Tendo em vista a ampla utilização do MEF para diversas finalidades, alguns softwares comerciais foram desenvolvidos para resolver problemas físicos utilizando tal método. Para realização da presente tese, usou-se a ferramenta utilizada é o software comercial COMSOL Multiphysics. Este é um software para modelagem de sistemas físicos com base no Método de Elementos Finitos. Este software facilita as etapas do processo de mo- delagem, mediante uma interface que permite obter uma solução através da combinação de vários fenômenos físicos. O processo é realizado por uma modelagem que é defi- nida através dos seguintes passos: a criação de uma geometria, uma especificação física, criação de uma malha, a escolha de tipos de estudos e a visualização dos resultados.
Antes de qualquer analise é preciso a validação do modelo, pois, para construir um modelo usando o MEF é muito complexo e exige um esforço enorme do analista e como a solução de modelos complexos é algo que demanda uma grande quantidade de tempo, é importante verificar se o modelo foi desenhado de forma correta.
Basicamente o software é composto de três etapas, conforme apresentado no diagrama de blocos da Figura 4.3.
Figura 4.3: Etapas do software Computacional
Pré-Processamento: No pré - processador cria-se o ambiente físico, ou seja, constrói- se o modelo a ser analisado através da entrada de dados de sua geometria; determina as propriedades dos materiais; associa-se os materiais à sua geometria e gera-se a malha.
A seguir é apresentada a descrição detalhada da etapa de pré-processamento passo-a- passo:(Oliveira & others 2013)
• Escolhe-se o tipo de análise: Essa escolha implica em definir as físicas que serão ativadas na simulação, criação de uma lista prévia dos parâmetros que devem ser
CAPÍTULO 4. MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS 49
configurados antes do inicio da simulação propriamente dita;
• Especificação das propriedades do material: uma vez que a geometria foi definida, as propriedades de cada material precisam ser definidas;
• Delimita-se o domínio computacional:Especifica o espaço computacional, ou seja, qual será seu domínio computacional analisado. O domínio computacional deve delimitar uma região onde será gerada a malha e simulado o problema;
• Elabora-se a geometria do problema a ser analisado: aqui são usadas juntos com ferramentas de CAD para este fim;
• Especificam-se as condições de contorno: esta etapa estabelece as condições de contorno da estrutura no que diz respeito a natureza das fontes de energia para além do espaço computacional, ou seja, quais são as condições de contorno que devem ser utilizadas para simular a extensão espacial a partir das arestas do domínio; com- putacional ao infinito
• Escolhe-se o tipo de malha: uma vez que o objeto foi criado, deve escolher do tipo de malha que vai definir a forma de discretização (divisão) do espaço computacio- nal.Existem opções para gerar a malha de forma totalmente automática ou de forma controlada pelo usuário;
• Determinam-se o número de passos e o degrau dos passos das variáveis de entrada: os passos e o degrau dos passos das variáveis de entrada determinam o número de interações que o software irá realizar para concluir a gama de possibilidades dentre todos os valores que as variáveis de entrada irão assumir durante a simulação; • Declara-se o tipo de estudo: Mostra uma variedade de estudos pré-estabelecidos
pelo programa, que contém o tipo de solução e a configuração da equação que corresponde a cada uma das físicas previamente selecionadas.Os diferentes estudos incluem um ou vários tipos de solução. Aqui é enfatizado universalmente, nos estudos básicos: Estacionário; Dependente do tempo; Tempo discreto; domínio da frequência.
Processamento: A segunda etapa de atividades a serem executadas em qualquer si- mulação por análise dos elementos finitos é conhecida e definida na literatura técnica
CAPÍTULO 4. MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS 50
como processamento. Aqui o modelo é resolvido de fato, com base nos parâmetros e variáveis definidas no pré-processamento. Dependendo das definições e parametrização definida na etapa de pré-processamento o software tomará caminhos distintos para a re- solução do problema.
Se o processador roda um número pré-determinado de iterações ou a solução con- verge, uma solução numérica será obtida. Esta etapa pode demorar desde minutos a várias horas.
O software de MEF irá automaticamente: − Montar as matrizes de cada elemento; − Montar a matriz do sistema global;
− Reduzir a matriz global com o uso das condições de contorno; − Resolver o Sistema.
Pós-Processamento: O objetivo desta fase é fornecer ao usuário a visualização mais clara possível da solução obtida. É onde computação gráfica atua de forma importante em MEF. Alguns resultados são mostrados em forma de gráficos pelo próprio software ( COMSOL Multiphysic ), bem como, seus valores das variáveis são disponibilizados para outras formas de investigação (2D/3D). Lembrando que os dados apresentados nesta etapa são definidos previamente como variáveis de saída na etapa de pré-processamento.
Capítulo 5
Modelo do Regulador Eletromagnético
5.1
Introdução
Esse capítulo apresenta os detalhes da implementação do modelo do regulador eletro- magnético de frequência através do método de elementos finitos. O objetivo deste modelo é calcular o torque eletromagnético e as perdas nos enrolamentos do rotor do motor.
A consideração dos efeitos da mudança do domínio ao longo de sua profundidade nos leva à utilização de métodos de cálculo em três dimensões. Porém, cálculos pelo método de elementos finitos em 3D possuem dificuldades de diversas origens. Inicialmente, o setor de pré-processamento é de difícil confecção. A descrição geométrica de uma estru- tura em 3D é tarefa complexa e criar um sistema que permita ao pesquisador um diálogo simples e eficaz requer muito esforço de implementação e posterior grande esforço com- putacional de processamento. Desta forma, métodos de análise em duas dimensões que incorporam em seu modelo fenômenos tridimensionais continuam a ser desenvolvidos e aplicados com sucesso. Estes métodos apresentam vantagens se comparados aos métodos de cálculo 3D, como o aproveitamento do pré-processamento já desenvolvido para os ca- sos tradicionais e tempo de processamento reduzido. A modelagem do REF analisada foi retida ao espaço bidimensional.
Além disso, as barras do rotor foram parcialmente representados através da interliga- ção das ranhuras por resistores. A rotação do rotor é representada no modelo. Assim, o efeito do escorregamento no valor das correntes induzidas no rotor foi levado em con- sideração. A análise é efetuada com uma alimentação senoidal trifásica equilibrada. Os
CAPÍTULO 5. MODELO DO REGULADOR ELETROMAGNÉTICO 52
enrolamentos trifásicos são colocados nas ranhuras do estator, distribuídas de forma a criar um campo magnético girante.