UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO CENTRO DE ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA JEAN CARLOS LIMA BAZERRA

CENTRO DE ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

JEAN CARLOS LIMA BAZERRA

DESENVOLVIMENTO DE UM DINAMÔMETRO PARA ANÁLISE DO MOTOR BAJA.

MOSSORÓ - RN

2020

DESENVOLVIMENTO DE UM DINAMÔMETRO PARA ANÁLISE DO MOTOR BAJA.

Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica

Orientador: Prof. Dr. Zoroastro Torres Vilar

MOSSORÓ - RN

2020

Patentes: Lei nº 9.279/1996, e Direitos Autorais: Lei nº 9.610/1998. O conteúdo desta obra tornar-se-á de domínio público após a data de defesa e homologação da sua respectiva ata. A mesma poderá servir de base literária para novas pesquisas, desde que a obra e seu (a) respectivo (a) autor (a) seja devidamente citado e mencionado os seus créditos bibliográficos.

Setor de Informação e Referência

O serviço de Geração Automática de Ficha Catalográfica para Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC´s) foi desenvolvido pelo Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação da Universidade de São Paulo (USP) e gentilmente cedido para o Sistema de Bibliotecas da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (SISBI-UFERSA), sendo customizado pela Superintendência de Tecnologia da Informação e Comunicação (SUTIC) sob orientação dos bibliotecários da instituição para ser adaptado às necessidades dos alunos dos Cursos de Graduação e Programas de Pós-Graduação da Universidade.

LB 574d

Lima Bezerra, Jean Carlos. Desenvolvimento de um Dinamômetro Para Análise do Motor BAJA / Jean Carlos Lima Bezerra. - 2020. 46 f. : il.

Orientador: Zoroastro Torres Vilar. Monografia (graduação) - Universidade Federal Rural do Semi-árido, Curso de Engenharia Mecânica, 2020.

1. Dinamômetro. 2. Torque. 3. Potência. 4. Motor. 5. Engenharia. I.

Vilar, Zoroastro Torres , orient. II. Título.

DESENVOLVIMENTO DE UM DINAMÔMETRO PARA ANÁLISE DO MOTOR BAJA.

Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Defendida em: _07_ / _02_ / _2020_.

BANCA EXAMINADORA

_________________________________________

Zoroastro Torres Vilar, Prof. Dr. (UFERSA) Presidente

_________________________________________

Fabricio José Nobrega Cavalcante, Prof. Dr. (UFERSA) Membro Examinador

_________________________________________

Juarez Pompeu de Amorim Neto

Membro Examinador

caminhos e decisões.

Em especial, dedico este trabalho aos meus pais

Antônio de Lima Bezerra e Maria Pereira Bezerra

da Silva, pois são os meus maiores incentivadores

nessa caminhada, que sempre estiveram me

apoiando e motivando durante este caminho e a

toda minha família em geral. Vocês são os maiores

motivos por eu estar aqui.

oportunidades e bênçãos durante todo o curso, pelos livramentos das idas e voltas da faculdade para casa.

Agradecer em especial aos meus pais, Antônio de Lima Bezerra, e Maria Pereira Bezerra da Silva, por sempre me apoiarem, espirarem e pelo amor que me ofereceram constantemente, pela educação, e terem me moldado para ser o homem que sou hoje. Sou muito grato a vocês dois.

Agradeço também a minha avó Maria Feliz e pelo meu Tio Vicente, que sempre me apoiaram e oraram pelo meu crescimento pessoal e profissional, e principalmente pelos conselhos e atenção q me deram.

Quero agradecer ao meu irmão Pablo Peterson, que foi sempre a minha inspiração de vida, que sempre me apoio em momentos difíceis, me motivando por toda minha vida.

Agradecer a minha companheira de sempre, minha namorada Lariza Maria, que desde o começo do curso esteve comigo, me apoiando, me ajudando e dando forças nas horas difíceis, e em especial aguentando meus estresses e minha ausência.

