Les travaux menés au cours de cette thèse porté sur le développement d’un aimant pour système de RMN portable. Une homogénéité élevée a été recherchée tout en maintenant le champ magnétique statique B0 aussi élevé que possible (100ppm, 0.12T). Les dimensions de l’aimant sont prédéfinies ainsi que celles de la zone d'intérêt fonction de la taille des aimants permanents utilisés. Ce type de système est dédié à la recherche biomédicale et agroalimentaire. Les travaux présentés ont consisté, à discuter dans un premier temps un certain nombre des paramètres des matériaux magnétiques essentiels à la construction d’aimants de RMN portables. Plus particulièrement le choix des aimants permanents, utilisant un matériau tels que le NdFeB a été justifié. Une combinaison entre portabilité, prix et sensibilité a abouti à la conception d’un prototype d’aimant portable pour appareil RMN à partir d’un système simple d’arrangement de 24 aimants permanents. Le champ magnétique et l'homogénéité de ce système ont été calculés et simulés à l’aide du logiciel Ansys puis les résultats obtenus ont été vérifiés avec le logiciel Radia. Une nouvelle méthode de shim pour augmenter l'homogénéité et corriger les imperfections du champ B0 a été aussi introduite. La position des aimants de shim a fait l’objet d’une optimisation avec le logiciel Radia. Sur la base de ces résultats, un prototype a été réalisé. Les résultats des mesures de champ magnétique et de l'homogénéité sont en bonne corrélation avec les résultats obtenus par simulation. Les erreurs de mesure ont été estimées et une précision suffisante a été atteinte compte tenu des tolérances portant à la fois sur les caractéristiques et sur la fabrication des aimants. Un autre aimant basé sur la configuration Mandhalas (Magnet Arrangement for Novel Discrete Halbach Layout) a fait l’objet d’une étude comparative, portant sur deux configurations utilisant des aimants de formes circulaires et de formes carrés, a été effectuée par simulation 2D (sur la base de trois critères : la masse, l'homogénéité et l'intensité du champ magnétique). Les Mandhalas fabriqués à partir d’aimants circulaires permettent d’avoir de meilleurs résultats (0.32T, 178ppm). D’autre part, la simulation 3D a été faite afin d’évaluer la totalité du système. A partir des résultats obtenus, un système de shim passif a été aussi utilisé dans ce cas et a permis l’augmentation de la zone d'homogénéité de manière significative. / This thesis focuses on the development of a magnet system for NMR applications with high homogeneity while maintaining the static magnetic field B0 as high as possible (100 ppm, 0.12T). Due to the application goals, the magnet dimensions are predefined as well as those of the region of interest according to the size of the used permanent magnets. Such system is dedicated to biomedical and agroalimentary applications. The goal of this research has been firstly, the discussion of parameters of magnetic materials which are essential to the construction of portable NMR magnets, and then the choice of the permanent magnet material the “NdFeB” that was explained. A compromise between the portability, price and the sensitivity has led to the design of a prototype of portable NMR magnet with a simple system of arrangement of 24 permanent magnets. The magnetic field and the homogeneity of the system were calculated and simulated by using ANSYS software and these results were correlated to those obtained by the Radia software. A new shim method has been used to increase the homogeneity and correct the field B0 imperfection. Based on these results, a prototype was realized. The results of the magnetic field strength and homogeneity obtained by measurements are in good correlation with the results obtained by simulation. Sufficient accuracy was reached to take into account and correct errors due to manufacturing tolerances of the magnets. Another magnet system based on Mandhalas configuration (Magnet Arrangement for Novel Discrete Halbach Layout) was studied. The comparison between two configurations made from circle and square magnets was performed by 2D simulation (using three criteria: mass, homogeneity and the magnetic field strength). The Mandhalas made from circle magnets give better results (0.32 T, 178 ppm). The 3D simulation was carried out to evaluate the total system. From these results, a passive shim system was also used in this case and the homogeneity significantly increases.

