Origem e Caracterização das Vibrações e do Ruído Acústico

No caso concreto das máquinas de relutância variável comutadas, Cameron et. al. [39] propõem um conjunto de possíveis fontes de ruído, com base nos resultados obtidos de um conjunto de nove experiências realizadas. Este trabalho constitui uma primeira abordagem para a caracterização das vibrações neste tipo de máquinas, tendo por base um MRVC na configuração 8/6. As conclusões deste estudo apontam as deformações na estrutura do estator, causadas por acção das forças de atracção radiais, como sendo a principal causa das vibrações.

Em trabalhos subsequentes R. Colby, F. Mottier e T. Miller [40] e P. Pillay e W. Cai [41], ambos baseados em motores de relutância com uma configuração idêntica (8/6), concluem no mesmo sentido quanto às fontes e causas das vibrações. Estes trabalhos seguem uma metodologia sistemática de avaliação e caracterização das vibrações. Numa primeira fase faz-se a avaliação das frequências naturais e das formas modais das vibrações, por simulação numérica, com recurso ao método dos elementos finitos (FEM - Finite-Elements Method). Os resultados obtidos pelas simulações são posteriormente avaliados experimentalmente para validação. Em [40] consideram-se apenas simulações estruturais a duas dimensões (2D) pelo FEM.

Na validação experimental realizam-se ensaios estáticos tendo como fonte de excitação dos modos naturais impulsos periódicos com 5 ms de duração e repetição à frequência 30 Hz, gerados por activação de uma das fases do motor. A estrutura do estator é instrumentada com acelerómetros colocados directamente sobre o pólo da fase a activar e sobre os pólos das fases adjacentes. Esta metodologia é melhorada em [41] com a realização de simulações pelo FEM para o modelo estrutural a 3D e do comportamento magnético 2D, e complementada com a avaliação da influência de laminados e de estruturas do estator com estrias. Este último aspecto, em particular, motiva um outro estudo dos mesmos autores [42], no qual se faz a avaliação e a comparação das vibrações num MRVC 8/6 para três configurações da estrutura do estator, com e sem estrias para arrefecimento.

No essencial as origens das vibrações em MRVC são comuns às das máquinas eléctricas em geral, existindo, no entanto, alguns factores e fontes específicas. Com base em trabalhos de referência publicados sobre este tema, em particular [39], [40]–[43] e [44]–[46], é possível identificar as fontes das vibrações e do ruído acústico em MRVC e cujas origens se atribuem aos seguintes fenómenos:

▪ À elevada concentração de fluxo magnético nas regiões de entreferro que causa forças de atracção entre as partes móveis e fixas, e que podem excitar as frequências naturais da estrutura;

▪ À distribuição não uniforme do fluxo magnético ou devido aos processos de magnetostricção nos laminados, caso se aplique;

2.4 Estado da Arte das Vibrações em Actuadores de Relutância

▪ Às variações de corrente de excitação, decorrentes das tipologias de controlo e pela interacção entre as forças de atracção e de regeneração, que causam ripple nas forças produzidas;

▪ Às vibrações localizadas devido às interacções com os campos magnéticos locais, causadas pelas correntes nos enrolamentos;

▪ Às assimetrias e às imperfeições mecânicas na geometria dos componentes das máquinas, decorrentes dos processos de fabrico e de montagem dos componentes que constituem o circuito magnético, em particular nas regiões de entreferro;

▪ Às saliências, tanto das partes fixas como das partes móveis, as quais actuam como arestas ou superfícies cortantes sobre o ar e que, por isso, produzem ruído acústico; o mesmo se aplica às pás dos ventiladores acoplados ao veio, para arrefecimento; ▪ À não uniformidade nas características dos materiais, que podem causar desequilíbrios

de massas com repercussões nos processos e nas grandezas mecânicas;

▪ A eventuais situações de não balanceamento dinâmico do veio ou nos mecanismos de acoplamento de cargas, em particular nos rolamentos e chumaceiras, e também por não uniformidades dos materiais que os constituem.

Existem várias contribuições científicas sobre vibrações em máquinas de relutância variável, em particular sobre a configuração rotativa, que de uma de forma sistemática visam a sua análise e caracterização, bem como do ruído acústico. Esses trabalhos focam a caracterização das vibrações em termos mecânicos, em regimes estáticos e dinâmicos, incluindo a influência do acoplamento de cargas [47], e as caracterizações electromagnética [48] e térmica [49].

São cinco os métodos referenciados que permitem determinar as frequências naturais em MRVC e que podem ser agrupados em três categorias [50]. O método teórico e clássico, designado por Leis de Jordan, segundo o qual o cálculo se faz por via analítica com base em modelos 2D. Este método tem, por isso, uma aplicação muito restrita sendo apenas considerado para estruturas simples. Na segunda categoria, para estruturas mais complexas, destacam-se os métodos numéricos pelo FEM, que tem uma vasta aplicação. No terceiro grupo encontram-se os métodos experimentais para determinação das características do sistema pela resposta ao impulso, em regime transitório, ou através da função de transferência da resposta em frequência, para regime forçado. Neste grupo a excitação pode ser externa, por aplicação de forças de impacto (hammer-test), através de vibradores electrodinâmicos (shaker), ou interna, através dos regimes de excitação magnética da máquina.

De um modo geral os modos de vibração e as frequências naturais são estimados através de simulações numéricas pelo FEM e avaliadas posteriormente por métodos experimentais, com recurso a equipamento de instrumentação e medida e de aquisição e registo de dados como por exemplo em [39]–[41], [51], [52]. Além disso, a maioria dos trabalhos publicados apontam as forças radiais de atracção como factor dominante na excitação dos modos de vibração

Capítulo 2. Conceitos Fundamentais e Estado da Arte

estruturais. A predição das forças radiais de atracção e a sua influência nas vibrações faz-se igualmente por métodos numéricos [52]–[57].

Na análise e caracterização considera-se ainda a correlação entre as vibrações e o ruído acústico, sendo essa avaliação feita a partir do conteúdo espectral dos sinais acústicos [44], [46] em função dos regimes de funcionamento e das técnicas de controlo [58]–[60]. As perturbações decorrentes do ruído acústico emitido e a relevância dos parâmetros de avaliação de qualidade do som enquadram-se no domínio da psicoacústica. As implicações destes factores na utilização das máquinas de relutância são avaliadas objectivamente em [45], [61].

Além da análise e caracterização das vibrações em MRVC, outras contribuições científicas propõem soluções para reduzir ou resolver o problema, considerando os aspectos estruturais, tanto ao nível da geometria como da influência dos materiais, e as técnicas de controlo.