Agradecer também aos meus amigos que sempre estiveram ao meu lado nessa grande parte da minha vida, Albenir Gurgel, Daniel Alves, Esthefani Maria, Lucas Fabiano, Luiz Felippe , Natanael Expedito, Wilson Wherverton.

Agradecer também ao clube de desbravadores, em especial meus amigos que conquistei nesse maravilhoso clube Arautos do Advento.

Agradecer também ao meu grande orientador Zoroastro Vilar Torres, por sempre está me orientando, passando um pouco do seu grande conhecimento para mim, e me transformando em um aluno e profissional melhor, por sempre me motivar em buscar mais conhecimento, tanto como orientador como professor.

A equipe maravilhosa CACTUS BAJA, pelos conhecimentos e os amigos que adquiri.

E agradecer a todos os meus professores que me ensinaram desde a minha entrada no curso. foram muito importantes para meu aprendizado.

Muito Obrigado a Todos!

motor em diversas condições de funcionamentos. Essas medições podem ser realizadas através de vários tipos de dinamômetros. Dentre eles o hidráulico, freio magnético, fricção, ventilação, elétrico e correntes de Foucault. Onde nesse trabalho haverá maior ênfase no de freio magnético, hidráulico e correntes Foucault. Contudo um dos mais utilizados nessa prática são os hidráulicos, por serem mais simples, baixo custo e fácil constituição e por não haver necessidade de alinhamento entre os mecanismos, como são necessários nos dinamômetros de freio magnético. Com o grande crescimento na área automotiva, o dinamômetro virou um dos equipamentos mais necessários ao ramo da engenharia mecânica, pois é capaz de proporcionar a otimização dos processos de admissão de ar combustível, combustão e dos gases que foram utilizados durante a queima, através dos testes utilizados com esse instrumento. Com isso, os engenheiros podem realizar testes práticos ao utilizar aditivos no combustível ou mecanismos que possibilitem ou não uma variação no torque do motor, podendo assim obter um motor com maior potência através das simples mudanças de aditivos ou outros tipos de óleo. Isso não é diferente para as equipes BAJA que buscam construir ou aperfeiçoar seus bajas, pois com o dinamômetro é capaz de verificar com tipos diferentes de óleos e características distintas ou até mesmo angulação do motor, Havendo assim uma melhor potência, possibilitando um carro com melhores características, com uma simples mudança de fatores como óleo ou angulação. E essas mudanças só podem ser percebidas através da utilização do dinamômetro. Com os estudos ao decorrer desse trabalho será possível a construção de um dinamômetro capaz de medir a potência do motor, para que seja possível realizar esses parâmetros de testes em qualquer motor.

Palavras chaves: Dinamômetro. Torque. Potência. Motor. Engenharia.

Dynamometers are the instruments used to use or check the torque of an engine under different operating conditions. These measurements can be performed using various types of dynamometers. Among them or hydraulic, magnetic brake, friction, ventilation, electric and eddy currents. Where in this work there will be greater emphasis on magnetic, hydraulic and eddy current brakes. However, one of the most used in this practice are the hydraulic ones, because they are simpler, lower and easier to build and because there is no need for alignment between the mechanisms, as they are used in magnetic brake dynamometers. With a great growth in the automotive area, the dynamometer became one of the most necessary equipment in the field of mechanical engineering, as it is able to optimize the fuel, fuel and gas intake processes that were used during the burning, during the burning tests use with that instrument.

With this, engineers can perform practical tests to use additives in the fuel or mechanisms that allow or not a variation in the engine torque, thus being able to obtain a more powerful engine using simple additive changes or other types of oil. This is no different for BAJA teams looking to build or perfect their bajas, as the dynamometer is capable of checking different types of oil and different characteristics or even the angle of the engine. There is a better way to use it, enabling a car with better characteristics. , with a simple change of factors like oil or angulation.

And these changes can be noticed through the use of the dynamometer. With the studies during this work, it will be possible to build a dynamometer capable of measuring the power of the engine, so that it is possible to perform these tests on any engine.