Este trabalho apresenta uma metodologia de projeto de atuadores eletromagnéticos lineares inovadora para aplicação em sistemas de suspensão semiativa e ativa. A metodologia, apresentada na forma de fluxograma, define critérios para determinar os requisitos de força e curso que um atuador deve desenvolver considerando um sistema mecânico vibratório com um grau de liberdade com excitação harmônica de base quando o método de controle skyhook é aplicado. Um atuador eletromagnético linear de bobina móvel com duplo arranjo de quase-Halbach que apresenta elevada densidade de força, reduzida massa móvel, ausência de força de relutância e baixa ondulação de força é definido como estudo de caso. Um modelo numérico parametrizado em elementos finitos do comportamento eletromagnético de um passo polar do dispositivo é criado e analisado, considerando restrições dimensionais, com os objetivos de projeto definidos como: elevada densidade de força e reduzida ondulação de força com acionamento brushless CA. Com base no modelo de um passo polar do dispositivo, define-se o volume ativo que o mesmo deve apresentar e, a partir deste, todas as dimensões são definidas de forma a atender os requisitos de projeto. Uma vez definidas as dimensões do atuador com base no modelo eletromagnético, realiza-se a modelagem térmica numérica que permite avaliar qual a máxima densidade de corrente elétrica aplicável de forma que a temperatura, estipulada como máxima, nos enrolamentos não seja excedida. Ainda, a distribuição térmica permite determinar a temperatura de operação dos ímãs permanentes que têm curva de operação dependente da temperatura. A partir dos resultados da simulação térmica e do modelo eletromagnético para um passo polar, realizou-se o acoplamento eletromagnético-térmico por meio da correção das propriedades dos ímãs permanentes e aplicando uma densidade de corrente eficaz dependente das dimensões do modelo parametrizado. O modelo acoplado é simulado e analisado, de modo que as dimensões finais do atuador podem ser obtidas atendendo aos mesmos objetivos de projeto previamente mencionados, respeitando os limites de operação térmica. Adicionalmente, são apresentados modelos analíticos do comportamento eletromagnético e térmico do atuador que podem servir de base para implementação da metodologia proposta, se esta for baseada em modelos analíticos, e podem futuramente ser empregados para a aplicação de otimização matemática do dispositivo. Por fim, um protótipo do dispositivo é construído de forma a validar a metodologia proposta. Com este protótipo são realizados ensaios de densidade de fluxo magnético no entreferro, tensão induzida a vazio, força estática e ensaio dinâmicos com o dispositivo instalado em uma bancada de testes de vibrações controladas desenvolvida durante o projeto. Os resultados mostram a eficácia da metodologia proposta, uma vez que os resultados experimentais mostraram boa concordância com os resultados esperados. / This work presents an innovative linear electromagnetic actuator design methodology for application in semi-active and active suspension systems. The methodology, synthesized in a flowchart, sets criteria to determine requirements such as axial force and stroke that an actuator should develop considering a vibration system with one degree of freedom with harmonic base excitation when the skyhook control method is applied. A linear moving-coil electromagnetic actuator with dual quasi-Halbach arrays of permanent magnets that presents high force density, low moving-mass, no reluctance force and low force ripple is defined as a case study. A finite element numerical parameterized model that describes the electromagnetic behavior of one pole pitch of the device is created and analyzed, considering dimensional constraints, with the design objectives defined as: high force density and low ripple of force with brushless AC drive. Based on the model of one pole pitch of the device the active volume and all dimensions are defined in order to meet the design requirements. Once the actuator dimensions are defined, based on the electromagnetic model, a numerical thermal model was constructed, which allows to evaluate the maximum applicable electric current density so that the maximum temperature at the windings is not exceeded. Furthermore, the thermal distribution gives the operating temperature of the permanent magnets, which present performance highly dependent on temperature. With the results of the thermal simulation, the electromagnetic-thermal coupling is performed by correcting permanent magnet properties and by applying a parametric-dependent effective current density. The coupled model is simulated and analyzed so that the final dimensions of the actuator can be obtained with the same design objectives previously mentioned, while respecting thermal operating limits. In addition, the work presents analytical models of the electromagnetic and thermal behavior of the actuator that can be the basis for implementation of the proposed methodology, if it is based on analytical models, and can further be used for the application of mathematical optimization of the device. Finally, a prototype was built to validate the proposed method. Measurements were carried out to assess magnetic flux density in the air gap, open-circuit induced voltage, static force and dynamic tests with the device installed in a test bench that was developed during this work. The results show the effectiveness of the proposed method since experimental results have shown good agreement with the expected results.

