Modelagem numérica de histerese ferromagnética acoplada ao Método de Elementos Finitos 3D: proposição do Modelo G e aprimoramento da técnica de Jiles-Atherton

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Hoffmann, Kleyton
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/205377
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2018.
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spelling Modelagem numérica de histerese ferromagnética acoplada ao Método de Elementos Finitos 3D: proposição do Modelo G e aprimoramento da técnica de Jiles-AthertonEngenharia elétricaHistereseMétodo dos elementos finitosTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2018.A utilização de modelos que representam as propriedades físicas dos materiais ferromagnéticos é um campo de estudo tradicional e, no que diz respeito à histerese, tem gerado atenção especial nas últimas décadas. Nas aplicações comuns em Engenharia Elétrica, geralmente, busca-se modelos fenomenológicos, onde apenas a representação global do fenômeno observado é o aspecto relevante. Uma das aplicações para este tipo de modelo é sua utilização acoplada ao método de elementos finitos (MEF) quando aplicado ao eletromagnetismo. No projeto de máquinas elétricas, o uso destes modelos é fundamental para prever o comportamento dos campos eletromagnéticos antes da construção dos dispositivos. Busca-se, então, otimizar esses equipamentos levando em consideração o custo de produção associado à eficiência energética máxima. Este trabalho aborda o acoplamento de modelos vetoriais de histerese com o método de elementos finitos em três dimensões. Inicialmente são estudadas as possibilidades de utilização de modelos já consolidados no meio científico. O modelo vetorial direto de Jiles-Atherton (JA) é aplicado com a formulação da permeabilidade diferencial com o objetivo de viabilizar a resolução de problemas não lineares. Este procedimento é testado com o benchmark TEAM (Testing Electromagnetic Analysis Methods) problema 32. O modelo de JA foi estendido para três dimensões a fim de obter uma representação do fenômeno mais condizente com a realidade. Na perspectiva de utilizar um modelo de histerese simples e que não tenha impacto significativo no tempo de cálculo com o MEF, propõe-se uma nova técnica. O novo modelo, batizado de Modelo G, é baseado em simples expressões analíticas que descrevem o comportamento global do material após sua caracterização. O algoritmo desenvolvido é explicado em detalhes e o método é testado com a utilização de sete funções analíticas que modelam o laço de histerese. O modelo também consegue representar os laços menores que podem acorrer dependendo da fonte de alimentação do dispositivo em estudo. O Modelo G foi acoplado ao método de elementos finitos e seu desempenho foi comparado ao modelo tradicional de JA por meio do problema TEAM 32 caso 1. A generalização vetorial e a possibilidade de realizar a modelagem de materiais anisotrópicos também é abordada em detalhes. O trabalho atingiu os objetivos propostos e foi possível divulgá-lo por meio de artigos científicos em revistas e congressos especializados da área de estudo.Abstract : The use of models able to represent the physical properties of materials, particularly the hysteresis phenomenon, is a traditional field of study in the last decades. In engineering applications generallythe representation of the global phenomenon observed is the most relevant approach. One of the applications for this type of model is the use with the finite element method (FEM) applied to electromagnetism. In the design of electric machines the models characterizing the ferromagnetic behavior are coupled with FEM, which is fundamental to predict the electromagnetic fields behavior prior to the construction of the prototypes. The aim is to optimize such devices taking into account the production costs as well as achieving maximum energy efficiency. This work deals with the coupling of vector hysteresis models with finite elements in three dimensions. Initially, the use of already consolidated models in the scientific world is considered. The direct vector model of Jiles-Atherton (JA) is applied with the differential permeability formulation with the goal of proposing nonlinear solving schemes. The procedure is tested with the benchmark TEAM (Testing Electromagnetic Analysis Methods) problem 32. The model is extended to three dimensions in order to obtain a better representation of the phenomenon. In the perspective of proposing a new model of hysteresis without any significant impact on the calculation time with the FEM, a new hysteresis model is presented. The new model, called G Model, is based on simple expressions describing the overall behavior of the material after its characterization. The algorithm developed is explained in detail and the method is tested using seven analytical functions describing the hysteresis loop. The model can also treat the minor loops that may occur depending on the power source. The G model is coupled to the finite element method and its performance is compared to the JA model through the TEAM problem 32 case 1. The vector generalization and the possibility of represent anisotropic materials is also discussed in detail. The work reached the proposed objectives and it was possible to present it to our community through scientific articles in journals and specialized conferences.Bastos, João Pedro AssumpçãoUniversidade Federal de Santa CatarinaHoffmann, Kleyton2020-03-31T13:38:40Z2020-03-31T13:38:40Z2018info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis137 p.| il., gráfs., tabs.application/pdf358752https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/205377porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2020-03-31T13:38:40Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/205377Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732020-03-31T13:38:40Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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