Keywords: Dynamometer. Torque. Power. Motor. Engineering.

Figura 2 - Curva Característica do Motor. Fonte: (KOLLROSS, 2016). ... 7

Figura 3 - Modelo de um Motor a Combustão Externa. Fonte (TILLMANN, 2013) ... 8

Figura 4- -Quadrantes de Operação dos Dinamômetros. Fonte: (SPERANDIO; ZUCCON; OGI, et al, 2014) ... 10

Figura 5- Ilustração do Freio Prony. Fonte: (MORAES; FERNANDES, 2018) ... 12

Figura 6 - Dinamômetro Hidráulica. Fonte: (Albuquerque, 2015) ... 14

Figura 7- Abastecimento de Água pra um Dinamômetro hidráulico. Fonte: (Germano, 2013) ... 15

Figura 8 - Campo magnético em uma Placa. Fonte: (Germano, 2013) ... 15

Figura 9- Dinamômetro Corrente de Foucault. Fonte: (MALANGE; SEIXAS; CASONATO, 2014) ... 16

Figura 10 – Imagem ilustrativa para A Distância Entre Raios. Fonte: (Autoria própria). ... 23

Figura 11 - Disco do Estator. Fonte: (Autoria Própria). ... 28

Figura 12 - Núcleo do Solenoide. Fonte: (Autoria Própria). ... 28

Figura 13- Disco do Rotor. Fonte: (Autoria Própria) ... 29

Figura 14- Flange do Rotor. Fonte: (Autoria Própria). ... 29

Figura 15 - Base do Rolamento. Fonte: (Autoria Própria). ... 30

Figura 16 - Eixo do Dinamômetro. Fonte: (Autoria Própria). ... 30

Figura 17 - Flange do Motor. Fonte: Autoria Própria ... 31

Figura 18 - Dinamômetro de Bancada Montado. Fonte: (Autoria Própria). ... 31

Figura 19 - Simulação do Estator, Vista Frontal. Fonte: (Autoria Própria). ... 35

Figura 20 - Simulação do Estator. Fonte: (Autoria Própria). ... 36

Figura 21 - Simulação Frontal do Rotor. Fonte: (Autoria Própria). ... 37

Figura 22 - Simulação Rotor. Fonte: (Autoria Própria). ... 37

Figura 23 - Simulação Flange do Rotor. Fonte: (Autoria Própria). ... 38

Figura 24 - Simulação Flange Vista Lateral. Fonte: (Autoria Própria). ... 39

Figura 25 - Simulação do Eixo. Fonte: (Autoria Própria). ... 39

Figura 26 - Simulação do Eixo para Averiguar a Ilustração das Deformações. Fonte: (Autoria Própria). ... 40

Figura 27 - Simulação da Base do Mancal, Vista Frontal. Fonte: (Autoria Própria). ... 41

Figura 28 - Simulação da Base. Fonte: (Autoria Própria). ... 41

Quadro 2 - Dados do Rótulo do Motor. Fonte: (Autoria Própria). ... 21

Quadro 3- Dados do Fio AWG 19. Fonte: (Autoria própria). ... 27

Quadro 4- Material Aço 1020 Para Confecção do Protótipo. Fonte: (Autoria Própria). ... 32

Quadro 5 - Componentes e Seus Respectivos Preços. Fonte: (Autoria própria). ... 32

Quadro 6 - Dados dos Componentes do Dinamômetro. Fonte: (Autoria Própria). ... 34

