PARÂMETROS IMPOSTOS

Neste projeto os N1 + K1 parâmetros impostos são:

4.1.1 Força eletromotriz, E

No modelo proposto, é necessário impor uma estimativa inicial da força eletromotriz (E). Como existe uma queda de tensão entre a força eletromotriz e a tensão em carga, propõe-se como estimativa inicial para a E um valor ligeiramente superior ao valor eficaz desejado na tensão fase-neutro nos terminais do gerador em plena carga. Caso este valor inicial não conduza ao valor de tensão desejado nos terminais do gerador, um procedimento de ajuste, descrito em 4.2.17, pode ser realizado.

4.1.2 Densidade de corrente, J

Para o dimensionamento inicial de uma máquina elétrica é importante levar em consideração seu aquecimento. Como as dimensões da máquina ainda não são conhecidas nesta etapa do projeto, normalmente se limita a densidade de corrente para evitar sobreaquecimento da máquina. Após o dimensionamento inicial é possível verificar, através de um modelo térmico, como a máquina se

comporta termicamente e, se necessário, é possível redimensionar a máquina utilizando outro valor de densidade de corrente.

4.1.3 Fator de enchimento de ranhura, Fench

Neste projeto os condutores utilizados possuem seção circular. Este tipo de enrolamento é também conhecido como enrolamento randômico, pois devido a torções e cruzamentos entre os condutores de uma mesma bobina, a posição de cada condutor dentro de uma ranhura é aleatória, e varia ao longo do comprimento axial da máquina. Por existirem espaços entre os condutores, não é possível preencher a ranhura toda com cobre. Deve-se, portanto, considerar uma área de cobre que corresponde à uma fração da área total da ranhura, denominada fator de enchimento. Neste projeto o fator de enchimento considera apenas a área de cobre dos condutores, e não a camada de esmalte que isola os condutores nem o isolamento da ranhura.

4.1.4 Altura do pescoço (hpr), do colarinho (hcor) e da abertura da ranhura (ar)

A abertura do topo das ranhuras pode ser reta, conforme Figura 24b, ou possuir uma inclinação (fechamento da ranhura), conforme Figura 24a.

Figura 24 – (a) Principais dimensões da ranhura e (b) exemplo de ranhura com abertura reta. hr ar hpr hcor lrt lrf r (a) (b)

Máquinas com ranhuras como a indicada na Figura 24a possuem menor conteúdo harmônico e menor ondulação de torque a vazio (PYRHÖNEN; JOKINEN; HRABOVCOVA, 2009). Além disso, o fechamento das ranhuras facilita a fixação das bobinas que ficam presas nas ranhuras através de uma cunha de fechamento, que geralmente é de material isolante.

As dimensões do pescoço, hpr, e colarinho, hcor, influenciam na

indutância de dispersão da ranhura e seu correto dimensionamento pode ser realizado através de tabelas (PYRHÖNEN; JOKINEN; HRABOVCOVA, 2009). É importante considerar a abertura da ranhura, ar, na escolha da

seção dos condutores, evitando-se que os condutores possuam diâmetro maior que ar.

4.1.5 Diâmetro externo do rotor, Dre

O diâmetro externo do rotor e o comprimento do pacote estão relacionados através do volume do rotor. Para o dimensionamento inicial da máquina é necessário fixar um destes valores para se obter o outro. No entanto, geralmente é mais interessante se impor o valor do diâmetro, pois define um gerador de forma mais adequada que seu comprimento axial. Geradores com mesmo diâmetro possibilitam sua substituição sem necessidade de alteração no acoplamento entre gerador e máquina primária.

4.1.6 Tensão tangencial média no entreferro, σtan

A tensão tangencial no entreferro (conhecida como airgap shear

stress em inglês) é a força tangencial por unidade de área da superfície

do rotor. Este valor pode ser encontrado em tabelas (HENDERSHOT; MILLER, 2010), (HANSELMAN, 2003), podendo ser utilizado como uma estimativa inicial para se obter o volume da máquina, permitindo o cálculo das demais dimensões.

