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.

Este trabalho foca o estudo e desenvolvimento de um atuador linear com ímãs permanentes aplicado a sistemas de suspensão ativa, com ênfase em suspensão veicular. Seu desenvolvimento considera aspectos específicos como força, volume, razão força/volume, curso e resposta em frequência. Junto ao estudo teórico desenvolve-se o projeto baseado na simulação paramétrica em elementos finitos que analisa aspectos qualitativos e quantitativos importantes para tomada de decisão do projeto, especificamente na definição de materiais e geometrias. Para servir como ferramenta de análise foi empregada uma modelagem analítica que se mostrou eficiente, pois foi capaz de produzir resultados de forma mais rápida que o método de elementos finitos para avaliar grandezas de interesse como força e densidade de fluxo magnético. Por fim e com base nos aspectos de projeto, foi construído um protótipo que permitiu validar os modelos. Os resultados experimentais e teóricos mostraram boa concordância o que permite concluir que os métodos empregados são eficazes, fornecendo subsídios à aplicação em foco. / This work aims the study and development of a linear actuator with permanent magnets applied to active suspension systems, with emphasis on vehicular suspension. That development takes into account specific features such as force, volume, force per volume ratio, stroke and frequency response. Together with the theoretical study the design of the actuator is carried out based on parametric simulation by means of finite elements which analyses qualitative and quantitative aspects that are important to make the project decision, specifically to define materials and geometry. To suit as an analysis tool it was employed an analytical modelling, which showed to be efficient because it was capable of producing faster results than the finite elements method to evaluate physical quantities of interest such as force and magnetic flux density. Finally and based on project aspects, a prototype was built which allowed to validate all models. Experimental and theoretical results showed a good agreement which led to conclude that the employed methods are efficient, providing subsidies to the studied application.

Este trabalho foca o estudo e desenvolvimento de um atuador linear com ímãs permanentes aplicado a sistemas de suspensão ativa, com ênfase em suspensão veicular. Seu desenvolvimento considera aspectos específicos como força, volume, razão força/volume, curso e resposta em frequência. Junto ao estudo teórico desenvolve-se o projeto baseado na simulação paramétrica em elementos finitos que analisa aspectos qualitativos e quantitativos importantes para tomada de decisão do projeto, especificamente na definição de materiais e geometrias. Para servir como ferramenta de análise foi empregada uma modelagem analítica que se mostrou eficiente, pois foi capaz de produzir resultados de forma mais rápida que o método de elementos finitos para avaliar grandezas de interesse como força e densidade de fluxo magnético. Por fim e com base nos aspectos de projeto, foi construído um protótipo que permitiu validar os modelos. Os resultados experimentais e teóricos mostraram boa concordância o que permite concluir que os métodos empregados são eficazes, fornecendo subsídios à aplicação em foco. / This work aims the study and development of a linear actuator with permanent magnets applied to active suspension systems, with emphasis on vehicular suspension. That development takes into account specific features such as force, volume, force per volume ratio, stroke and frequency response. Together with the theoretical study the design of the actuator is carried out based on parametric simulation by means of finite elements which analyses qualitative and quantitative aspects that are important to make the project decision, specifically to define materials and geometry. To suit as an analysis tool it was employed an analytical modelling, which showed to be efficient because it was capable of producing faster results than the finite elements method to evaluate physical quantities of interest such as force and magnetic flux density. Finally and based on project aspects, a prototype was built which allowed to validate all models. Experimental and theoretical results showed a good agreement which led to conclude that the employed methods are efficient, providing subsidies to the studied application.

