O presente tópico tem por objetivo apresentar alguns artigos publicados, que achou-se relevantes ao presente trabalho, referentes à análise experimental sobre ruído proveniente do sistema de ventilação e o uso da técnica de CFD, ambos aplicados especificamente a motores elétricos.
2.5.1 Análise experimental de motores elétricos.
Na análise experimental apresentada por Roy et al. (2004), foram realizadas alterações no sistema de ventilação de um motor de 15 kW que inicialmente apresentava nível de pressão sonora de 81 dB(A), eficiência de 44%, com um rotor de 290 mm de diâmetro externo e com doze pás retas.
Foram monitorados os comportamentos da vazão mássica, da velocidade (na entrada da voluta e entre as aletas da carcaça), da eficiência e do nível de pressão sonora do conjunto ventilador. Nos ensaios realizados, utilizou-se um motor elétrico de corrente contínua de forma a simplificar o cálculo da potência consumida pelo sistema, assim como se verificou a influência da presença da voluta do ventilador, realizando ensaios com e sem a utilização desta. Concentraram-se os estudos no aumento do desempenho e na redução do ruído gerado, tal como se pode ver na Figura 2.27.
As principais alterações são: mudança da forma e a redução do número das pás do rotor e alteração do formato e da área de entrada da voluta.
Figura 2.27 – Alterações propostas por Roy et al. (2004) para um conjunto ventilador de um motor de 15 kW.
Com relação às alterações nas pás do rotor, realizou-se o arredondamento das arestas das pás que inicialmente eram em canto vivo, utilizando como base o perfil aerodinâmico NACA-0012, objetivando a redução do ruído gerado pela diminuição da geração de vórtices. Também se realizou a redução de doze para nove pás, como o objetivo de aumentar a área de sucção e redução do ruído.
As alterações na forma da voluta do conjunto ventilador foram com a intenção de eliminar a área de recirculação interna de ar, aproximando as paredes internas do perfil das
pás do rotor e distanciando a entrada de ar das pás do rotor a fim de reduzir o ruído devido à freqüência de passagem. Por fim, alterou-se a forma da grade da entrada de ar aumentando a área de passagem de ar com relação ao conjunto ventilador antigo, permitindo assim aumentar o fluxo de ar.
Com todas as alterações descritas conseguiu-se um conjunto ventilador que apresentou um nível de pressão sonora de 75,5 dB(A) e uma eficiência de 61%.
2.5.2 O uso de CFD aplicado a motores elétricos.
Em princípio não se encontraram nenhum artigo disponível, específico sobre o uso de CFD na análise do ruído aerodinâmico em motores elétricos, o que vem reforçar ainda mais a necessidade de realização do presente trabalho.
Em contra partida, abaixo relata-se alguns artigos referentes ao uso de CFD em motores elétricos com ênfase na análise térmica.
A análise realizada por Liao et al. (1998) demonstra a viabilidade da utilização da técnica de CFD na simulação térmica de um motor elétrico. Ao comparar as temperaturas medidas na superfície da carcaça aletada com os valores obtidos da simulação numérica em regime permanente, encontrou uma diferença média de 10%. No entanto, em tal simulação verifica-se que a simplificação da geometria do modelo, através de simetria imposta, apesar de apresentar boa correlação nos valores de temperatura, resulta em um erro no fluxo de ar, pois impede o desenvolvimento completo do fluxo em espiral (swirl) sobre o motor.
Continuando com o mesmo procedimento de simulação térmica do motor elétrico através da técnica de CFD, Liao et al. (1999) desenvolveram um modelo tridimensional de um motor de 22,4 kW muito mais detalhado em relação ao utilizado na análise em Liao et al. (1998). Neste modelo tomou-se o cuidado em aplicar as fontes de calor, baseado no cálculo elétrico do respectivo motor, nas respectivas regiões onde estes são gerados, tal como o causado pelo efeito Joule concentrado no enrolamento do estator e nas barras do rotor.
A condutividade anisotrópica nos diversos componentes do motor também foi considerada, principalmente no pacote de chapas no rotor e estator, onde a condutividade radial é bem superior que a condutividade axial. Como resultado obteve-se uma diferença de apenas 3°C no enrolamento do estator em relação ao valor medido experimentalmente através do método da resistência.
As dificuldades encontradas em tal procedimento foram, em primeiro lugar, a geração da malha de volumes finitos, que devido ao grande número de componentes, mostrou-se bastante complexa para que possibilitasse a convergência do método numérico adotado. Em segundo lugar, foram as dificuldades em determinar as características de condutividade
anisotrópica de vários componentes do motor considerado, necessitando de alguns experimentos e também a adoção empírica de alguns valores.
Um resultado bastante expressivo é a obtenção de um desvio de apenas 3°C na temperatura do enrolamento do estator em relação ao valor medido. Este trabalho considerou um contato térmico perfeito entre o pacote de chapas do estator e a carcaça de ferro fundido. Sabe-se, no entanto, que a resistência térmica de contato entre o pacote de chapas do estator e a carcaça, sendo esta a principal região de troca de calor entre os componentes internos e a superfície externa aletada do motor, tem grande influência no resultado do modelo numérico. Acredita-se portanto que esta deficiência do modelo for contrabalanceada por alguma outra escolha de parâmetro empírico resultando em uma boa comparação com as medições.
Chen et al. (2002) desenvolveram uma sistemática de estudo do dimensionamento das aletas da carcaça de um motor elétrico, com a utilização da técnica de CFD em regime permanente e com base na simplificação extrema em simular somente uma aleta, de onde se tiraria conclusões para a definição completa do sistema de aletas da carcaça de motor elétrico em estudo.
Em tal modelo considerou-se uma velocidade de saída do fluxo de ar na voluta do motor e o fluxo de calor gerado sob a aleta com base em dados experimentais. Também se definiu que o número de Reynolds é diretamente proporcional à distância entre aletas na carcaça, tal que seria possível ter-se um fluxo em regime laminar caso a distância entre aletas atingisse certo valor. As conclusões a respeito da simulação são que quanto maior a altura da aleta, menor distância entre aletas (superior a um valor mínimo, onde o fluxo passa a ser laminar) e maior a velocidade do fluxo de ar, maior é a troca térmica.
No entanto, tais conclusões não são definitivas, principalmente, sabendo-se que ao realizar certa alteração nas dimensões ou quantidade das aletas da carcaça, altera-se a perda de carga introduzida no sistema, alterando o ponto de funcionamento do conjunto ventilador, podendo não trazer os benefícios esperados ao resfriamento da máquina elétrica.
Em outra simulação, também com o objetivo de obter uma melhor dissipação térmica do motor elétrico, Chen et al. (2003) analisaram várias simulações, através da técnica do CFD, de um sistema de ventilação, semelhante ao mostrado na Figura 1.7, sem a inclusão dos demais componentes do motor elétrico. Em tais simulações realizou-se a alteração dimensional de vários parâmetros do sistema de ventilação e verificou-se o comportamento da vazão gerada e do torque consumido pelo conjunto ventilador, o qual obteve-se um erro médio de 2% e 7% respectivamente, comparado com dados experimentais. Em tal trabalho mencionou-se o fato de que ao se reduzir em torno de 10°C a temperatura no enrolamento do
motor, a vida útil deste pode dobrar, em virtude do menor desgaste do sistema de isolação elétrica do motor.
Voigdlener (2004) apresenta uma análise de soluções do escoamento externo de um motor elétrico utilizando CFD com o objetivo principal de definir o coeficiente de convecção do conjunto de superfícies da carcaça aletada, que é utilizando em um modelo térmico híbrido que engloba todo o motor. Para resolver o escoamento Voigdlener (2004) dividiu a solução em duas partes, resolvendo inicialmente o escoamento na região da tampa defletora e rotor do ventilador, onde, adotando fluxo de massa prescrito na entrada da defletora com grade, rotação às superfícies do rotor e pressão prescrita na saída, obtém o escoamento na saída; donde resolve a segunda parte do escoamento, prescrevendo os valores obtidos na saída da tampa defletora como dados de entrada para o escoamento sobre as superfícies da carcaça aletada.
Tal abordagem de solução do escoamento apresenta a limitação de necessitar o conhecimento prévio do valor de fluxo de massa desenvolvido pelo sistema de ventilação externo, ou seja, não é uma abordagem adequada a estudos que envolvem a alteração das dimensões do sistema de ventilação, de forma que não seja possível prever o valor de vazão desenvolvido.
Observa-se na revisão bibliográfica a ausência de trabalhos analisando a geração de ruído em motores elétricos com um procedimento que combine medições e análise em CFD. Aqui, além da predição da vazão de da potência consumida, propõe-se uma metodologia de previsão de ruído usando CFD e compara-se com medições para um determinado motor elétrico. O motor elétrico em análise sofre, porém, algumas simplificações do ponto de vista experimental a fim de facilitar as medições desejadas. A metodologia adotada e o aparato experimental utilizado são descritos a seguir.
3 METODOLOGIA
A seguir é apresentado um panorama geral da metodologia adotada para a avaliação do sistema de ventilação do motor elétrico fechado e autoventilado:
• Definição do critério de eficiência do sistema de ventilação; • Descrição do aparato e método experimental;
• Seleção das configurações dos rotores a serem ensaiadas; • Simulação em CFD das configurações ensaiadas;
• Análise comparativa dos resultados experimentais e numéricos.
Portanto, neste trabalho, será aplicada uma metodologia de solução numérica do escoamento no rotor, suplementada por resultados medidos experimentalmente e por teorias bem estabelecidas na literatura, discutidas no Capítulo 2. Os experimentos também servirão para validar os resultados obtidos numericamente.
As medições foram realizadas no Laboratório de Pesquisa & Desenvolvimento da WEG Equipamentos Elétricos S/A – Motores no período de junho/2006 a agosto/2007.
A seguir, descreve-se os sub-tópicos da metodologia adotada.