Ao invés da tensão tangencial média no entreferro, é possível se utilizar outros métodos para uma estimativa do volume do gerador, embora todos recaiam na utilização de tabelas, na experiência do projetista ou na comparação com máquinas semelhantes. Pode-se citar como opções o torque por unidade de volume e a densidade volumétrica de potência.

4.1.7 Induções máximas nos dentes (Bd), na coroa do estator (Bce), na coroa do rotor (Bcr) e entreferro (Bef)

A permeabilidade magnética dos materiais ferromagnéticos varia em relação à sua indução magnética. Após determinado valor de indução magnética (geralmente entre 1,5 e 1,7 T), a permeabilidade magnética se reduz consideravelmente, formando um “joelho” na curva BH do material. A partir deste valor de indução magnética, a máquina opera em saturação. Por outro lado, baixos valores de indução implicam num grande volume de material ferromagnético, o que aumenta o custo de materiais. A solução adotada é projetar a máquina de modo que a densidade de fluxo magnético seja próxima à região de saturação, ou seja, no joelho da curva.

4.1.8 Coeficiente de permeância, PC

A Figura 25 mostra a curva de operação de um ímã, a reta de carga, que parte da origem (ponto O), define o ponto de operação do ímã, Po.

Figura 25 – Definição do coeficiente de permeância, PC.

H (A/m) B (T) Br Po O Bo Ho α PC

A inclinação da reta de carga é conhecida como coeficiente de permeância, PC. Este coeficiente é geralmente utilizado em projeto de máquinas elétricas para estabelecer uma relação entre o comprimento do entreferro e a altura do ímã (HENDERSHOT; MILLER, 2010). A escolha

adequada do coeficiente de permeância também é importante para se evitar a desmagnetização dos ímãs em transitórios.

4.1.9 Relação entre o passo polar e passo do ímã, rel

O comprimento relativo do arco do ímã influencia no desempenho do gerador. O fluxo é maior quando o arco do ímã é igual ao arco polar, possuindo 180 ° elétricos. No entanto, a redução deste arco reduz o conteúdo harmônico da tensão induzida nas bobinas (HENDERSHOT; MILLER, 2010).

4.1.10 Comprimento do entreferro, cef

Como a permeabilidade magnética do aço utilizado no núcleo do gerador é alta, geralmente entre 1000 e 5000 vezes a permeabilidade magnética do ar, a maior parte da relutância do caminho magnético do fluxo está no entreferro. Por este motivo o entreferro concentra praticamente toda a energia magnética da máquina, sendo através dele que esta energia flui entre estator e rotor.

Do ponto de vista eletromagnético, um entreferro pequeno resulta numa máquina de menor volume, menor custo e maior rendimento. No entanto, vibrações e a probabilidade de existir alguma excentricidade no eixo exigem que o entreferro seja maior que um determinado valor mínimo. Este valor mínimo pode ser obtido tanto por uma análise do comportamento mecânico do gerador quanto pela comparação com máquinas semelhantes, onde o comprimento do entreferro seja comprovadamente seguro.

4.1.11 Comprimento da cabeça de bobina, Ccb

Uma espira possui uma parte na qual os condutores ficam alojados dentro da ranhura, denominada de parte reta da bobina (de comprimento igual ao do estator), e uma parte externa ao pacote de chapas, interligando duas ranhuras, esta parte é denominada cabeça de bobina e seu formato pode variar. A distância entre o pacote de chapas e o ponto mais distante dos condutores é chamada de comprimento de cabeça de bobina e possui influência direta no cálculo da indutância síncrona e na resistência do enrolamento. Máquinas com comprimento de cabeça de bobina curto tendem a possuir maior rendimento, pois reduzem as perdas no cobre. No entanto, existe um valor mínimo deste comprimento que torna possível a inserção das bobinas na máquina.

Este valor depende do método utilizado pelo fabricante, que deve ser consultado.