Quadro 7 - Dados Considerados do Motor. Fonte: (Autoria Própria). ... 34

INTRODUÇÃO ... 1

1 OBJETIVO GERAL ... 2

1.1 OBJETIVO ESPECÍFICO ... 2

2 JUSTIFICATIVA ... 2

3 REFERENCIAL TEÓRICO ... 3

3.1 Torque ... 3

3.2 Potência ... 3

3.2.1 Potência Teórica ... 4

3.2.2 Potência Indicada ... 4

3.2.3 Potência Efetiva ... 5

3.3 Consumo Especifico ... 6

3.4 Curva Característica ... 6

3.5 Motores ... 7

3.5.1 Motores de Combustão Externa ... 7

3.5.2 Motores de Combustão Interna ... 8

3.6 Dinamômetro ... 8

3.6.1 Dinamômetros de Fricção (FREIO PRONY) ... 11

3.6.2 Dinamômetro de Ventilação ... 12

3.6.3 Dinamômetros Elétricos ... 13

3.6.4 Dinamômetros Hidráulicos ... 13

3.6.5 Dinamômetro Corrente Foucault ... 15

3.7 Dimensionamento ... 16

3.7.1 Circuito Magnético ... 17

3.7.2 Campos eletromagnéticos ... 17

3.7.3 Rotor ... 18

3.7.6 Força Magneto Motriz ... 20

4 RESULTADOS ... 21

4.1 Motor ... 21

4.2 Disco... 21

4.3 Densidade do Fluxo Magnético ... 23

4.4 Força de Frenagem ... 25

4.4.1 Potência Desenvolvida ... 25

4.5 Força Magneto Motriz (FMM) ... 25

4.6 Desenho do Protótipo ... 27

4.7 Material para o protótipo ... 32

4.8 Componentes complementares ... 32

4.9 Simulações ... 34

4.9.1 Estator ... 35

4.9.2 Rotor ... 36

4.9.3 Flange do Rotor ... 38

4.9.4 Eixo ... 39

4.9.5 Base de Apoio do Mancal ... 40

4.9.6 Flange do Motor ... 41

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 43

REFERÊNCIA ... 44

APÊNDICE A... 46

INTRODUÇÃO

A maioria dos motores à combustão utilizados, são fundamentados do ciclo Otto e Diesel, os principais ciclos de motores. Com isso, se deseja saber os comportamentos do motor e como estão os parâmetros e se estão funcionando da maneira com a qual foram projetados.

Para isso, são utilizados mecanismos diferentes para a medição e análise desses parâmetros.

Esses mecanismos são chamados de dinamômetros, que são capazes de medir através de diversos métodos, como princípio hidrodinâmico, elétrico e correntes Foucault. Esses dinamômetros são conhecidos como; Prony, hidrodinâmico, corrente de Foucault, elétricos dentre outros. (MORAES, FERNANDES, 2014)

Os dinamômetros são utilizados principalmente na análise de torque e potência de um motor, podendo aperfeiçoar ou até mesmo analisar seus parâmetros de trabalho. De acordo com os dados obtidos de torque e potência, pode-se formular a conhecida curva característica de um motor, que possibilitar uma melhor analise do toque e potência ao decorrer da velocidade de rotação. Através desta curva é possível principalmente para um engenheiro formular parâmetros de trabalho, eficiente para um motor uma determinada rotação. (PEREIRA, 2006)

Os dinamômetros são ferramentas bastante poderosas para a mecânica em geral, e assim não é diferente para o protótipo BAJA, pois com o dinamômetro pode-se verificar parâmetros que ajude no melhor aperfeiçoamento ou até mesmo no melhoramento da performance do veículo. Isso traz um grande diferencial para as equipes BAJA, pois proporciona um ponta pé mais elevado nas análises do motor, em relação a potência e torque. Possibilitando ainda analisar vários outros fenômenos importantes, como velocidade angular, consumo horário de combustível, potência efetivo e eficiência que o motor está proporcionando. A equipe BAJA é um projeto da SAE, que oferece aos estudantes de engenharia aplicar seus conhecimentos adquiridos em sala de aula, através de um protótipo veicular automotivo

O atual trabalho tem como principal fundamento, a análise dos diferentes dinamômetros

existentes, para formular as principais características e assim desenvolver o melhor

dinamômetro para utilizar principalmente nas equipes BAJA e assim aperfeiçoar a sua performa

e eficiência.

