4.2 PROJETO DO ROTOR

Nesta seção são apresentados os valores dimensionados em projeto para construção dos rotores de primeira e segunda geração para MSR’s.

4.2.1 - Rotor de primeira geração com gaiola

Este modelo de rotor foi desenvolvido com cortes nas áreas interpolares do rotor de um motor de indução trifásico. De acordo com as especificações motor, é possível determinar que cada região interpolar para o rotor equivale ao espaçamento de 4 slots e para a região polar 5 slots, pois o estator apresenta 9 slots por polo. Na Tabela 4.1 são apresentados os principais parâmetros do estator do motor de indução utilizado.

Tabela 4.1 - Parâmetros do motor de indução trifásico utilizado.

Parâmetro Valor

Modelo W22 PLUS

Potência de saída nominal (kW) 1,5 (2 cv) Tensão nominal (V) 220 / 380 / 440 Corrente nominal (A) 5,98 / 3,46 / 2,99

Número de polos 4

Frequência nominal (Hz) 60 Número de slots no estator 36 Diâmetro interno do estator (mm) 93

De acordo com a dimensão do slot do motor, são realizados cortes paralelos ao eixo com 32,10 mm de arco (C1) e 10 mm de profundidade (P1). Com isso a dimensão para cada polo é de 40,12 mm de arco (C2) (Figura 4.7). A profundidade do corte (P1) é determinada de forma a não interromper por completo a gaiola de partida (em alumínio) existente no rotor, deixando-a operacional para sua utilização na partida assíncrona do MSR.

4.2.2 - Rotor de segunda geração sem gaiola

Neste projeto, é necessário saber as dimensões do rotor do MIT, o mesmo do projeto anterior, para definição do diâmetro externo do rotor, comprimento (quantidade de lâminas a serem empilhadas), diâmetro e comprimento do eixo, pois o estator não seria modificado, necessitando assim que o rotor ocupe o mesmo espaço do rotor subtituído.

4.2.2.1 - Modelos de lâminas analisados

Na etapa de projetos são analisados 3 modelos principais com diferentes geometrias de barreiras de fluxo, com algumas variações de parâmetros como espessura da barreira de fluxo, distância entre as barreias e quantidade de barreiras.

A Figura 4.8 apresenta em (a) e (b) o modelo 1, (c) e (d) o modelo 2 e (e) e (f) o modelo 3, com e sem ponte entre as barreiras de fluxo, respectivamente, todos com 3 barreiras de fluxo por polo, para um motor de 4 polos.

(a) Modelo 1 A (b) Modelo 1 B

(c) Modelo 2 A (d) Modelo 2 B

(e) Modelo 3 A (f) Modelo 3 B Figura 4.8 - Modelos de rotores para MSR’s.

As pontes entre as barreiras de fluxo são bastante utilizadas em projetos onde são necessárias barreiras de fluxo com maior resistência mecânica nas lâminas do rotor, porém as mesmas podem causar pontos de acúmulo e fuga de fluxo no rotor.

A posição de cada barreira de fluxo no rotor foi determinada de acordo com as estimativas de desempenho apresentadas em Özçelik, et al. (2016) e Choi e Lee (2007). Maiores detalhes dos cálculos são apresentados no Apêndice B.

4.2.2.2 - Análise por elementos finitos para os modelos analisados

A distribuição do fluxo magnético pela lâmina do rotor do MSR é vastamente estudada através de softwares de elementos finitos a fim de se obter a melhor distribuição do fluxo magnético de acordo com o modelo e quantidade de barreiras de fluxo inseridas no rotor. O software de análise por elementos finitos utilizado neste trabalho foi o Femm 2D (FEMM, 2017). O software de elementos finitos calcula esses valores utilizando a equação de Maxwell (TAHI, IBTIOUEN e BOUNEKHLA, 2011).

O modelo utilizado neste trabalho é definido após análise de diversas geometrias de barreiras existentes na literatura, de acordo com as respostas apresentadas para as linhas equipotenciais2 do vetor potencial magnético nas barreiras e respeitando as dimensões físicas do rotor. Foram considerados os parâmetros magnéticos do aço utilizado na produção do rotor fornecido pelo fabricante e corrente nominal do estator (6 A).

O modelo 1, Figura 4.9, apresentou resultado semelhante ao modelo 2, segundo a análise realizada por software (Femm 2D).

(a) (b)

Figura 4.9 - Modelo 1 com 3 barreiras de fluxo por polo (a) sem ponte entre as barreiras de fluxo e (b) com ponte entre as barreiras de fluxo.

O modelo sem ponte entre as barreiras de fluxo da Figura 4.9 (a), apresentou distribuição do fluxo magnético na lâmina semelhante ao modelo com ponte, Figura 4.9 (b). A representação com linhas equipotenciais do vetor potencial magnético não identificou fuga de fluxo de uma barreira para a outra através da ponte, como ocorre com outros materiais utilizados para construção de rotores.

As análises com 4 barreiras de fluxo por polo dos modelos 1 e 2 (Figura 4.10 (a) e Figura 4.12 (a), respectivamente) sem ponte entre as barreiras demonstraram resultados semelhantes, com distribuição de fluxo levemente melhor que com 3 barreiras de fluxo para os mesmos modelos, porém devido à pequena dimensão do rotor (92 mm), optou-se pelo modelo 1 com 3 barreiras em virtude da necessidade de uma melhor resistência mecânica do rotor, pois 4 barreiras deixariam a lâmina mais frágil mecanicamente que 3 barreiras.

(a) (b)

Figura 4.10 - Modelo 1 com 4 barreiras de fluxo por polo (a) sem ponte entre as barreiras de fluxo e (b) com ponte entre as barreiras de fluxo.

No segundo modelo (Figura 4.11 e Figura 4.12), o comportamento apresentado pelo fluxo é muito próximo ao do primeiro modelo e que assim como o modelo anterior, as pontes entre as barreiras de fluxo causam perturbação no caminho seguido pelo fluxo, criando pontos de maior acúmulo nas pontes.

(a) (b)

Figura 4.11 - Modelo 2 com 3 barreiras de fluxo por polo (a) sem ponte entre as barreiras de fluxo e (b) com ponte entre as barreiras de fluxo.

(a) (b)

Figura 4.12 - Modelo 2 com 4 barreiras de fluxo por polo (a) sem ponte entre as barreiras de fluxo e (b) com ponte entre as barreiras de fluxo.

No estudo do terceiro modelo (Figura 4.13 e Figura 4.14) é possível verificar o surgimento de vários pontos de concentração de fluxo nas lâminas, tanto com 3 (três) barreiras de fluxo por polo (Figura 4.13), quanto com 4 (quatro) barreiras de fluxo por polo (Figura 4.14), além dos caminhos de fluxo para este modelo precisarem ser finos para servirem no posicionamento dos polos, o que causa grande fragilidade mecânica nas lâminas do rotor.

(a) (b)

Figura 4.13 - Modelo 3 com 3 barreiras de fluxo por polo (a) sem ponte na barreira de fluxo e (b) com ponte barreira de fluxo.

(a) (b)

Figura 4.14 - Modelo 3 com 4 barreiras de fluxo por polo (a) sem ponte na barreira de fluxo e (b) com ponte barreira de fluxo.

4.2.2.3 - Definição do modelo construído

Após observação dos resultados dos modelos apresentados acima, foi definida a construção do modelo 1 com 3 barreiras de fluxo por polo sem ponte entre as barreiras devido a dificuldade de cortes em lâminas de pequenas dimensões.

Definido o modelo, de acordo com os cálculos apresentados no Apêndice B, os valores para a construção do rotor foram definidos de acordo com a Figura 4.15.

Dimensão Valor (mm) a1 6,2 b1 2,3 c1 4,6 d1 2,8 e1 6,1 f1 4,0 g1 5,0 re 15 er 1,5

Figura 4.15 - Dimensões utilizadas para corte das lâminas do rotor sem gaiola.

Com a análise do percurso do fluxo magnético no rotor, Figura 4.9 (a), é possível analisar também os pontos de menor fluxo para a colocação dos parafusos de fixação das lâminas do rotor. Assim, o rotor com os furos para parafusos de fixação e corte da chaveta para evitar o escorregamento entre as lâminas e o eixo do rotor e na Figura 4.16.

Figura 4.16 - Rotor do MSR projetado e analisado por elementos finitos.

De acordo com a Figura 4.16, observa-se que os furos e o rasgo de chaveta não interferem significativamente no fluxo magnético que percorre o rotor.

4.2.2.4 - Dimensões para construção do rotor

O rotor projetado nesta etapa do trabalho possui as mesmas dimensões externas do rotor de um motor de indução trifásico (MIT) de 2 cv com carcaça 90S (WEG). A Tabela 4.2 apresenta os valores utilizados obtidos através da medição do rotor do MIT.

Tabela 4.2 - Dimensões utilizadas na construção do rotor de segunda geração. Diâmetro externo 92 mm

Diâmetro interno 30 mm Comprimento laminado 89 mm Comprimento total do rotor 99 mm Diâmetro do eixo 30 mm Comprimento do eixo 291 mm

O eixo a ser utilizado no rotor segue o dimensionamento apresentado na Figura 4.17, que após a montagem será fixado ao estator pelo rolamento 6205z na parte frontal e o 6204z na parte traseira do motor.

Figura 4.17 - Dimensionamento do eixo utilizado no rotor do MSR.

A Figura 4.18 apresenta todas as dimensões do rotor utilizado no MSR, com os valores em milímetros.

Figura 4.18 - Dimensões do rotor utilizado no MSR (valores em mm).

Os valores determinados nesta etapa são utilizados para a construção do rotor, conforme será apresentado na seção 4.5.