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 trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia denominada modelo de núcleo reduzido, aplicada para avaliar o desempenho de máquinas elétricas no que tange a geometria e materiais empregados na fabricação do núcleo completo. Para fins de validação da metodologia utiliza-se um Atuador Planar de Indução Trifásico com dois graus de liberdade, comparando os resultados numéricos e experimentais. Através desta metodologia, pode-se realizar a análise dos fenômenos eletromagnéticos ocorridos no núcleo completo por meio da avaliação de seu modelo reduzido, composto neste caso por 33% do núcleo completo empregado no Atuador Planar de Indução Trifásico. A comprovação da metodologia do modelo de núcleo reduzido ocorreu através da fabricação de uma bancada de testes, composta por uma célula de carga para realizar aquisição da força de propulsão planar, interface de potência e os núcleos reduzidos com seguintes materiais ferromagnéticos: compósitos SMC 1P Somaloy 500®, Ferro resinado e Aço ABNT 1020. Com auxilio da estrutura de testes, validou-se o modelo numérico dos três núcleos reduzidos quanto a força de propulsão planar. Na análise dos dados experimentais e numéricos, o material Ferro resinado apresentou a diferença 14% referente a força de propulsão planar, sendo a maior diferença entre os materiais estudados. Com a convergência dos resultados experimental e numéricos, realiza-se a comparação numérica entre os núcleos reduzidos e completos utilizando-se os três materiais ferromagnéticos. A análise numérica do núcleo reduzido com o material SMC 1P Somaloy 500® apresentou o fator de relação médio da força de propulsão planar de 2,65 em relação ao núcleo completo. O núcleo completo com Aço ABNT 1020 resultou no consumo médio de 56,7Watts para gerar a força de propulsão planar de 1 Newton. Dessa forma, proporciona-se uma ferramenta de maior rapidez para fabricação e avaliação do desempenho de materiais ferromagnéticos utilizados no núcleo completo da máquina elétrica. / This paper presents the development of a methodology denominated low core model applied to evaluate the performance of electrical machines with respect to geometry and materials used in manufacturing of the complete core. For validation purposes of the methodology is used a Planar Three-phase Induction Actuator with two degrees of freedom, comparing the experimental and numerical results. Through this methodology, it is possible to perform the analysis of electromagnetic phenomena occurring in the complete core based evaluation of the reduced model, made in this case with 33% of the full core employed in the Planar Three-phase Induction Actuator. The verification of the reduced core model methodology occurred through the manufacture of a testing bench, which is composed of a load cell to realize the acquisition of the planar propulsion force, potency interface and reduced cores with the following ferromagnetic materials: SMC 1P Somaloy 500® composites, resinated Iron and Steel ABNT 1020. With the help of the test structure, it was validated the numerical model of the three reduced cores regarding to the planar propulsion force. In the analysis of experimental and numerical data, the resinated Iron material showed a 14% difference concerning the strength of the planar propulsion, which is the biggest difference between the materials studied. With the convergence of the experimental and numerical results, a numerical comparison is performed between the reduced and complete cores using the three ferromagnetic materials. The numerical analysis of the reduced core with the SMC 1P Somaloy 500® material showed the average ratio of the planar factor propulsive force of 2.65 when compared with the complete core. The complete core with ABNT 1020 Steel resulted in an average consumption of 56.7 Watts to generate a planar propulsive force of 1 Newton. Thus, it is provided a faster tool for manufacturing and evaluation of ferromagnetic materials performance used in the complete core of the electric machine.

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.

O trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia denominada modelo de núcleo reduzido, aplicada para avaliar o desempenho de máquinas elétricas no que tange a geometria e materiais empregados na fabricação do núcleo completo. Para fins de validação da metodologia utiliza-se um Atuador Planar de Indução Trifásico com dois graus de liberdade, comparando os resultados numéricos e experimentais. Através desta metodologia, pode-se realizar a análise dos fenômenos eletromagnéticos ocorridos no núcleo completo por meio da avaliação de seu modelo reduzido, composto neste caso por 33% do núcleo completo empregado no Atuador Planar de Indução Trifásico. A comprovação da metodologia do modelo de núcleo reduzido ocorreu através da fabricação de uma bancada de testes, composta por uma célula de carga para realizar aquisição da força de propulsão planar, interface de potência e os núcleos reduzidos com seguintes materiais ferromagnéticos: compósitos SMC 1P Somaloy 500®, Ferro resinado e Aço ABNT 1020. Com auxilio da estrutura de testes, validou-se o modelo numérico dos três núcleos reduzidos quanto a força de propulsão planar. Na análise dos dados experimentais e numéricos, o material Ferro resinado apresentou a diferença 14% referente a força de propulsão planar, sendo a maior diferença entre os materiais estudados. Com a convergência dos resultados experimental e numéricos, realiza-se a comparação numérica entre os núcleos reduzidos e completos utilizando-se os três materiais ferromagnéticos. A análise numérica do núcleo reduzido com o material SMC 1P Somaloy 500® apresentou o fator de relação médio da força de propulsão planar de 2,65 em relação ao núcleo completo. O núcleo completo com Aço ABNT 1020 resultou no consumo médio de 56,7Watts para gerar a força de propulsão planar de 1 Newton. Dessa forma, proporciona-se uma ferramenta de maior rapidez para fabricação e avaliação do desempenho de materiais ferromagnéticos utilizados no núcleo completo da máquina elétrica. / This paper presents the development of a methodology denominated low core model applied to evaluate the performance of electrical machines with respect to geometry and materials used in manufacturing of the complete core. For validation purposes of the methodology is used a Planar Three-phase Induction Actuator with two degrees of freedom, comparing the experimental and numerical results. Through this methodology, it is possible to perform the analysis of electromagnetic phenomena occurring in the complete core based evaluation of the reduced model, made in this case with 33% of the full core employed in the Planar Three-phase Induction Actuator. The verification of the reduced core model methodology occurred through the manufacture of a testing bench, which is composed of a load cell to realize the acquisition of the planar propulsion force, potency interface and reduced cores with the following ferromagnetic materials: SMC 1P Somaloy 500® composites, resinated Iron and Steel ABNT 1020. With the help of the test structure, it was validated the numerical model of the three reduced cores regarding to the planar propulsion force. In the analysis of experimental and numerical data, the resinated Iron material showed a 14% difference concerning the strength of the planar propulsion, which is the biggest difference between the materials studied. With the convergence of the experimental and numerical results, a numerical comparison is performed between the reduced and complete cores using the three ferromagnetic materials. The numerical analysis of the reduced core with the SMC 1P Somaloy 500® material showed the average ratio of the planar factor propulsive force of 2.65 when compared with the complete core. The complete core with ABNT 1020 Steel resulted in an average consumption of 56.7 Watts to generate a planar propulsive force of 1 Newton. Thus, it is provided a faster tool for manufacturing and evaluation of ferromagnetic materials performance used in the complete core of the electric machine.

