Caracterização e análise do ruído acústico em actuadores de relutância variável comutados

Os accionamentos electromecânicos baseados no princípio da variação da relutância magnética têm merecido uma atenção considerável de investigação nas duas últimas décadas. Entre as razões que justificam esse interesse destacam-se a simplicidade de construção, a robustez e os elevados valores de força produzidos. Estas características fazem deste tipo de actuadores soluções robustas e eficientes para accionamentos, com aplicação em várias áreas. No entanto, sendo esta uma tecnologia de accionamento relativamente recente, se comparada com as máquinas eléctricas tradicionais, como por exemplo as de indução magnética, existem aspectos a melhorar e limitações a suprir e que abrem oportunidades para o desenvolvimento de trabalho científico. É esse o caso dos actuadores de relutância variável, designadamente nos elevados valores de forças produzidas e na sua ondulação (ripple). Essa ondulação resulta das variações das correntes de excitação de fase, com origem nos processos de comutação dos dispositivos electrónicos de potência para ajuste e regulação dos perfis de corrente. Os elevados valores de força produzidos, aliados ao ripple, causam vibrações que, por sua vez, além de dificultar o controlo e o acoplamento de cargas, emitem ruído acústico e aceleram o desgaste das peças mecânicas. O tema das vibrações em actuadores de relutância variável comutados tem sido tratado em diversos trabalhos de investigação, mas, de modo quase exclusivo para os actuadores rotativos. No entanto, permanecem em aberto os estudos acerca desse tema para os actuadores lineares, bem como propostas de soluções que visem mitigar os seus efeitos e assim contribuir para a disseminação desta tecnologia de accionamentos. Este trabalho é, portanto, motivado pela necessidade de caracterização das vibrações em actuadores de relutância variável, em especial nos actuadores com configuração linear. Além da revisão do estado da arte sobre o tema, nesta tese propõem-se métodos e ferramentas para aquisição e análise das vibrações neste tipo de actuadores. Propõem-se métodos de análise numérica e abordagens experimentais para o estudo e a caracterização das vibrações. Apresentam-se propostas quanto às instalações de teste, ao banco de ensaios e à respectiva configuração, bem como os protocolos de teste a adoptar. Para análise dos dados e suporte à caracterização propõem-se ferramentas computacionais desenvolvidas especificamente para esse fim. Os resultados que se apresentam, analisam e discutem, são obtidos por simulação computacional, através do método dos elementos finitos, e por métodos experimentais. Esses resultados permitem validar a análise numérica e sustentam a análise harmónica das vibrações, e a sua caracterização, tanto por excitação modal experimental como por excitação operacional. Este trabalho visa assim contribuir para o avanço científico e tecnológico no que respeita à caracterização das vibrações em actuadores de relutância variável, com propostas de métodos de análise sustentadas em resultados validados experimentalmente. Aponta também algumas direcções e temas de trabalho para investigação no futuro. Além disso, na opinião do autor, revela-se de grande importância uma vez que se enquadra numa nova linha de investigação no seio do grupo de trabalho, na UBI, no qual existe trabalho de investigação anterior sobre os actuadores lineares de relutância variável comutados.Electromechanical drives based on the principle of magnetic reluctance variation have deserved considerable research attention in the last two decades. Among the reasons that justify this interest, it stands out the simplicity of construction, the robustness and the high values of force produced. These characteristics make this type of actuators robust and efficient solutions for electromechanical drives, with application in several areas. However, since this is a relatively recent drive technology when compared to traditional electric machines, such as induction machines, there are aspects to be improved and limitations to be met that lead to opportunities for the development of scientific work. That is the case for switched reluctance actuators, namely in the case of high values of forces produced, and in their variation (ripple). This ripple results from the variations of the phase excitation currents, due to the switching processes of power electronics devices for adjusting and regulating the current profiles. The high force values produced, together with the ripple, cause vibrations which in turn challenging the control of drives and the coupling of loads. Besides these, it contributes to acoustic noise emissions and accelerates the wear of the mechanical parts. The subject of vibrations in switched reluctance actuators has been addressed in several research papers, but almost exclusively for rotary actuators. However, studies on this subject remain open for linear actuators, as well as proposals for solutions to mitigate their effects and thus contribute to the dissemination of this drive technology. This work is therefore motivated by the need to characterize the vibrations in switched reluctance actuators, especially in the linear configurations of these actuators. In addition to the review of state of the art on the subject, in this thesis, we proposed methods and tools for acquisition and analysis of vibrations in this type of actuators. Numerical methods and experimental approaches to the study and characterization of vibrations are also proposed. The proposals presented aim for the test facilities, the test bench, and the respective configuration of the test protocols to be adopted. Computational tools developed specifically in purpose for data analysis and characterization support, which we also present and propose. The results presented, analyzed, and discussed, are obtained by computational simulation using the finite element method, and by experimental methods. These results allow validation of the numerical analysis and support the harmonic analysis of the vibrations, and their characterization, both by experimental modal excitation and by operational excitation. This work aims to contribute to the technological advancement concerning the characterization of vibrations in switched reluctance actuators, with proposals for analysis methods based on experimentally validated results. It also outlines some directions and work themes for future research. Also, in the author opinion, it proves to be of great importance since it fits into a new line of research within the working group at the UBI, where there is previous research work on linear switched variable reluctance actuators