Estudo multifísico de atuador eletromagnético linear para robô de desobstução de tubulações

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Wu, Yi Chen
• Orientador(a): Eckert, Paulo Roberto
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Atuador eletromagnético; Ímãs permanentes; Robôs industriais; Ansys (Programa de computador)
• Palavras-chave em Inglês: Linear electromagnetic actuator; Permanent magnet linear actuator; Pipe inspection robot; High force density; Multiphysical study; Tubular actuator
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/201556

O presente trabalho apresenta o estudo de uma topologia inovadora de robô que emprega um atuador eletromagnético linear a ímãs permanentes como dispositivo responsável pela locomoção. O robô é destinado a aplicações de desobstrução de tubulações utilizadas na extração de petróleo no mar. Logo, o atuador eletromagnético deve ser capaz de produzir força e se locomover imerso em óleo dentro da tubulação. Portanto, foi proposto um mecanismo de autotravamento que se adapta à estrutura do atuador, que permite realizar a locomoção e que pode tracionar cargas elevadas. O projeto foi desenvolvido considerando um estudo de caso no qual o diâmetro interno da tubulação é de 4,0 polegadas e a temperatura do óleo pode variar de 4 a 100 °C. Assim, o robô deve ter formato tubular e obedecer a diversas restrições dimensionais e requisitos de projeto. Diante dos requisitos e restrições verificou-se que, para a aplicação, um parâmetro importante de projeto é a alta densidade de força do atuador, pois este deve tracionar, além da própria massa, a carga de um cabo umbilical responsável por alimentar o robô e outros equipamentos de monitoramento. A topologia do atuador foi definida, baseada em estudo bibliográfico, a fim de se obter elevada densidade de força. Para fins de avaliação de força produzida pelo atuador, foi desenvolvido um método analítico baseado no Tensor de Maxwell para realizar o dimensionamento básico de atuadores lineares tubulares ou cilíndricos. Uma análise mais refinada foi realizada por meio de simulação numérica com método dos elementos finitos de forma paramétrica utilizando a ferramenta computacional ANSYS Electronics®. Adicionalmente, como é prevista uma elevada amplitude térmica, um modelo numérico foi implementado para avaliar a distribuição do campo de temperatura e a dinâmica do fluido, pois é considerado o deslocamento do atuador dentro do mesmo. Por fim, foi desenvolvido um modelo multifísico numérico que possibilita avaliar o desempenho do atuador considerando a influência dos fenômenos eletromagnéticos e térmicos acoplados. A análise multifísica permite determinar os limites de carregamento elétrico, consequentemente a capacidade de produção de força, impostos pela máxima temperatura de operação no atuador.