Para desenvolver o modelo de um motor pelo método de elementos finitos é necessário representar o motor no programa de elementos finitos, porém nem todas as características construtivas do motor são possíveis de serem representadas. A seguir seguem as características construtivas do motor de BCSS que foram modeladas neste trabalho:
• Geometria do motor em um corte radial;
• Características dos materiais que compõem o motor. – Cobre, aço-silício e isolantes elétricos;
• Nos enrolamentos do estator são detalhados:
o Número de espiras;
o Enchimento da ranhura;
o Profundidade do motor;
o Ligação das fases;
o Ligação com as fontes (terminações).
• Nos condutores do rotor;
o Condutores maciços;
o Profundidade do rotor;
o Anel de fechamento dos condutores do rotor. Detalhes da modelagem do Motor de BCSS em Elementos Finitos
A confecção da rotina que representa o motor de BCSS no programa de Elementos Finitos foi a etapa mais árida a ser cumprida, em função de falta de um procedimento
preestabelecido com a etapas necessárias para elaborar um rotina deste tipo e de informações sobre os motores.
O material de referência do programa de elementos finitos foram dissertações de mestrado, como as do Shindo [3] e Salles [8] e o tutorial do próprio programa Ansys®. Assim, para suprir essa necessidade nos futuros projetos de motores de indução, abaixo estão descritas de uma maneira resumida as etapas mínimas para a elaboração desta rotina.
Definição dos Tipos de Elementos Finitos
Devem ser escolhidos os tipos de elementos finitos a serem usados para representar cada cessão do motor. Para esta etapa deve ser levado em consideração seguintes características:
o O material de cada área (ferro magnético, ar ou condutor elétrico);
o a ligação elétrica; (esta ligado em curto-circuito ou em circuito aberto);
o se possui enrolamentos ou é maciço;
o será conectado a circuito externo.
Representação gráfica
A representação gráfica do motor foi elaborada por coordenadas cilíndricas, escolhida em função da geometria do motor, facilita o dimensionamento do modelo gráfico. Primeiramente é desenhada a região de uma ranhura do rotor e do estator (Figura 38) para então repetir essas regiões tantas vezes quantas forem necessárias para completar o desenho do motor, mostrada na Figura 39.
Figura 38 - Primeira cessão da ranhura do rotor e estator.
Figura 39 - Representação completa do motor por área.
Todo o desenho é realizado em figuras geométricas básicas (linhas, círculos, quadrados, arcos etc), sempre são estabelecidos pontos de referência e depois a figura geométrica baseada neste ponto.
Algumas características do modelo podem ser informadas no desenho de apenas uma ranhura (Figura 38) para facilitar a programação em função do número de áreas ser
menor. Neste caso foram definidos os matérias (condutores, matérias magnéticos e carcaça). Após feito isso é possível selecionar as áreas não por números e sim por características. Na Figura 40 pode ser visto um exemplo de seleção dos condutores do motor.
Figura 40 - Seleção por materiais - condutores.
Após ter-se construído todas as áreas é possível então definir a área do entreferro, pois este somente é criado com o desenho completo. Aproveitando a seleção do entreferro pode-se indicar as características materiais deste.
pequenas e que o resultado pode ser importante, para outras regiões maiores ou que os resultados não precisem de grande precisão podemos utilizar elementos maiores. Sobre a malha do entreferro é importante observar que se deve utilizar um tamanho de elemento que seja suficientemente pequeno para que seja possível existir pelo menos 4 elementos entre as fases do rotor e do estator. Evitando assim que o modelo considere que o material magnético do estator e do rotor estejam em contato. Conforme mostrado na Figura 41 a região do entreferro possui uma malha mais refinada.
Figura 41 - Malha na região do entreferro.
Definição das áreas condutoras
Os condutores têm suas características de profundidade definidas nesta etapa, são definidos também o enchimento de cada ranhura com os condutores, o número de enlaces dos enrolamentos, a direção esperada da corrente nos condutores.
Definição das condições de contorno e tipo de análise
Nesta etapa são definidas as condições de contorno do modelo EF 2D, deve ser indicado onde o potencial de tensão é zero e onde é o aterramento no circuito.
O tipo de analise estática ou harmônica deve ser definido, para a utilização de frequencias pelas fontes deve ser utilizado as análises harmônicas. Obtenção dos pontos de conexão com o modelo de Elementos Finitos.
Durante a construção do modelo de EF 2D é necessário registrar o numero de alguns nós que servirão de conexão com o circuito externo. Para isso é usada a ferramentas de seleção por tipo de material e de registro de valores.