Este trabalho apresenta uma metodologia de projeto de atuadores eletromagnéticos lineares inovadora para aplicação em sistemas de suspensão semiativa e ativa. A metodologia, apresentada na forma de fluxograma, define critérios para determinar os requisitos de força e curso que um atuador deve desenvolver considerando um sistema mecânico vibratório com um grau de liberdade com excitação harmônica de base quando o método de controle skyhook é aplicado. Um atuador eletromagnético linear de bobina móvel com duplo arranjo de quase-Halbach que apresenta elevada densidade de força, reduzida massa móvel, ausência de força de relutância e baixa ondulação de força é definido como estudo de caso. Um modelo numérico parametrizado em elementos finitos do comportamento eletromagnético de um passo polar do dispositivo é criado e analisado, considerando restrições dimensionais, com os objetivos de projeto definidos como: elevada densidade de força e reduzida ondulação de força com acionamento brushless CA. Com base no modelo de um passo polar do dispositivo, define-se o volume ativo que o mesmo deve apresentar e, a partir deste, todas as dimensões são definidas de forma a atender os requisitos de projeto. Uma vez definidas as dimensões do atuador com base no modelo eletromagnético, realiza-se a modelagem térmica numérica que permite avaliar qual a máxima densidade de corrente elétrica aplicável de forma que a temperatura, estipulada como máxima, nos enrolamentos não seja excedida. Ainda, a distribuição térmica permite determinar a temperatura de operação dos ímãs permanentes que têm curva de operação dependente da temperatura. A partir dos resultados da simulação térmica e do modelo eletromagnético para um passo polar, realizou-se o acoplamento eletromagnético-térmico por meio da correção das propriedades dos ímãs permanentes e aplicando uma densidade de corrente eficaz dependente das dimensões do modelo parametrizado. O modelo acoplado é simulado e analisado, de modo que as dimensões finais do atuador podem ser obtidas atendendo aos mesmos objetivos de projeto previamente mencionados, respeitando os limites de operação térmica. Adicionalmente, são apresentados modelos analíticos do comportamento eletromagnético e térmico do atuador que podem servir de base para implementação da metodologia proposta, se esta for baseada em modelos analíticos, e podem futuramente ser empregados para a aplicação de otimização matemática do dispositivo. Por fim, um protótipo do dispositivo é construído de forma a validar a metodologia proposta. Com este protótipo são realizados ensaios de densidade de fluxo magnético no entreferro, tensão induzida a vazio, força estática e ensaio dinâmicos com o dispositivo instalado em uma bancada de testes de vibrações controladas desenvolvida durante o projeto. Os resultados mostram a eficácia da metodologia proposta, uma vez que os resultados experimentais mostraram boa concordância com os resultados esperados. / This work presents an innovative linear electromagnetic actuator design methodology for application in semi-active and active suspension systems. The methodology, synthesized in a flowchart, sets criteria to determine requirements such as axial force and stroke that an actuator should develop considering a vibration system with one degree of freedom with harmonic base excitation when the skyhook control method is applied. A linear moving-coil electromagnetic actuator with dual quasi-Halbach arrays of permanent magnets that presents high force density, low moving-mass, no reluctance force and low force ripple is defined as a case study. A finite element numerical parameterized model that describes the electromagnetic behavior of one pole pitch of the device is created and analyzed, considering dimensional constraints, with the design objectives defined as: high force density and low ripple of force with brushless AC drive. Based on the model of one pole pitch of the device the active volume and all dimensions are defined in order to meet the design requirements. Once the actuator dimensions are defined, based on the electromagnetic model, a numerical thermal model was constructed, which allows to evaluate the maximum applicable electric current density so that the maximum temperature at the windings is not exceeded. Furthermore, the thermal distribution gives the operating temperature of the permanent magnets, which present performance highly dependent on temperature. With the results of the thermal simulation, the electromagnetic-thermal coupling is performed by correcting permanent magnet properties and by applying a parametric-dependent effective current density. The coupled model is simulated and analyzed so that the final dimensions of the actuator can be obtained with the same design objectives previously mentioned, while respecting thermal operating limits. In addition, the work presents analytical models of the electromagnetic and thermal behavior of the actuator that can be the basis for implementation of the proposed methodology, if it is based on analytical models, and can further be used for the application of mathematical optimization of the device. Finally, a prototype was built to validate the proposed method. Measurements were carried out to assess magnetic flux density in the air gap, open-circuit induced voltage, static force and dynamic tests with the device installed in a test bench that was developed during this work. The results show the effectiveness of the proposed method since experimental results have shown good agreement with the expected results.