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.

O trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia denominada modelo de núcleo reduzido, aplicada para avaliar o desempenho de máquinas elétricas no que tange a geometria e materiais empregados na fabricação do núcleo completo. Para fins de validação da metodologia utiliza-se um Atuador Planar de Indução Trifásico com dois graus de liberdade, comparando os resultados numéricos e experimentais. Através desta metodologia, pode-se realizar a análise dos fenômenos eletromagnéticos ocorridos no núcleo completo por meio da avaliação de seu modelo reduzido, composto neste caso por 33% do núcleo completo empregado no Atuador Planar de Indução Trifásico. A comprovação da metodologia do modelo de núcleo reduzido ocorreu através da fabricação de uma bancada de testes, composta por uma célula de carga para realizar aquisição da força de propulsão planar, interface de potência e os núcleos reduzidos com seguintes materiais ferromagnéticos: compósitos SMC 1P Somaloy 500®, Ferro resinado e Aço ABNT 1020. Com auxilio da estrutura de testes, validou-se o modelo numérico dos três núcleos reduzidos quanto a força de propulsão planar. Na análise dos dados experimentais e numéricos, o material Ferro resinado apresentou a diferença 14% referente a força de propulsão planar, sendo a maior diferença entre os materiais estudados. Com a convergência dos resultados experimental e numéricos, realiza-se a comparação numérica entre os núcleos reduzidos e completos utilizando-se os três materiais ferromagnéticos. A análise numérica do núcleo reduzido com o material SMC 1P Somaloy 500® apresentou o fator de relação médio da força de propulsão planar de 2,65 em relação ao núcleo completo. O núcleo completo com Aço ABNT 1020 resultou no consumo médio de 56,7Watts para gerar a força de propulsão planar de 1 Newton. Dessa forma, proporciona-se uma ferramenta de maior rapidez para fabricação e avaliação do desempenho de materiais ferromagnéticos utilizados no núcleo completo da máquina elétrica. / This paper presents the development of a methodology denominated low core model applied to evaluate the performance of electrical machines with respect to geometry and materials used in manufacturing of the complete core. For validation purposes of the methodology is used a Planar Three-phase Induction Actuator with two degrees of freedom, comparing the experimental and numerical results. Through this methodology, it is possible to perform the analysis of electromagnetic phenomena occurring in the complete core based evaluation of the reduced model, made in this case with 33% of the full core employed in the Planar Three-phase Induction Actuator. The verification of the reduced core model methodology occurred through the manufacture of a testing bench, which is composed of a load cell to realize the acquisition of the planar propulsion force, potency interface and reduced cores with the following ferromagnetic materials: SMC 1P Somaloy 500® composites, resinated Iron and Steel ABNT 1020. With the help of the test structure, it was validated the numerical model of the three reduced cores regarding to the planar propulsion force. In the analysis of experimental and numerical data, the resinated Iron material showed a 14% difference concerning the strength of the planar propulsion, which is the biggest difference between the materials studied. With the convergence of the experimental and numerical results, a numerical comparison is performed between the reduced and complete cores using the three ferromagnetic materials. The numerical analysis of the reduced core with the SMC 1P Somaloy 500® material showed the average ratio of the planar factor propulsive force of 2.65 when compared with the complete core. The complete core with ABNT 1020 Steel resulted in an average consumption of 56.7 Watts to generate a planar propulsive force of 1 Newton. Thus, it is provided a faster tool for manufacturing and evaluation of ferromagnetic materials performance used in the complete core of the electric machine.