1 OBJETIVO GERAL

Esse trabalho visa proporcionar um estudo e consequentemente o projeto preliminar de um dinamômetro, capaz de medir o torque de um motor, de forma simples, custo baixo e eficaz.

1.1 OBJETIVO ESPECÍFICO

• Desenvolver o projeto conceitual de um dinamômetro;

• Executar a simulação em software de desenho;

2 JUSTIFICATIVA

Uma das maiores dificuldades encontradas para uma equipe baja, é a verificação dos parâmetros do motor, para averiguar os dados necessários para o seu protótipo, contudo o equipamento que possibilita adquirir esse tipo de dado é praticamente inviável para uma equipe adquirir, pois o preço do equipamento é bastante elevado e com alta complexidade. Visando solucionar esse tipo de dificuldade, o estudo visa proporcionar um equipamento que possibilite a medição adequada com um custo reduzido para a equipe e de forma simplificada.

Possibilitando assim adquirir dados satisfatórios para o protótipo. No entanto essa necessidade,

não está presente apenas nas equipes BAJA, mas em qualquer empresa que necessite desses

parâmetros para o aperfeiçoamento ou até mesmo conserto de algum equipamento do veículo

automotivo.

3 REFERENCIAL TEÓRICO

O torque e a potência são os principais parâmetros analisados no setor automobilístico, para ser possível obter máximo rendimento, sem a redução de alguns parâmetros como a eficiência do motor, consumo, desgaste, emissão de gases, potência e até mesmo torque.

(MORAES; FERNANDES, 2014).

3.1 Torque

O torque é um parâmetro do motor gerado pelo momento criado pela biela, devido à expansão dos gases que geram uma força que atua sobre o virabrequim. Como será discutido posteriormente, o torque pode ser medido através de freios e dinamômetros, no entanto ele pode ser expresso através da seguinte Equação 1. Onde mostra que o torque pode ser relacionado pela razão da potência (W) pela velocidade angular (𝜔). (SPERANDIO; ZUCCON; OGI, et al, 2014)

𝑇 = 𝑃

𝜔 (1)

3.2 Potência

Potência representa a energia útil gerada em um determinado tempo, constitui um dos principais fundamentos de um motor. Para as especificações de um determinado motor é necessário a obtenção dos valores de potência e binário máximo. O binário é medido por um dinamômetro, que por sua vez a multiplicação, ou seja, o produto entre o binário e a velocidade de rotação, fornecerá a potência útil ou efetiva do motor, o binário é responsável pela apresentação do trabalho produzido no motor, enquanto que a potência especifica equivale a taxa desse trabalho, como é mostrada na Equação 2. (MARTINS, 2011)

B → Representação do Binário [N.m]

Ω → Representação da velocidade de rotação [rad /s]

𝑤

̇ = 𝐵. Ω = 2𝜋. 𝑁. 𝐵 ⁽²⁾

Existem 3 tipos de potências que podem ser citadas para melhor compreensão e estudo.

Essas potências são conhecidas por: Potência teórica, Potência indicada, e a potência efetiva/freio.

3.2.1 Potência Teórica

Essa potência é uma estimação através do consumo e das propriedades físicas do próprio motor, tem como intuito de que toda a energia térmica será convertida em energia mecânica, considerando um sistema que não ocorre perdas no seu funcionamento. Essa potência pode ser calculada, através da Equação 3 (VARELLA, 2010).

𝑃

= 𝑝

. 𝑞. 𝜌 (3)

𝑝

→ Poder calorífico [Kcal /kg]

q → Consumo [L/h]

𝜌 → Densidade [kg/L]

3.2.2 Potência Indicada

Essa potência está relacionada com vários parâmetros e características do motor.

Potência na expansão rotação da arvore do motor e dimensões. Ela será indicada através do trabalho realizado quando o pistão realizar o deslocamento do PMS para o PMI do pistão. Ela pode ser representada pela Equação 4 (VARELLA, 2010).

