
Universidade Federal de Santa catarina (UFSC)
Programa de Pós-graduação em Engenharia, Gestão e Mídia do Conhecimento (PPGEGC)
Detalhes do Documento Analisado
Centro: Não Informado
Departamento: Não Informado
Dimensão Institucional: Pós-Graduação
Dimensão ODS: Ambiental
Tipo do Documento: Tese
Título: CHARACTERIZATION AND MODELLING OF THE MAGNETIC BEHAVIOUR OF ELECTRICAL STEEL UNDER MECHANICAL STRESS
Orientador
- NELSON SADOWSKI
Aluno
- BENJAMIN JOSEPH MAILHE
Conteúdo
O principal objetivo da presente tese é apresentar a concep¸cão e propor um projeto de bancada experimental capaz de ultrapassar parcialmente limita¸cões encontradas na literatura quanto à caracteriza¸cão magnetomecânica de materiais ferromagnéticos. o primeiro passo neste sentido consiste num abrangente estudo dos fenômenos físicos envolvidos no magnetismo e, em particular, no ferromagnetismo. este aspecto do trabalho é essencial, já que permite entender os mecanismos complexos responsáveis pelo acoplamento magnetomecânico. este último campo de estudo é logo extensivamente tratado, na sua escala macroscópica e fenomenológica bem como no nível microscópico. além disso, uma análise das principais fontes de carregamento mecânico ao longo da vida de uma lâmina de material ferromagnético é apresentada, com o intuito de consolidar e afirmar a relevância do presente trabalho. a concep¸cão da bancada experimental pode se dividir em várias etapas. primeiramente, várias bancadas experimentais utilizadas pela caracteriza¸cão magnética e magnetomecânica foram analisadas à luz destas bases conceituais e teóricas. isso permitiu identificar em cada uma delas as suas vantagens e deficiências, levando também em conta os padrões internacionais relacionados com a medi¸cão de propriedades magnéticas em lâminas finas. sendo um campo de estudo novo dentro do grucad, foi decido, como primeira abordagem, estudar o efeito magnetomecânico na sua expressão mais simples e direta, permitindo assim uma fácil avalia¸cão do desempenho da bancada a ser desenvolvida. uma configura¸cão de bancada que permite o estudo da magnetostric¸cão reversa ou efeito villari , com campo de magnetiza¸cão e estresses aplicados colinearmente, foi então projetada tomando como base a análise previamente realizada. este rascunho foi logo refinado, considerando os imperativos ditados pelos padrões internacionais bem como os imperativos que surgem da necessidade de aplicar de maneira controlada esfor¸cos mecânicos na lâmina testada. é importante notar que, durante a concep¸cão da bancada, a sua capacidade de adapta¸cão foi também um fator importante no desenvolvimento, antecipando assim estudos magnetomecânicos mais avan¸cados a serem com ela realizados, como os de análise de magnetostric¸cão direita e ou sob esfor¸cos, por exemplo. finalmente, a bancada magnetomecânica foi construída: consiste numa bancada de ensaios em chapa única (single sheet tester, ou sst) modificada de maneira a registrar mudan¸cas no comportamento magnético de uma lamina¸cão em fun¸cão do esfor¸co de tra¸cão ou compressão nela aplicado. ela conta com um sistema dedicado de excita¸cão magnética que possibilita o controle da tensão induzida na bobina secundária através de um controle por modos deslizantes em malha fechada (closed-loop sliding mode control). a medi¸cão do campo magnetizante é realizada tanto através do método indireto como do método direto. neste último caso, os valores medidos com três sensores de campo, conhecidos como bobinas-h, são utilizados para realizar uma extrapola¸cão e acessar com maior precisão o campo de magnetiza¸cão no nível da interface lâmina-ar. além disso, uma camisa anti-flambagem foi concebida e desenvolvida com o intuito de impedir a ocorrência de efeitos mecânicos não desejados enquanto a lâmina fina é submetida a esfor¸cos mecânicos de compressão. a bancada de teste desenvolvida foi então utilizada seguindo um procedimento conhecido como sigma -vec{} h , o qual consiste em aplicar um esfor¸co fixo