Modelando o Circuito Externo aos Modelo em EF.
A construção do circuito externo ao modelo EF 2D é realizada através de pontos criados no espaço de trabalho do elementos finitos, assim deve-se inicialmente criar todos os pontos de conexão entre elementos (fontes, bobinas, resistores e pontos de referencia), para então localizar cada um dos elementos conforme o circuito que se quer montar. Um exemplo é mostrado na Figura 42, onde existe uma fonte conectada entre a fase A e B e a fase C esta em aberto. É mostrado um ponto de conexão e uma bobina que é utilizada para conectar o circuito externo ao modelo EF 2D utilizando o numero registrado do modelo de EF 2D.
Figura 42 - Exemplo de circuito externo.
Nesta etapa são definidas as características das fontes que irão alimentar o modelo. As fontes podem ser definidas em tensão e corrente em modulo e fase quando se esta utilizando o tipo de solução harmônica.
O registro dos números dos nós, os quais foram conectados as bobinas do estator devem ser registrados para que possa ser usado como busca de resultados no final da simulação.
No modelo EF 2D as áreas são compostas por nós que devem ser acopladas uns aos outros conforme característica do modelo de EF 2D construído. Por exemplo, uma área representará um condutor assim todos os nós desta área devem ser acoplados em corrente, ou seja, estes pontos sempre terão a mesma corrente sendo conduzida. Outro exemplo, várias áreas representam partes diferentes de um mesmo enrolamento, assim para uma ligação em paralelo, a tensão nos nós destas áreas serão o mesmos, deve-se então acoplar esses nós em tensão.
Conexão dos resistores do anel de curto do rotor
Utilizando o registro dos nós no modelo de EF2D e a construção de circuitos externos, pode-se conectar resistores nos condutores do rotor para que se possa levar em consideração, durante a simulação, o anel de curto dos condutores do rotor, conforme mostrado naFigura 43.
O modelo pode então ser resolvido, deve se escolher as frequencias que será aplicado ao modelo e desenvolver um pequeno loop para que após cada solução seja armazenado os valores que se quer analisar. A ferramenta chamada tabelas é útil para este fim, e estas são criadas relacionados aos números dos nós registrados para a medição dos resultados.
Registro dos Resultados
Ao final de todas as soluções deve-se gravar um arquivo com todos os resultados. Utilizando funções de criar arquivo e registro em colunas das medições feitas relacionadas com a frequência aplicada.
Limitações do Modelo
O motor de BCSS possui varias seções de rotores ligados em série no eixo, para compor potências elevadas é necessário a utilização de muitos rotores, adicionalmente a isso este eixo é bastante estreito sendo bastante suscetível a flambagem, o que faz necessário a utilização de mancais intermediários entre as seções rotóricas. Estes mancais deixam o estator mais comprido, logo aumentando as perdas ôhmicas e deixando uma área de campo magnético sem ação no rotor. Esta região não foi considerada no modelo desenvolvido em função da utilização de uma modelo em duas dimensões.
Outra limitação do modelo desenvolvido foi a não representação da cabeça de bobina, também em função da modelagem em duas dimensões.
Uma vez o modelo todo construído, os parâmetros de definição dos matériais e das bobinas são utilizados para um ajuste fino dos para a obtenção de resultados coerentes. Os resultados gráficos de fluxo magnético e de densidade de corrente para as frequências de 0.001, 1, 60 e 600Hz são mostrados a seguir, onde pode ser observado que para frequências baixas as linhas de fluxo atravessam o entreferro e percorrem o rotor sem indução de corrente nas barras do rotor, com o aumento da frequência começa a aparecer corrente induzida no rotor a qual tende a bloquear as linhas de fluxo vindas do estator e para frequências altas é possível observar o efeito pelicular nas barras do rotor, as quais não tem mais uma densidade uniforme de corrente:
Frequência: 0.001Hz:
A Figura 44 mostra as linhas de fluxo magnético e densidade de corrente para 0.001Hz.
Figura 44 – Linhas de fluxo magnético e densidade de corrente para 0.001Hz.
Frequência: 1Hz:
Figura 45 – Linhas de fluxo magnético e densidade de corrente para 1Hz.
Frequência: 60Hz:
A Figura 46 mostra as linhas de fluxo magnético e densidade de corrente para 60Hz.
Figura 46 – Linhas de fluxo magnético e densidade de corrente para 60Hz.
Frequência: 600Hz: