DESAFIOS EM PROJETOS BASEADOS NA APLICAÇÃO

O campo de projeto e análise de máquinas elétricas visando atender requisitos cada vez mais rigorosos motivam atenção tanto da academia, explorando novos paradigmas, quanto da indústria, viabilizando esses esforços em produtos. Além da busca por um sistema de acionamento mais eficiente, critérios como densidade de torque motivam a adoção de topologias diferentes das mais convencionais, isto é:

máquinas de corrente contínua, de indução ou síncrona. Esses aspectos acabam oferecendo um campo fértil para o desenvolvimento de novas ferramentas, capazes de caracterizar o desempenho eletromagnético de máquinas elétricas e otimizando sua operação conforme a aplicação desejada.

Para máquinas elétricas de alto rendimento, além da utilização de um maior critério na seleção dos materiais, a adoção de modelos computacionais juntamente com ferramentas de otimização permite ao projetista ajustar parâmetros que modelos analíticos convencionais não são capazes de representar. Métodos analíticos, usados

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em projetos de máquinas tradicionais, são baseados em aproximações e dados empíricos para obter o desempenho desejado com menor custo. Assim, carecem da flexibilidade para avaliar diferentes topologias, balanceando os diversos parâmetros elétricos, mecânicos e térmicos para um projeto ótimo para determinada aplicação (BRAMERDORFER et al., 2018).

Essa necessidade de avaliar uma máquina elétrica sob os aspectos elétrico, mecânico e térmico requer modelos adequados, pois os parâmetros de projetos estão restritos a fatores físicos subjacentes, tais como propriedades dos materiais, perdas, capacidade de arrefecimento, entre outros (ZHANG; HARAN, 2016).

O projeto de máquinas elétricas que atenda a especificidades de uma aplicação, tanto em termos de desempenho quanto de eficiência, estabelece uma série de desafios novos para o modelo eletromagnético. As topologias que suprem esses requisitos, geralmente utilizando ímãs permanentes, não permitem simplificações no cálculo de campo, onde os fluxos de dispersão não podem ser dissociados do caminho de magnetização principal (PYRHONEN, 2013). Além disso, a geometria dessas máquinas resulta em uma distribuição de campo ao longo do entreferro cujo perfil implica em torques pulsantes, e que podem ocorrer mesmo sem excitação externa.

A literatura mostra como esses desafios refletiram na aplicação de modelos mais detalhados. Alguns trabalhos no Brasil podem ser citados.

Geisel (2007) propõe a aplicação de motor de corrente contínua de ímãs permanentes operando em alta rotação aplicada a um compressor hermético. O modelo analítico desenvolvido permite uma análise rápida, avaliando os efeitos de dimensões globais sobre o desempenho da máquina. Porém, esse modelo não permite caracterizar a oscilação de torque, sendo realizada por métodos numéricos.

Pompermaier (2009) aborda um atuador linear para aplicação em compressores herméticos. Para a topologia estudada, um motor linear tubular a ímã permanente, é discutida a importância em avaliar os fluxos de dispersão e espraiamento devido a um maior entreferro efetivo. Além disso, a força desenvolvida possui uma significativa dependência com a posição do linor. Foi necessário, então, a adoção de um modelo híbrido, um modelo analítico associado ao método dos elementos finitos.

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Camargo et al. (2012) avaliam duas topologias para utilização em um dispositivo de assistência ventricular implantável. Por questões de confiabilidade, eficiência e dimensões reduzidas, a topologia escolhida foi do motor de corrente contínua de ímãs permanentes. Também, visando eliminar qualquer força pela interação entre os ímãs e a estrutura do núcleo (torque de retenção), a configuração sem núcleo (coreless) é utilizada. Além disso, para evitar contaminação, foi projetado um mancal magnético para o acionamento. Assim, visando evitar condições que causem instabilidade na operação do mancal, para a análise de desempenho do motor são avaliadas forças axiais desenvolvidas.

Neumann (2016) apresenta um projeto de um gerador a ímãs permanentes de fluxo radial com duplo rotor para aproveitamento da energia das ondas. As características operativas, com movimento rotórico oscilatório e de baixa velocidade, e construtivas requerem um modelo mais preciso para o cálculo de distribuição de campo. Um ponto importante avaliado, pois pode inviabilizar o projeto da máquina, é o torque de retenção (cogging torque). É discutido que modelo adotado deve ter capacidade para representar esse efeito.

Kölzer (2017) aplica uma metodologia para projeto ótimo de máquinas síncronas com ímãs permanentes a diferentes topologias para pequenos aerogeradores. Nesse trabalho, também é ressaltada a necessidade de reduzir o torque pulsante como objetivo de projeto. Também, mostra que modelos acoplados a algoritmo de otimização determinístico, baseado em gradientes, oferece uma solução ótima com tempo reduzido.

Rocha (2019) desenvolve um modelo orientado à otimização, sendo adotado no projeto de um motor de corrente contínua de ímãs permanentes para aplicação industrial. A caracterização do desempenho eletromagnético é fundamentada em equações analíticas e em redes de relutâncias. Esse procedimento oferece resultados rápidos, mas é incapaz de representar o comportamento não ideal da máquina, tais como torque pulsantes e desvios no perfil da força eletromotriz.

Rodrigues (2019) apresenta um modelo numérico para projeto e otimização de um moto-gerador de pistão livre para aplicação veicular. Para derivação dos resultados do gerador tubular a ímã permanente com polos salientes, é discutida a necessidade de um modelo com capacidade para caracterizar um ambiente

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multidisciplinar, balanceando precisão dos resultados com custo computacional.

Também, o surgimento de máquinas de alta precisão impõe maior exigência sobre o método para cálculo das distribuições de campo magnético no interior da máquina.

Estes trabalhos mostram alguns exemplos de projetos de máquinas elétricas dentro do contexto nacional. Conforme discutido pelos autores, a metodologia para caracterizar a distribuição de campo deve ser capaz de representar fenômenos como torque pulsante e fluxos de dispersão. Isso é crítico em topologias como as que adotam ímãs permanentes ou que usam relutância variável como forma de produção de torque. Também, dentro do contexto de projetos focados em alto desempenho e elevada eficiência, é interessante buscar ferramentas com custo computacional reduzido visando sua adoção em rotinas de otimização.