Este trabalho apresenta uma metodologia de projeto de atuadores eletromagnéticos lineares inovadora para aplicação em sistemas de suspensão semiativa e ativa. A metodologia, apresentada na forma de fluxograma, define critérios para determinar os requisitos de força e curso que um atuador deve desenvolver considerando um sistema mecânico vibratório com um grau de liberdade com excitação harmônica de base quando o método de controle skyhook é aplicado. Um atuador eletromagnético linear de bobina móvel com duplo arranjo de quase-Halbach que apresenta elevada densidade de força, reduzida massa móvel, ausência de força de relutância e baixa ondulação de força é definido como estudo de caso. Um modelo numérico parametrizado em elementos finitos do comportamento eletromagnético de um passo polar do dispositivo é criado e analisado, considerando restrições dimensionais, com os objetivos de projeto definidos como: elevada densidade de força e reduzida ondulação de força com acionamento brushless CA. Com base no modelo de um passo polar do dispositivo, define-se o volume ativo que o mesmo deve apresentar e, a partir deste, todas as dimensões são definidas de forma a atender os requisitos de projeto. Uma vez definidas as dimensões do atuador com base no modelo eletromagnético, realiza-se a modelagem térmica numérica que permite avaliar qual a máxima densidade de corrente elétrica aplicável de forma que a temperatura, estipulada como máxima, nos enrolamentos não seja excedida. Ainda, a distribuição térmica permite determinar a temperatura de operação dos ímãs permanentes que têm curva de operação dependente da temperatura. A partir dos resultados da simulação térmica e do modelo eletromagnético para um passo polar, realizou-se o acoplamento eletromagnético-térmico por meio da correção das propriedades dos ímãs permanentes e aplicando uma densidade de corrente eficaz dependente das dimensões do modelo parametrizado. O modelo acoplado é simulado e analisado, de modo que as dimensões finais do atuador podem ser obtidas atendendo aos mesmos objetivos de projeto previamente mencionados, respeitando os limites de operação térmica. Adicionalmente, são apresentados modelos analíticos do comportamento eletromagnético e térmico do atuador que podem servir de base para implementação da metodologia proposta, se esta for baseada em modelos analíticos, e podem futuramente ser empregados para a aplicação de otimização matemática do dispositivo. Por fim, um protótipo do dispositivo é construído de forma a validar a metodologia proposta. Com este protótipo são realizados ensaios de densidade de fluxo magnético no entreferro, tensão induzida a vazio, força estática e ensaio dinâmicos com o dispositivo instalado em uma bancada de testes de vibrações controladas desenvolvida durante o projeto. Os resultados mostram a eficácia da metodologia proposta, uma vez que os resultados experimentais mostraram boa concordância com os resultados esperados. / This work presents an innovative linear electromagnetic actuator design methodology for application in semi-active and active suspension systems. The methodology, synthesized in a flowchart, sets criteria to determine requirements such as axial force and stroke that an actuator should develop considering a vibration system with one degree of freedom with harmonic base excitation when the skyhook control method is applied. A linear moving-coil electromagnetic actuator with dual quasi-Halbach arrays of permanent magnets that presents high force density, low moving-mass, no reluctance force and low force ripple is defined as a case study. A finite element numerical parameterized model that describes the electromagnetic behavior of one pole pitch of the device is created and analyzed, considering dimensional constraints, with the design objectives defined as: high force density and low ripple of force with brushless AC drive. Based on the model of one pole pitch of the device the active volume and all dimensions are defined in order to meet the design requirements. Once the actuator dimensions are defined, based on the electromagnetic model, a numerical thermal model was constructed, which allows to evaluate the maximum applicable electric current density so that the maximum temperature at the windings is not exceeded. Furthermore, the thermal distribution gives the operating temperature of the permanent magnets, which present performance highly dependent on temperature. With the results of the thermal simulation, the electromagnetic-thermal coupling is performed by correcting permanent magnet properties and by applying a parametric-dependent effective current density. The coupled model is simulated and analyzed so that the final dimensions of the actuator can be obtained with the same design objectives previously mentioned, while respecting thermal operating limits. In addition, the work presents analytical models of the electromagnetic and thermal behavior of the actuator that can be the basis for implementation of the proposed methodology, if it is based on analytical models, and can further be used for the application of mathematical optimization of the device. Finally, a prototype was built to validate the proposed method. Measurements were carried out to assess magnetic flux density in the air gap, open-circuit induced voltage, static force and dynamic tests with the device installed in a test bench that was developed during this work. The results show the effectiveness of the proposed method since experimental results have shown good agreement with the expected results.

No description available.