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- A Simple yet Effective Semi-Anechoic Chamber for the Acoustic Characterization of an LSRAPublication . Salvado, José; Calado, M. do Rosário; Espírito Santo, AntónioThis paper presents a simple and cost effective solution of a semi-anechoic chamber suitable for the acoustic noise characterization of a Linear Switched Reluctance Actuator (LSRA). Using simple construction and assembling techniques, and low-cost materials, it allows significant acoustic isolation characteristics from the environmental noise, caused by people´s activities, other machinery operation, etc. The average attenuation achieved is better than 30 dB for a noise source placed at 1 meter distance from its walls. The overall test results demonstrate an affordable yet effective semi-anechoic chamber solution, and prove its adequacy for the specific purpose of characterizing a LSRA in terms of the acoustic noise produced.
- Wavelet-Fourier Analysis of Audible Signals to Characterize the Vibrations in LSRAPublication . Salvado, José António da Costa; Calado, M. Do Rosário; Espírito Santo, AntónioThis paper proposes the analysis tools, the methodology, and the experimental setup to support the characterization of vibrations in linear switched reluctance actuators by analyzing the audio signals emitted. The analysis is performed by using two approaches: the windowed Fourier transform and the joint wavelet-Fourier which leads to a hybrid spectrum representation. The spectrum of the audible noise from the vibrations is characterized for different configurations of the actuator, and the spectral components are presented, analyzed and discussed. To evaluate the responses for these configurations, one uses either its frequency components, the spectral cross-correlation, and the Cross-Power Spectrum Density through the Welch periodogram. The reliability and the suitability of this approach are verified by comparing the experimental data with the outcomes from finite elements simulations. The proposed method enables the experimental identification of the critical vibration frequencies in LSRA.
- Caracterização e análise do ruído acústico em actuadores de relutância variável comutadosPublication . Salvado, José António da Costa; Calado, Maria do Rosário Alves; Espírito Santo, António Eduardo Vitória doOs 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.
- Using finite element method based software to teach electrical machines-The linear switched reluctance actuatorPublication . Calado, M. Do Rosário; Espírito Santo, António; Salvado, José A.; Cabrita, Carlos; Mariano, S.In this paper, the authors intend to propose a method to teach Electrical Machines in Electrical Engineering courses. The way that both in textbooks and classrooms treat this subject seems to limit students' understanding. The competences on electrical machines design and analysis are improved by a practical approach based on simulation and numerical analysis using Finite Element Method Software. As a complement to the previous teaching method, the students use an experimental test bench to verify the numerical results. A particular topic, concerning the study of the Linear Switched Reluctance Actuators, is here presented. Therefore, we propose a guideline for use in the classroom.
- An Intelligent Sensor Array Distributed System for Vibration Analysis and Acoustic Noise Characterization of a Linear Switched Reluctance ActuatorPublication . Salvado, José; Espírito Santo, António; Calado, M. do RosárioThis paper proposes a distributed system for analysis and monitoring (DSAM) of vibrations and acoustic noise, which consists of an array of intelligent modules, sensor modules, communication bus and a host PC acting as data center. The main advantages of the DSAM are its modularity, scalability, and flexibility for use of different type of sensors/transducers, with analog or digital outputs, and for signals of different nature. Its final cost is also significantly lower than other available commercial solutions. The system is reconfigurable, can operate either with synchronous or asynchronous modes, with programmable sampling frequencies, 8-bit or 12-bit resolution and a memory buffer of 15 kbyte. It allows real-time data-acquisition for signals of different nature, in applications that require a large number of sensors, thus it is suited for monitoring of vibrations in Linear Switched Reluctance Actuators (LSRAs). The acquired data allows the full characterization of the LSRA in terms of its response to vibrations of structural origins, and the vibrations and acoustic noise emitted under normal operation. The DSAM can also be used for electrical machine condition monitoring, machine fault diagnosis, structural characterization and monitoring, among other applications.
- Evaluation of the Operational Modal Responses in Linear Switched Reluctance ActuatorsPublication . Salvado, José A.; Calado, M. do Rosário; Espírito Santo, AntónioThe vibrations produced by switched reluctance drives have been studied by numerous authors, mainly for those producing rotational movement. This paper deals with the problem of vibrations produced by linear switched reluctance actuators in operation. We propose a test setup to measure and evaluate the operational responses produced by linear switched reluctance actuators. The phase current and the local accelerations are presented and analyzed, and its frequency components are evaluated and discussed concerning the natural modes obtained from a study supported by finite elements analysis. The information about the operational modal responses is important to establish the control strategies and to avoid switching frequencies close to those of the natural modes.
- Numerical Modal Analysis of Vibrations in a Three-Phase Linear Switched Reluctance ActuatorPublication . Salvado, José; Calado, M. Do Rosário; Espírito Santo, António; Guerman, AnnaThis paper addresses the problem of vibrations produced by switched reluctance actuators, focusing on the linear configuration of this type of machines, aiming at its characterization regarding the structural vibrations. The complexity of the mechanical system and the number of parts used put serious restrictions on the effectiveness of analytical approaches. We build the 3D model of the actuator and use finite element method (FEM) to find its natural frequencies. The focus is on frequencies within the range up to nearly 1.2 kHz which is considered relevant, based on preliminary simulations and experiments. Spectral analysis results of audio signals from experimental modal excitation are also shown and discussed. The obtained data support the characterization of the linear actuator regarding the excited modes, its vibration frequencies, and mode shapes, with high potential of excitation due to the regular operation regimes of the machine. The results reveal abundant modes and harmonics and the symmetry characteristics of the actuator, showing that the vibration modes can be excited for different configurations of the actuator. The identification of the most critical modes is of great significance for the actuator’s control strategies. This analysis also provides significant information to adopt solutions to reduce the vibrations at the design.