ao material e logo magnetizá-lo. os resultados obtidos para uma configura¸cão sem estresse (0mpa) mostram uma boa concordância com referências adquiridas numa bancada comercial de caracteriza¸cão magnética para uma ampla gama de frequências. esta boa correla¸cão permite validar a bancada desenvolvida para casos sem esfor¸cos mecânicos. depois deste primeiro processo de avalia¸cão, a resposta do material sob estresse foi registrada e comparada com o comportamento esperado em tais condi¸cões de ensaio. os resultados obtidos concordam com os encontrados na literatura, estando também em concordância com a teoria do acoplamento magnetomecânico. em particular, um importante efeito negativo dos esfor¸cos de compressão sobre a permeabilidade magnética e as perdas histeréticas do material foi observado. por outro lado, ao submeter a lâmina testada a níveis de tra¸cão baixos (até 10mpa), uma leve melhoria das propriedades magnéticas foi encontrada (aumento da permeabilidade e diminui¸cão das perdas por histerese). porém, altos níveis de esfor¸cos mecânicos de tra¸cão induziram o efeito oposto, invertendo a tendência ao melhoramento das propriedades encontrada para baixos níveis de tra¸cão, até finalmente levar a uma deteriora¸cão destas em compara¸cão com o estado não estressado. os resultados experimentais obtidos foram utilizados para alimentar dois modelos comumente encontrados na análise das propriedades magnéticas dos materiais. primeiramente, várias formula¸cões da técnica de separa¸cão de perdas de bertotti foram testadas. as expressões mais simples permitiram a obten¸cão de resultados conclusivos, já que autorizaram a reconstitui¸cão das perdas totais para todos os casos, sem distin¸cão em rela¸cão aos níveis de indu¸cão, à frequência do teste ou ao esfor¸co mecânico aplicado. porém, essas formula¸cões simplificadas são baseadas em coeficientes ajustáveis para as perdas clássicas e excedentes, os quais, na implementa¸cão atual dos modelos, são livres para evoluir livremente até que o modelo convirja e corresponda aos resultados experimentais. neste caso, nenhuma conclusão em rela¸cão ao efeito dos esfor¸cos mecânicos sobre estes coeficientes pode ser extraída de tais modelos, devido à impossibilidade de distinguir os efeitos da otimiza¸cão das mudan¸cas físicas que ocorrem dentro do arranjo de domínios do material. assim, modelos de segrega¸cão de perdas mais complexos foram implementados, levando a resultados mitigados. em particular, um modelo completo (não simplificado) de bertotti foi testado: foi fixado o coeficiente relacionado às perdas clássicas, permitindo observar a evolu¸cão dos parâmetros físicos do material em rela¸cão ao estado mecânico. infelizmente, mesmo o modelo reproduzindo a evolu¸cão das perdas, resultados não-físicos foram obtidos. se supõe que instabilidades numéricas devidas à não-linearidade do modelo e ao processo de otimiza¸cão empregado podem, pelo menos parcialmente, serem as causas destes fenômenos. por outro lado, foi mostrado que o modelo simplificado de bertotti possui uma faixa de aplica¸cão limitada em termos de frequência: com a análise da varia¸cão dos coeficientes pode-se observar que parecem obedecer uma lei assintótica que converge para altas frequências. essas observa¸cões concordam com o modelo completo de bertotti, que demonstra que um comportamento não-linear é esperado para as frequências de magnetiza¸cão mais baixas. em resumo, o estudo realizado sobre os modelos de separa¸cão de perdas simplificados e completos mostram resultados coerentes, e abrem uma área de pesquisa promissora. com poucas melhorias em sua implementa¸cão e com a utiliza¸cão de materiais que apresentam maiores repostas dinâmicas ou com o aumento da faixa de frequências testadas, estes modelos podem ser utilizados para observar o impacto do estado mecânico de um material no seu comportamento magnetodinâmico. em particular, a técnica completa de bertotti, é interessante uma vez que é baseada sobre fenômenos