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 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.

Orientador: Robson Pederiva / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-09T22:58:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LamimFilho_PauloCezarMonteiro_D.pdf: 3058410 bytes, checksum: b3139213ab7f18f3ff80772b9e063ab3 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Um programa de manutenção preditiva deve englobar várias técnicas de monitoramento a condição do motor elétrico. Dentre elas, pode-se citar como clássicas, a análise de corrente elétrica e análise de vibrações. Entretanto, existe um grande número de dificuldades associadas com estas técnicas e, conseqüentemente, com suas aplicações in loco no parque fabril. Isto ocorre devido ao largo espectro de possíveis defeitos, tais como: curto circuito entre espiras, desequilíbrio de fase e falhas de barras rotativas do rotor. Este trabalho propõe a implementação de um transdutor (bobina de fluxo) sensível às ondas eletromagnéticas dentro dos motores de indução trifásicos para a detecção, diagnóstico e monitoramento on-line. Foi obtida uma relação entre as principais falhas de origem elétrica (curto circuito entre espiras, desequilíbrio de fase e barras quebradas) com os sinais de fluxo magnético, sendo estabelecidas as freqüências características de falhas. No trabalho é proposto o uso da lógica fuzzy para o monitoramento online. A condição do motor é descrita através de variáveis lingüísticas. Uma base de regras foi construída para ser usada pelo método de inferência fuzzy. O motor de indução é diagnosticado pela composição do conjunto de regras do método de inferência. Os resultados experimentais comprovaram a eficiência do sensor proposto e da estratégia de detecção, diagnóstico e monitoramento on-line, podendo ser futuramente incluídos em Programas de Manutenção Preditiva / Abstract: A predictive maintenance program must include several techniques of monitoring of the electric motor¿s conditions. Among these techniques, probably the two most classic ones are related to electric current and vibration analysis. Unfortunately, in both cases inherent drawbacks make difficult their use in loco on industry plants. As there is a large range of possible fault sources and abnormal machine use conditions (such as inter-turn short circuits, unbalanced voltage supplies and broken rotor bars) the determination of the real machine problem is difficult. This work presents the implementation of a special sensor developed (flux coil sensor) inside three-phase induction motors used as experimental platforms. This sensor is sensitive to electromagnetic waves and they are used for detection, diagnosis, and on-line monitoring of electrical faults. It was established a relation between the main electrical faults (inter-turn short circuits, unbalanced voltage supplies and broken rotor bars) and the signals of magnetic flux, that were identified the characteristic frequencies of these faults. In this work, it is proposed the use of fuzzy logic for the on-line monitoring. The motor operational conditions are described by using fuzzy linguistic variables. A knowledge base, comprising fuzzy rules and databases, was built to support the fuzzy inference process. The conditions of the induction motors used during the test phase are diagnosed using a compositional rule and fuzzy inference procedures. The experimental results shown the efficiency of the flux coil sensor developed and the strategies for detection, diagnosis, and on-line monitoring tasks. The results were undoubtedly impressive and in a near future the system developed can be adapted and used in real predictive maintenance programs in industries / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

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.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Currently, several research groups have been devoted to the production of superconducting films. This interest lies on the facility of their manipulation, on the understanding of basic concepts of the superconductivity and, especially, in the possibility of reducing them to dimensions compatible to their application as devices. Therefore, there is a great technological and academic interest in this issue. The most used material in superconducting devices is the niobium (Nb) and its alloys. Although Nb has been known as superconductor since 1930, the interest in excellent films of this material still remains. In this work, using a DC magnetron sputtering technique, we have developed an experimental method that allows one to produce superconducting Nb films of good quality - transition temperature of 9.1 K and transition width of 0.2 K. Therefore, we performed a systematic study of the setup parameters that influences the structural and superconducting properties of the films. In particular, we have analyzed the evolution of the lattice parameter, average grain size crystalline and critical temperature. Such values have been compared in a diagram. Nb films exhibit flux avalanches at certain values of field and temperature. We have detected and visualized the occurrence of avalanches of magnetic flux in Nb films and, in order to suppress the abrupt flux penetration, we have coupled to the films of thickness of 200 nm, thick metal layers of aluminum, silver and copper of different thicknesses, so called hybrid systems - Superconductor/Normal Metal. In this work piece, two experimental techniques have been employed: magnetometry and magneto-optical imaging. A partial suppression of avalanches in the hybrid systems has been observed. / Atualmente, diversos grupos de pesquisa têm se dedicado à fabricação de filmes supercondutores. O interesse reside na facilidade de manipulação, no entendimento de conceitos básicos do fenômeno da supercondutividade e, principalmente, na possibilidade de reduzi-los a dimensões compatíveis à aplicação como dispositivos. Portanto, há um grande interesse acadêmico e tecnológico nesta área. O material mais utilizado na construção de dispositivos supercondutores é o nióbio (Nb) e suas ligas. Apesar do Nb ser conhecido como supercondutor desde 1930, o interesse em excelentes filmes desse material ainda persiste. Neste trabalho, utilizamos a técnica de magnetron sputtering DC, com a qual estabelecemos uma rotina experimental que possibilitou produzir filmes supercondutores de Nb de boa qualidade - temperatura crítica de 9,1 K e largura de transição de 0,2 K. Para tanto, realizamos um estudo sistemático de como os valores dos parâmetros experimentais influenciam nas propriedades estruturais e supercondutoras dos filmes. Em particular, analisamos a evolução do parâmetro de rede, do tamanho médio dos grãos cristalinos e da temperatura crítica com os valores das variáveis de deposição e, por conseguinte, comparamos esses valores em um diagrama. Filmes de Nb exibem avalanches de fluxo magnético quando submetidos a certos valores de campo e temperatura. Detectamos e visualizamos a ocorrência de avalanches de fluxo magnético nos filmes de Nb produzidos e, com o intuito de suprimir as penetrações abruptas de fluxo, acoplamos a filmes de 200 nm de espessura camadas metálicas de alumínio, prata e cobre de diferentes espessuras, denominados sistemas híbridos - Supercondutor/Metal Normal. Este estudo foi conduzido por meio de duas técnicas experimentais: magnetometria volumétrica e imageameto magneto-ótico. Observamos uma supressão parcial das avalanches de fluxo magnético nos sistemas híbridos.

Pour réduire les émissions de gaz polluants, les constructeurs automobiles cherchent à mieux contrôler le volume d'air introduit dans le moteur pour optimiser la combustion. Des dispositifs mécaniques ou hydrauliques couplés avec l'arbre à cames sont déjà en place dans certaines voitures et permettent des gains de 8 à 10% sur la consommation de carburant. L'utilisation d'un actionneur électromagnétique à la place de l'arbre à cames (application « camless ») pour commander les soupapes améliore nettement ce gain (15 à 20%). Les travaux de cette thèse consistent à modéliser une structure choisie, pour ensuite l'optimiser. Compte tenu des exigences de notre application et des contraintes d'environnement du moteur thermique, la modélisation doit être à la fois suffisamment précise et rapide pour estimer et améliorer les performances de l'actionneur. Pour la partie statique, nous avons opté pour un modèle réluctant 3D. Obtenu par extension de son homologue 2D, il reste rapide tout en donnant des résultats en accord avec les mesures. En régime transitoire, nous proposons une nouvelle approche analytique de la distribution des courants de Foucault, directement à partir de l'évolution du flux magnétique. L'équation de diffusion comporte alors des conditions aux limites de Neumann. Nous avons traité le cas d'un flux magnétique arbitraire grâce au théorème de Duhamel, ainsi que la saturation du matériau grâce à une approche semi-analytique. / Variable valve actuation is one of automotive constructors' strategies to fulfil environmental queries about emission of pollutant gases. It brings improvement to the thermal engine, and many constructors have their own devices associated to the camshaft, with a gain between 8 and 10% on fuel consumption. The use of camless actuator brings further more gain, from 15 to 20%. The established approach during this thesis consists in modelling a chosen topology of actuator, and next in optimization. However, camless specifications and constraints require fast models, but with correct accuracy. That's why we use 3D permeances network in steady state. That model is obtained from extension of its 2D version. It is still fast and gives results in good agreement with measurements. We proposed a new analytical approach of eddy currents distribution in transient state, directly from the evolution of magnetic flux. Thus we have Neumann's boundary conditions in the diffusion equation. Arbitrary magnetic flux excitation and saturated material (with semi-analytical approach) are considered.

Táto práca sa zaoberá s modelovaním synchronného stroja s permanentnými magnetmi pomocou metody konečných prvkov. K modelovaniu sme si zvolili 3 fázový synchronný stroj s permanentnými magnetmi na povrchu rotora z firmy VUES. Najprv vypočítame parametre stroja a potom spravíme statický model pomocou programu FEMM a Matlab a budeme hladať možné riešenia na 2D dynamický model. Pomocou programu Ansys Workbench spravíme 3D model tohoto stroja budeme a porovnávať výsledky simulácie.

The thesis focuses on constructing dynamic model - synchronous generator with using magnetic equivalent circuit diagrams. The model construction is based on knowledge of geometric parameters, magnetic characteristic of used material and fyzical deployment of vindings placed in stator slots. Computed reults are compared with results optained from model created with finite element method.

The main goal of this thesis is a determination of an idle stray losses in induction machine and creation calculation program in MATLAB. The stray losses are caused especially by the eddy currents on the surface of stator and rotor, further by a pulsation of these currents owing to the periodical change of air-gap permeance, magnetic induction in stator and rotor teeth and a differential leakage. Value of stray losses are different of engine construction especially by it are scoring insulated, uninsulated, straight or slant.

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