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

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.The present work presents the study of an innovative robot topology that employs a permanent magnet linear electromagnetic actuator as a device responsible for motion. The robot is designed for applications with clearing of pipelines used in the extraction of crude oil in the sea. Thus, the electromagnetic actuator must be capable of producing force and moving immersed in oil inside the pipe. Therefore, a self-locking mechanism has been proposed that adapts to the structure of the actuator, which allows motion to be carried out and which can drive high loads. The design was developed considering a case study in which the internal diameter of the pipeline is 4 inches and the crude oil temperature can range from 4 to 100 °C. Thus, the robot must have a tubular shape and comply with various dimensional constraints and design requirements. Taking into account the requirements and restrictions, it was verified that, for the application, an important parameter of design is the high force density of the actuator, since it must drag, besides the own mass, the load of an umbilical cable, responsible for feeding the robot, and other monitoring equipment. The topology of the actuator was defined, based on a bibliographic study, in order to obtain high force density. Wit the purpose of evaluating the force produced by the actuator, an analytical method based on the Maxwell Stress Tensor was developed to perform the basic design of tubular or cylindrical linear actuators. A more refined analysis was performed by means of numerical simulation using the finite element method in a parametric form with ANSYS Electronics® software. In addition, since high thermal amplitude is predicted, a numerical model was implemented to evaluate the temperature field distribution and the fluid dynamics, since the displacement of the actuator inside the pipe is considered. Finally, a numerical multiphysical model was developed to evaluate the performance of the actuator considering the influence of the coupled electromagnetic and thermal phenomena. The multiphysical analysis allows to determine the limits for electric loading, consequently the capacity of force production, imposed by the maximum temperature of operation in the actuator