𝑃

= 𝑃. 𝐴. 𝐿. 𝑛 𝑡 = 𝑃

𝑡 𝑉

⁽⁴⁾

𝑉

→ Volume do cilindro [m³]

A → Área do cilindro [m²]

L → Curso do pistão [m]

P → Pressão da expansão [Pa]

n → Número de cilindros t → Tempo do ciclo [s]

3.2.3 Potência Efetiva

Essa pressão é medida através de normas da ABNT, através de dinamômetros especializados, onde depende do torque e da rotação do volante do motor, essa potência indica a energia mecânica resultante de uma força tangencial a circunferência do raio, indicado na Figura 1 (VARELLA, 2010). Consequentemente essa será a potência estudada no dinamômetro.

Essa potência pode então ser calculada através da Equação 5 mostrada abaixo.

𝑃

= 2𝜋. 𝑇. 𝑁 (5)

T → Torque do Motor [W]

N → Rotação do Motor [rps]

Figura 1- Diagrama de Força do Pistão.

Fonte:(VARELLA, 2010)

A potência está relacionada diretamente com o torque, ou seja, essas duas grandezas atuam constantemente em conjunto através da relação mostrada na Equação 6 (VARELLA, 2010).

𝑃 = 𝜏. 𝜔 [𝑤] ⁽⁶⁾

3.3 Consumo Especifico

O consumo especifico se dar pela razão entre o consumo de combustível e a potência efetiva do motor. Com isso a potência é medida através do dinamômetro, e o consumo é medido em relação a grandeza gravimétrica ou volumétrica. A Equação 7, mostra essa relação (SPERANDIO; ZUCCON; OGI, et al, 2014).

𝐶𝑒 = 1

𝑃𝑐𝑖. 𝑁𝑔 ⁽⁷⁾

Ce → consumo especifico [kg/cv, kg/kWh]

Ng → Eficiência térmica efetiva

Pci → poder calorifico inferior do combustível

3.4 Curva Característica

Essa curva característica é formada através da relação de variação do torque e potência de acordo com a variação de rotação. Essas curvas só podem ser construídas através de testes realizados por meio de dinamômetros, por esse motivo os dinamômetros são tão importantes na mecânica, poiss através dessas curvas é capaz de analisar em qual rotação terá maior desempenho do motor, ou seja, o ponto ótimo, ou a velocidade em que se tem o torque máximo e a potência máxima. Na Figura 2, mostra como funciona essa curva característica.

(KOLLROSS, 2016)

3.5 Motores

Motores tem como principal objetivo destinar a forma de conversão de qualquer forma de energia, ou seja, elétrica, térmica, hidráulica, química, dentre outras, para uma energia mecânica. Os principais motores utilizados principalmente para automóveis, são os chamados ciclo Otto e o ciclo Diesel. (TILLMANN, 2013)

Ciclo Otto – Aspiração de ar-combustível, realizando a combustão através da queima provocada pela faísca transmitida pela vela. (TILLMANN, 2013)

Ciclo Diesel - É destinado aos motores que funcionam somente com a aspiração do ar, ao ser comprimido o combustível é injetado pelo bico, com isso é realizado a queima pelo motivo da câmara está com pressão e temperatura elevada. (TILLMANN, 2013)

Os motores podem sem divididos em 2 grandes grupos, os de combustão interna e o de combustão externa. (TILLMANN, 2013)

3.5.1 Motores de Combustão Externa

O fluido de trabalho para esses motores, são completamente separados da mistura ar- combustível. Obtendo a transferência de calor gerado pela combustão, através das paredes, um exemplo simples é os motores a vapor, que utiliza as paredes de um reservatório ou de uma

Figura 2 - Curva Característica do Motor. Fonte: (KOLLROSS, 2016).

caldeira pra transferência de calor, Através da Figura 3, podemos visualizar como se constitui um motor de combustão externa. (TILLMANN, 2013)

