Fontes de Aquecimento

Sendo o foco central deste trabalho a temperatura dos motores de indu¸c˜ao trif´asicos, ´e imperativo o entendimento da origem das fontes de aquecimento in- ternas do MIT. Diante dessas considera¸c˜oes, descrevem-se a seguir as fontes de calor intr´ınsecas desses motores.

2.3.4.1 Perdas Joule nos Condutores

As perdas Joule correspondem a maior fonte de calor da m´aquina e s˜ao gera- das pela circula¸c˜ao de corrente nos elementos resistivos do motor, principalmente, nos condutores pertencentes ao enrolamento do estator e nas barras do rotor. Es- sas perdas sofrem grande influˆencia do efeito Pelicular (ou Skin Effect) e do efeito proximidade.

O fenˆomeno chamado de Efeito Pelicular tem origem na varia¸c˜ao da relutˆancia do circuito magn´etico, principalmente nas proximidades do entreferro, causando um enlace maior de linhas de fluxo no centro do condutor do que em sua superf´ıcie.

Com isto, a indutˆancia do centro ´e maior que a da superf´ıcie, o que reduz a corrente na parte central do condutor. Esta distribui¸c˜ao n˜ao uniforme de corrente faz com que a resistˆencia em corrente alternada se torne maior.

O Efeito Proximidade ´e causado pela intera¸c˜ao dos campos magn´eticos dos con- dutores mais pr´oximos que gera uma distor¸c˜ao na distribui¸c˜ao das densidades de correntes nos pr´oprios condutores e altera o valor da resistˆencia el´etrica. Embora este efeito esteja intimamente associado `a circula¸c˜ao de correntes alternadas em condutores, ele n˜ao ´e t˜ao significativo quanto o efeito pelicular, principalmente, com rela¸c˜ao ao circuito do rotor, por se tratar de barras, ou seja, se¸c˜ao transversal significativa.

2.3.4.2 Perdas no N´ucleo Magn´etico

Sabe-se que qualquer material ferromagn´etico sujeito a densidades de fluxo vari´aveis no tempo apresenta um consumo de energia na forma de perdas magn´eticas no ferro. Essas perdas no n´ucleo exercem influˆencia significativa no aquecimento global do mo- tor, e podem ser definidas como a soma das perdas pelas correntes parasitas e pelas perdas por Histerese.

As Perdas por Foucault ocorrem devido a varia¸c˜ao do fluxo magn´etico que induz tens˜oes no pr´oprio n´ucleo. Essas tens˜oes geram a circula¸c˜ao de correntes no ferro, e devido `a resistˆencia pr´opria do material magn´etico, h´a uma gera¸c˜ao de calor pro- vocada por um efeito semelhante ao Joule. Para diminuir o efeito dessas correntes, os n´ucleos magn´eticos de transformadores e dos m´aquinas el´etricas s˜ao constru´ıdos com lamina¸c˜oes dispostas normalmente `a dire¸c˜ao das correntes induzidas, e isoladas entre si, de modo a n˜ao permitir a passagem da corrente de uma lˆamina para a outra.

As Perdas por Histerese est˜ao associadas ao comportamento n˜ao linear do ma- terial constituinte do n´ucleo magn´etico. Quando um campo magn´etico alternado ´e aplicado, uma parcela do calor ´e gerada internamente como consequˆencia de um fenˆomeno semelhante a um ”atrito”entre os dipolos magn´eticos que se movimentam no sentido de acompanhar as varia¸c˜oes do campo alternado.

A Figura 2.2 ilustra os dipolos magn´eticos dispostos aleatoriamente. Quando o material ´e submetido a um campo magn´etico, os dipolos se alinhar˜ao na mesma dire¸c˜ao do campo, caracterizando o que se denomina por magnetiza¸c˜ao do material. Quanto mais intenso o campo aplicado, maior ser´a o n´umero de dipolos que estar˜ao na mesma dire¸c˜ao.

Devido as varia¸c˜oes do campo magn´etico, quando ele muda a dire¸c˜ao, os dipolos magn´eticos ir˜ao seguir essa nova orienta¸c˜ao. No entanto, uma parcela dos dipolos

Figura 2.2: Estrutura do material magn´etico, mostrando os dom´ınios

n˜ao segue essa dire¸c˜ao e n˜ao retorna `a situa¸c˜ao inicial. Esse atraso na desmag- netiza¸c˜ao origina o conhecido la¸co de histerese. A Figura 2.3 mostra a curva de magnetiza¸c˜ao resultante da a¸c˜ao do campo magn´etico alternado em um n´ucleo.

Figura 2.3: Ciclo de histerese t´ıpico.

A ´area interna ao la¸co de histerese significa as perdas inerentes ao processo, as quais s˜ao proporcionais a frequˆencia do campo aplicado e a densidade de fluxo magn´etico (KOSTENKO; PIOTROVSKI, 1974) (TORO, 1994).

2.3.4.3 Perdas Suplementares – Stray-Losses

As perdas adicionais na m´aquina de indu¸c˜ao s˜ao compostas, basicamente, pelas seguintes componentes: perdas adicionais no n´ucleo magn´etico; perdas por correntes parasitas nos condutores do enrolamento do estator e nas barras do rotor e perdas ocasionadas nas demais estruturas met´alicas do motor.

As causas desses efeitos s˜ao, essencialmente, a distribui¸c˜ao n˜ao uniforme de cor- rente nos condutores e as distor¸c˜oes presentes no fluxo magn´etico principal. Esses fatos geram perdas apreci´aveis no n´ucleo magn´etico pr´oximo `a superf´ıcie do entre- ferro. Adicionalmente, com o carregamento do motor, o fluxo de dispers˜ao aumenta significativamente, agravando os problemas acima citados, contribuindo para o sur- gimento de perdas complementares nas demais estruturas met´alicas do motor.

e as formula¸c˜oes anal´ıticas propostas exigem o conhecimento de detalhes inerentes `

a constru¸c˜ao dos motores de indu¸c˜ao. Diante disso, v´arias normas e recomenda¸c˜oes nacionais e internacionais consideram as perdas suplementares como sendo iguais a 0,5 % da potˆencia nominal da m´aquina (ABNT, 1982).

2.3.4.4 Perdas por Atrito e Ventila¸c˜ao

Por n˜ao estarem relacionadas com grandezas el´etricas do motor, as perdas por atrito e ventila¸c˜ao s˜ao usualmente referenciadas como perdas mecˆanicas.

As perdas por atrito dependem da press˜ao dos rolamentos, da velocidade pe- rif´erica do eixo e do coeficiente de atrito dos rolamentos. Via de regra, as mesmas n˜ao sofrem influˆencia das condi¸c˜oes operacionais do motor.

Assim como as perdas por atrito, as perdas por ventila¸c˜ao n˜ao dependem dire- tamente da qualidade do suprimento el´etrico do motor. Essas perdas relacionam-se com a velocidade perif´erica do rotor, o diˆametro e o comprimento do n´ucleo. No entanto, deve-se ressaltar que a opera¸c˜ao da m´aquina em velocidades abaixo da no- minal resulta na redu¸c˜ao da capacidade do ventilador em retirar calor da m´aquina, levando a mesma a um sobreaquecimento. Assim, na avalia¸c˜ao t´ermica de MITs, essa vari´avel deve ser considerada nos c´alculos de temperatura e de vida ´util.

Para expressar essas perdas, pode-se empregar resultados experimentais – os quais permitem a separa¸c˜ao das perdas por atrito e ventila¸c˜ao – ou, alternativa- mente, considerar essas perdas iguais a um determinado percentual da potˆencia nominal do motor.