Modelagem dinâmica e acionamento de atuadores eletromagnétcos lineares de imãs permanentes

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo teórico, computacional e experimental sobre o desempenho dinâmico e o acionamento elétrico de atuadores lineares síncronos de ímãs permanentes. Inicialmente, uma modelagem dinâmica genérica de atuadores lineares é realizada no referencial trifásico e em função do número de condutores ativos da armadura. Assim, o modelo proposto é diretamente aplicável em máquinas com topologias planas ou tubulares e para diversos arranjos de ímãs permanentes utilizados no sistema de excitação de campo. Na sequência, através de uma transformação de coordenadas, um modelo não linear é expresso no referencial bifásico síncrono. A seguir, esse modelo é linearizado em torno de um ponto de operação. Um atuador de topologia tubular é escolhido para validação da modelagem matemática. Simulações computacionais via método de elementos finitos e testes experimentais são realizados, sendo os resultados obtidos comparados aos fornecidos pelos modelos analíticos desenvolvidos. Dessa forma, o equacionamento apresentado é validado no domínio do tempo e no domínio da frequência. Por fim, um acionamento em malha fechada baseado em orientação de campo é implementado no atuador tubular. Os ganhos proporcional e integral do controlador são calculados a partir da resposta temporal desejada e da constante de força do dispositivo.

This work presents a theoretical, computational and experimental study on the dynamic performance and the electric drive of linear permanent magnet synchronous actuators. For this purpose, a generic dynamic modeling of linear actuators is performed initially on the three-phase reference frame as a function of the number of active conductors in the armature. Thus, the proposed model is directly applicable in flat or tubular machines with different arrangement of end magnets used in the field excitation system. Then, by a coordinate transformation, a non-linear model is expressed in the synchronous reference frame. This model is then linearized around an operating point. A tubular topology was chosen to validate the mathematical modeling. Numerical simulations using finite element method and experimental tests are performed and their results are compared to analytical models. Thus, the presented modeling is validated both in the time domain and in the frequency domain. Finally, a closed loop electric drive based on field orientation is implemented in the tubular actuator. The controller gains are calculated by means of the desired time response and the force constant of the device.