Electromagnetic study of a variable inductor controlled by a DC current

Abstract

Energy efficiency regulations and the pursuit of more efficient power control systems increased the demand for research on Variable Inductor (VI), in the recent years. As the name indicates, a variable inductor is a device capable of varying its own inductance. This thesis presents a thorough electromagnetic analysis of the operation of double E-shaped Linear Variable Inductors (LVI). In the studied VI topology, a DC current is used to control the inductance of the VI through a series of electromagnetic phenomena. Therefore, to conduct the electromagnetic analysis a Finite Element Analysis (FEA) software is used. Some 3D VI models are built in the software and studied throughout this thesis. The obtained FEA results are analysed and compared with different models and experimental results. A critical analysis to the magnetic permeability concept is also described in this thesis. The magnetic permeability is proved to be inefficient to analyse multi-sourced non-linear magnetic systems. The former is then replaced by the differential magnetic permeability which, in turn, is shown to be the property that best characterizes the magnetic behaviour of any system. In the past thirty years some research into linear variable inductors has been conducted. However no model has been found to predict the inductance variation capability of VIs, in advance. This has brought several problems to VI designers, since they had to build the VI first and, only then, test its inductance variation. This constitutes a major drawback in in the choice of the variable inductor technology over others. In this master thesis an improved reluctance model that solves this classic problem is presented. It also presents an improved design methodology that calculates the VI parameter configuration that best fits the user desires. Finally, a software model of this improved design methodology is showed. The software allows any designer to know the best configuration for their VI in just few minutes, or even seconds.

Nos últimos anos, as normas de eficiência energética e a procura por sistemas de controlo de energia mais eficientes têm aumentado a investigação sobre bobinas variáveis. Como o próprio nome indica, uma Bobina Variável (BV) é um dispositivo capaz de variar a sua própria indutância. Esta tese apresenta uma análise eletromagnética detalhada sobre o funcionamento de Bobinas Variáveis Lineares (BVL) de núcleo duplo tipo E. Na topologia estudada, é usada uma corrente DC para controlar a indutância da BV através de uma série de fenómenos eletromagnéticos. Para estudar o comportamento eletromagnético é usado um Software de Elementos Finitos (SEF). Para isso são construídos e estudados, no software, modelos em 3D da BV. Os resultados obtidos pelo SEF são analisados e comparados com os resultados de outros modelos de BVs e com resultados experimentais. Nesta tese também é feita uma crítica ao conceito de permeabilidade magnética. Esta demonstrou ser inadequada para analisar corretamente circuitos magnéticos não lineares que tenham mais do que uma fonte magnetomotriz. Verificou-se que a solução passa por substituir o conceito de permeabilidade magnética por permeabilidade magnética diferencial, que por sua vez demonstrou ser a propriedade que melhor caracteriza o comportamento magnético de qualquer sistema. Nos últimos trinta anos tem-se realizado alguma investigação no campo dos BVLs. Contudo, não foi encontrado nenhum modelo capaz de prever, com antecedência, o valor da variação da indutância de uma BV. Isto tem trazido vários problemas aos projetistas de BVs, uma vez que estes têm de montar a bobina em primeiro lugar e só depois testar a sua variação de indutância. Este processo representa uma grande desvantagem na escolha desta tecnologia em vez de outras. Nesta tese de mestrado é apresentado um modelo de relutância melhorado que resolve este problema clássico. Também apresenta uma metodologia de construção capaz de calcular a configuração de parâmetros da BV que melhor se adequa à necessidade do projetista. Por último, é mostrado um modelo de software baseado nesta metodologia. O software possibilita a qualquer pessoa projetar uma BV com as características desejadas em apenas alguns minutos ou até segundos.