3.5.2 Motores de Combustão Interna

Esses motores são máquinas térmicas capazes de transformar essa energia térmica em energia mecânica. São bastante utilizados nas indústrias, veículos, inclusive os marítimos. Esses motores podem utilizar os dois tipos de combustão falados anteriormente, podendo ser de ciclo Otto ou ciclo Diesel. A sua ignição é realizada por centelha em ciclos Otto, e ignição por compressão para os ciclos Diesel. (TILLMANN, 2013)

3.6 Dinamômetro

Para medir ou verificar os parâmetros de um motor, como por exemplo, as duas principais características que um motor deve ter para fornecer movimentos em mecanismo, principalmente em maquinários e automóveis. São utilizados dinamômetro de diversas naturezas, como o dinamômetro hidráulico, correntes Foucault e até mesmo o magnético (elétrico), entre diversos outros que possibilita métodos diferentes, contudo com a mesma finalidade de proporcionar os parâmetros de desempenho dos motores, como por exemplo, torque, velocidade angular, e ao consumo horário do combustível. Com esses dados é possível obter os cálculos para a potência efetiva, torque e consumo efetivo. (TILLMANN, 2013)

Os dinamômetros são equipamentos compostos por diversos mecanismos e sensores, que terão como principal característica realizar teste em motores obtendo diversos fenômenos capazes de caracterizar um determinado motor, funcionando como um dispositivo de freio,

Figura 3 - Modelo de um Motor a Combustão Externa. Fonte (TILLMANN, 2013)

como por exemplo, mensurar a falha de desempenho, vazamentos, origens de ruídos e etc.

(ALBUQUERQUE, 2015)

Os dinamômetros capazes de medir as características de um motor isoladamente, são conhecidos popularmente por dinamômetros de motores. Onde se obtém algumas vantagens e desvantagens.

• Vantagens

o estão relacionadas com a medição somente das características do motor, descartando todos os outros componentes que não fazem parte do motor;

o Pode realizar os estudos controlando as condições de trabalho. (GERMANO, 2013)

• Desvantagens

o Requer uma bancada de ensaio para que se possa montar o dinamômetro e assim obter os dados do ensaio.

o Como esse tipo de dinamômetro mede apenas aspectos do motor, isso pode se tornar algo desvantajoso, quando se quer aplicações que necessitam da medição por completo do sistema, ou seja, considerar os sistemas de transmissão por exemplo. (GERMANO, 2013)

Entretanto existem outro tipo de dinamômetro chamado de chassis ou simplesmente de rolo. São conhecidos dessa forma pelo motivo de seu funcionamento, que consiste em fazer a análise do motor através de todos os componentes acoplados. Possuindo assim vantagens e desvantagens.

• Vantagens

o Permite diversos ensaios em veículos diferentes, pois possibilita uma troca rápida.

o Medição efetiva nas rodas;

o Tem como principal característica medir ao mesmo tempo o motor e a transmissão.

o Possibilita estimar o desempenho da transmissão separadamente. (GERMANO, 2013)

• Desvantagens

o Quando é necessário medir a potência do motor ele não é um método muito

eficiente.

o É difícil de calibrar sem um dinamômetro acoplado.

o Custo elevado em relação ao custo do dinamômetro de motor.

o Requer espaço amplo. (GERMANO, 2013)

Tanto o dinamômetro de chassis como o de motor possuem um componente de inercia que é responsável de dificultar o giro do motor, oferecendo uma espécie de carga, podendo ser variável e controlada. Os dinamômetros que contem a inercia são chamados de passivos.

Enquanto que os dinamômetros ativos, quando se utiliza como gerador quanto motor.

(GERMANO, 2013)

Com isso os dinamômetros podem ser separados em quadrantes para melhor compreensão das características de passivo ou ativo. Como mostra na Figura 4. Quando visualiza a figura pode observar que no primeiro e segundo quadrante obtém dinamômetros passivos, pois atuam como freio para o motor. Entretanto o terceiro e quarto quadrante, atuam como geradores e motores, possibilitando assim em dinamômetros ativos.

