Estudo e desenvolvimento de um atuador planar com enrolamentos planificados e núcleo de material ferromagnético compósito

Abstract

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.