físicos, os quais poderiam ser diretamente observados utilizando microscopia kerr, por exemplo. numa segunda análise numérica, os resultados obtidos foram utilizados em um modelo histerético fenomenológico acoplado, conhecido como jiles-atherton-sablik (jas). este modelo foi primeiramente otimizado com experimentos realizados em condi¸cão de estado mecânico neutro, para uma indu¸cão de 1t a uma frequência de 1hz, a fim de obter os cinco parametros do modelo de jiles-atherton. diferentes formula¸cões do campo equivalente de sablik, que permite levar em conta o impacto de carregamentos mecânicos nas propriedades magnéticas, foram utilizadas. é importante destacar que os parâmetros relativos aos modelos de sablik foram estimados, já que não se podem obter dados experimentais de magnetostric¸cão livre nem magnetostric¸cão sob estresse no estado atual da bancada desenvolvida. isso levou a resultados não satisfatórios dos modelos. porém, os resultados obtidos apontam em uma boa dire¸cão, o que é uma motiva¸cão para continuar desenvolvendo estes tipos de modelos magnetomecânicos simples. na verdade, algumas formula¸cões permitiram se aproximar do efeito dos carregamentos em compressão, demonstrando notavelmente uma limitada queda de permeabilidade. também, enquanto as formula¸cões mais simples levaram a resultados não-físicos ao impor um esfor¸co de tra¸cão, outras um pouco mais complexas apresentaram um incremento da permeabilidade e da remanência. a inversão do efeito dos estresses de tra¸cão, observada experimentalmente para um carregamento de 20mpa, não foi bem representada utilizando o conjunto de parâmetros escolhidos pelas adi¸cões de sablik. porém, parece possível representar tal comportamento uma vez que uma calibra¸cão adequada do modelo seja realizada. esta pode ser feita numericamente, ou utilizando resultados experimentais de magnetostric¸cão livre e/ou sob estresse mecânico. outro ponto negativo apresentado pelas implementa¸cões do modelo jas testadas é a falta de mudan¸cas significativas do campo coercitivo com a aplica¸cão de esfor¸cos. apesar destas limita¸cões, considera-se que o modelo de jiles-atherton-sablik apresenta um grande interesse, já que permite aproximar de forma muito simples o efeito de carregamentos mecânicos sobre as propriedades magnéticas anhisteréticas e histeréticas de um material. além disso, as suas diferentes formula¸cões bem como a sua implementa¸cão em modelos de elementos finitos é relativamente simples e direta. o fato deste modelo ser limitado a condi¸cões escalares porém limita a sua aplica¸cão a análises locais e configura¸cões simples. também, é importante notar que essa limita¸cão a valores escalares pode ser parcialmente contornada gra¸cas à utiliza¸cão de formula¸cões de esfor¸cos equivalente. além disso, formula¸cões mais complexas podem ser desenvolvidas, assim como um método de calibra¸cão adequado, a fim de melhorar a acurácia do modelo. uma solu¸cão neste sentido poderia ser encontrada na utiliza¸cão das equa¸cões micromagnéticas para formular o parâmetro de magnetostric¸cão equivalente de sablik. neste sentido, a presente tese comprova a possibilidade de realizar ensaios magnetomecânicos padronizados, no caso de um campo magnético pulsante e uma carga mecânica unidirecional colinear em tra¸cão e compressão. os resultados obtidos podem ser utilizados para estudar fenômenos físicos ligados ao acoplamento magnetomecânico. também propiciam o desenvolvimento e a calibra¸cão de modelos numéricos aptos a levar em conta este fenômeno complexo em simula¸cões por elementos finitos, assim permitindo integrar o efeito desdes fenômenos físicos na concep¸cão de máquinas elétricas.
Índice de Shannon: 3.94002
Índice de Gini: 0.931649
ODS 1 | ODS 2 | ODS 3 | ODS 4 | ODS 5 | ODS 6 | ODS 7 | ODS 8 | ODS 9 | ODS 10 | ODS 11 | ODS 12 | ODS 13 | ODS 14 | ODS 15 | ODS 16 |
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ODS Predominates


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