presente trabalho trata do estudo, análise, construção e teste de uma nova configuração para um atuador planar. O dispositivo é composto de um núcleo de armadura ferromagnético plano, estático e sem ranhuras sobre o qual são montados dois conjuntos de enrolamentos planares, ortogonais entre si, com quatro bobinas cada, eletricamente independentes entre si. A parte móvel consiste de um carro equipado com ímãs permanentes de alto produto energético responsáveis pela produção de fluxo magnético de excitação. A movimentação bidirecional sobre o plano se dá pela interação entre esse fluxo e a corrente elétrica adequadamente aplicada aos enrolamentos. O atuador apresenta uma distribuição espacial da densidade de fluxo magnético em toda a sua estrutura. Este trabalho preocupa-se em analisar numérica e experimentalmente os fenômenos eletromagnéticos envolvidos, tanto em regime estático como dinâmico. O emprego de dois diferentes materiais utilizados separadamente no núcleo da armadura é investigado: o aço maciço (caso 1) e um compósito magneticamente macio de grão isolado (caso 2). Devido à movimentação do carro e conseqüentemente do fluxo magnético de excitação, uma força eletromotriz induzida aparecerá no núcleo da armadura, sendo responsável pelo estabelecimento de correntes elétricas induzidas no mesmo. Essas correntes, que também dependem da condutividade do material do núcleo, produzem um efeito de frenagem sobre o carro do atuador que afeta a sua dinâmica. Produzem ainda perdas Joule no núcleo da armadura. A redução desses efeitos pode ser obtida com a utilização de um material magnético isotrópico de alta resistividade, caso 2, que possibilita ainda a distribuição tridimensional da densidade de fluxo magnético na estrutura do atuador. Uma análise dinâmica a partir do método dos elementos finitos tornou possível a verificação da distribuição da densidade de corrente elétrica induzida no núcleo da armadura, bem como a obtenção dos seus valores em função da velocidade do carro e do material utilizado. Ainda, o efeito de frenagem foi quantificado em ensaios práticos, propondo-se então um coeficiente de atrito total, k, para cada um dos dois casos em estudo. Nessa caracterização, obteve-se que o coeficiente de atrito eletromagnético, devido às correntes induzidas, de 1,74469 Ns/m para o caso 1, enquanto que para o caso 2 esse valor fica em 0,261285 Ns/m. Os resultados numéricos e experimentais apontam que existem diferenças significativas na utilização dos dois materiais propostos, indicando que o caso 2, quando utilizado de maneira adequada no sistema, reduz as correntes elétricas induzidas minimizando seus efeitos. / The present work deals with the study, analysis, construction and testing of a new configuration of a planar actuator. The device comprehends a static ferromagnetic slotless core in form of slab, on which two sets of planar windings are assembled. They are orthogonal with respect to each other and have four independent coils. The moving part consists of a car, equipped with high energy product permanent magnets that deliver the excitation magnetic flux. The bidirectional movement on the plan is a result of the interaction between the excitation magnetic flux and the electric currents that fed the armature windings properly. The actuator features a spatial distribution of the magnetic flux density throughout its structure. This work is concerned with the numerical and experimental analyses of the electromagnetic effects involved in terms of static and dynamic behavior of the actuator. These effects are investigated for two different materials employed separately in the core of the armature: solid steel (case 1) and a grain isolated soft magnetic composite (case 2). Owing to the movement of the car and so the excitation magnetic flux, an induced electromotive force appears on the core of the armature and is responsible for the establishment of induced electrical currents in there. These currents, that also depend on the conductivity of the material of the armature core, produce a braking effect on the car that affects the dynamics of the actuator. It also produces Joule losses on that core. The reduction of those effects can be obtained with the use of an isotropic ferromagnetic material with high resistivity, case 2, that allows the 3d distribution of magnetic flux density on the structure of the actuator. A dynamic analysis by means of the finite element method made possible to verify the distribution of the induced electrical current density in the core of the armature, and to compute its value according to the speed of the car and to the material employed. Still, the effect of the braking force was quantified experimentally; as a result, a total friction coefficient, k, is proposed in order to take into account that force. By doing that, a resulting coefficient of electromagnetic friction due to the induced currents is 1.74469 Ns/m for case 1, while for case 2 it is 0.261285 Ns/m. The numerical and experimental results indicate that exist significant differences in the use of the two materials proposed, indicating that the case 2, when used in an appropriate manner, reduces the induced electrical currents minimizing its effects.

Um atuador planar de indução é um dispositivo baseado no mesmo princípio de funcionamento de um motor linear de indução, onde a interação de um campo magnético viajante produzido pelo primário do dispositivo com uma superfície de boa condutividade elétrica induz correntes parasitas que levam à produção de uma força de propulsão. O movimento planar sobre essa superfície é produzido através da movimentação linear em dois eixos ortogonais. Uma aplicação deste movimento é na propulsão de uma plataforma equipada com câmeras e sensores para a realização da inspeção em uma superfície metálica, que se beneficiaria da força normal que o motor planar de indução produz quando acionado sobre uma superfície ferromagnética para anexar a plataforma à superfície. Um modelo analítico que fornece equações para o campo elétrico e magnético é apresentado, e simulações numéricas baseadas no método dos elementos finitos são realizadas para avaliar o comportamento do dispositivo utilizando três tipos diferentes de superfícies como secundário: um secundário com duas camadas formadas por uma chapa de alumínio com outra de aço por baixo; apenas a chapa de alumínio; e apenas a chapa de aço. As distribuições de campo magnético calculadas por estes dois modelos teóricos mostram boa concordância entre si, e são utilizadas para calcular as forças de propulsão e normal produzidas pelo atuador. Medidas experimentais são realizadas em um protótipo de atuador planar de indução, e seus resultados são comparados com os resultados obtidos nos modelos teóricos, mostrando uma boa concordância e potencial para a aplicação do atuador planar de indução na inspeção de superfícies horizontais. / An induction planar actuator is a device that, based on the operating principle of a linear induction motor, in which the interaction between a travelling magnetic field produced by the primary of the device and a conducting surface generates eddy currents in the surface and leads to the generation of a thrust force. The device produces planar motion over this surface through movement on two orthogonal axis. An application of this movement is in a platform for the inspection of metallic surfaces, which is driven by the planar induction motor and equipped with cameras and sensors to inspect the surface. This application benefits from the normal force produced by the induction planar actuator operating over a ferromagnetic surface to attach the driving platform to it. An analytical model with equations for the electric and magnetic fields is presented, and numerical simulations based on the finite element method are carried out to assess the behaviour of the device using three different surfaces as secondary: a double-layered secondary formed by an aluminum plate over a steel plate; a aluminum only plate; and a single steel plate. The distributions for the magnetic field computed through these theoretical models show good agreement, and are employed to evaluate the thrust and normal forces produced by the planar induction actuator. Experimental measurements are made on a prototype of the device, and the results are compared to the results of the theoretical models, showing good agreement and potential in the application of the induction planar motor for the inspection of horizontal metallic surfaces.

O presente trabalho trata do estudo, análise, construção e teste de uma nova configuração para um atuador planar. O dispositivo é composto de um núcleo de armadura ferromagnético plano, estático e sem ranhuras sobre o qual são montados dois conjuntos de enrolamentos planares, ortogonais entre si, com quatro bobinas cada, eletricamente independentes entre si. A parte móvel consiste de um carro equipado com ímãs permanentes de alto produto energético responsáveis pela produção de fluxo magnético de excitação. A movimentação bidirecional sobre o plano se dá pela interação entre esse fluxo e a corrente elétrica adequadamente aplicada aos enrolamentos. O atuador apresenta uma distribuição espacial da densidade de fluxo magnético em toda a sua estrutura. Este trabalho preocupa-se em analisar numérica e experimentalmente os fenômenos eletromagnéticos envolvidos, tanto em regime estático como dinâmico. O emprego de dois diferentes materiais utilizados separadamente no núcleo da armadura é investigado: o aço maciço (caso 1) e um compósito magneticamente macio de grão isolado (caso 2). Devido à movimentação do carro e conseqüentemente do fluxo magnético de excitação, uma força eletromotriz induzida aparecerá no núcleo da armadura, sendo responsável pelo estabelecimento de correntes elétricas induzidas no mesmo. Essas correntes, que também dependem da condutividade do material do núcleo, produzem um efeito de frenagem sobre o carro do atuador que afeta a sua dinâmica. Produzem ainda perdas Joule no núcleo da armadura. A redução desses efeitos pode ser obtida com a utilização de um material magnético isotrópico de alta resistividade, caso 2, que possibilita ainda a distribuição tridimensional da densidade de fluxo magnético na estrutura do atuador. Uma análise dinâmica a partir do método dos elementos finitos tornou possível a verificação da distribuição da densidade de corrente elétrica induzida no núcleo da armadura, bem como a obtenção dos seus valores em função da velocidade do carro e do material utilizado. Ainda, o efeito de frenagem foi quantificado em ensaios práticos, propondo-se então um coeficiente de atrito total, k, para cada um dos dois casos em estudo. Nessa caracterização, obteve-se que o coeficiente de atrito eletromagnético, devido às correntes induzidas, de 1,74469 Ns/m para o caso 1, enquanto que para o caso 2 esse valor fica em 0,261285 Ns/m. Os resultados numéricos e experimentais apontam que existem diferenças significativas na utilização dos dois materiais propostos, indicando que o caso 2, quando utilizado de maneira adequada no sistema, reduz as correntes elétricas induzidas minimizando seus efeitos. / The present work deals with the study, analysis, construction and testing of a new configuration of a planar actuator. The device comprehends a static ferromagnetic slotless core in form of slab, on which two sets of planar windings are assembled. They are orthogonal with respect to each other and have four independent coils. The moving part consists of a car, equipped with high energy product permanent magnets that deliver the excitation magnetic flux. The bidirectional movement on the plan is a result of the interaction between the excitation magnetic flux and the electric currents that fed the armature windings properly. The actuator features a spatial distribution of the magnetic flux density throughout its structure. This work is concerned with the numerical and experimental analyses of the electromagnetic effects involved in terms of static and dynamic behavior of the actuator. These effects are investigated for two different materials employed separately in the core of the armature: solid steel (case 1) and a grain isolated soft magnetic composite (case 2). Owing to the movement of the car and so the excitation magnetic flux, an induced electromotive force appears on the core of the armature and is responsible for the establishment of induced electrical currents in there. These currents, that also depend on the conductivity of the material of the armature core, produce a braking effect on the car that affects the dynamics of the actuator. It also produces Joule losses on that core. The reduction of those effects can be obtained with the use of an isotropic ferromagnetic material with high resistivity, case 2, that allows the 3d distribution of magnetic flux density on the structure of the actuator. A dynamic analysis by means of the finite element method made possible to verify the distribution of the induced electrical current density in the core of the armature, and to compute its value according to the speed of the car and to the material employed. Still, the effect of the braking force was quantified experimentally; as a result, a total friction coefficient, k, is proposed in order to take into account that force. By doing that, a resulting coefficient of electromagnetic friction due to the induced currents is 1.74469 Ns/m for case 1, while for case 2 it is 0.261285 Ns/m. The numerical and experimental results indicate that exist significant differences in the use of the two materials proposed, indicating that the case 2, when used in an appropriate manner, reduces the induced electrical currents minimizing its effects.

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.