Os testes utilizados para medir parâmetros dos motores pode ser utilizado de duas formas diferentes, teste de velocidade variável e teste de velocidade constante.

• Teste de velocidade variável – utilizasse carga máxima ou uma parte dessa carga, havendo assim resultados diferentes entre si, ou seja, a carga máxima possibilita obter potência máxima com mínimo consumo especifico em velocidades distintas. Entretanto

Figura 4- -Quadrantes de Operação dos Dinamômetros. Fonte:

(SPERANDIO; ZUCCON; OGI, et al, 2014)

o teste utilizando parte da carga faz com que seja possível obter variações de consumo específico. (ALBUQUERQUE, 2015)

• Teste com velocidade constante – Tem como finalidade proporcionar o consumo especifico do motor. Esse teste ocorre com o aumento gradual da carga da condição de carga zero até a maior carga que se pode ter, variando a posição do acelerador, ou seja, sem acelerar, e aceleração máxima. Para se ter uma curva continua para o teste, é necessário utilizar o mesmo incremento de carga para que a variação seja constante.

(ALBUQUERQUE, 2015)

Os dinamômetros podem ser classificados de várias formas, isso irá depender de seus componentes e características de medição, contudo a finalidade de cada classificação desses dinamômetros será a mesma, realizar medições de potência e torque. Onde os dinamômetros mais conhecidos são o de fricção, hidráulicos e elétrico. (MORAES; FERNANDES, 2018)

Entretanto existem 5 tipos de dinamômetros que podemos relacionar o seu custo entre os demais dinamômetros, como mostra no Quadro 1.

Quadro 1- Custo de dinamômetro. Fonte: (Albuquerque, 2015).

3.6.1 Dinamômetros de Fricção (FREIO PRONY)

O dinamômetro prony conhecido como o mais antigo para realizar medições de torque e potência, porém bastante simples, baixo custo e boa eficiência ainda é utilizado até hoje em dia, entretanto é utilizado apenas em motores de baixa rotação, pelo motivo de tornar a carga constante mais complicada pela formação de trepidações e gripa mentos da cinta do freio (ALBUQUERQUE, 2015). O primeiro modelo foi criado por Gaspard Riche Prony, criado em meados de 1821, que consistia em um volante por uma cinta metaliza conectada a uma barra,

DINAMÔMETRO CUSTO INICIAL DO DINAMÔMETRO

Elétrico Elevado

Corrente Foucault Alto

Hidráulico Baixo em relação a capacidade

Freio Prony Baixo

Ventilação Baixo, Sem Precisão

cuja sua extremidade é apoiada sobre uma balança. Pode ser observado esse mecanismo através da Figura 5. (MORAES; FERNANDES, 2018)

Esse tipo de dinamômetro mais utilizado e mais simples, é constituído por dois blocos de madeiras, entre um tambor que está conectado ao motor. Essas barras de madeira são arrochadas constantemente para que poça verificar qual essa potência e torque do motor.

(FREITAS, 2009)

A potência do motor pode ser medida então através do calor que foi formado, pela relação do atrito do tambor e a madeira, habitualmente a um canal de água que envolve o tambor internamente. Entretanto esse dinamômetro deve ter alguns cuidados no manuseio, pois pode ocorrer que vazamentos de água através do tambor provocando acidentes com o operador, já que a água está em temperaturas elevadas. (FREITAS, 2009)

3.6.2 Dinamômetro de Ventilação

Esses dinamômetros são conhecidos por não possibilitar uma grande precisão, ele utiliza componentes como ventiladores e hélices para o seu funcionamento. O controle da carga e ajuste do ventilador é muito complicado, tornando uma grande desvantagem para as medições, fazendo com que esse dinamômetro tenha a sua utilização reduzida. Através de técnicas desenvolvidas ao longo do tempo foi possível melhorar esse controlo do ventilador e da carga, através de métodos que visa na alteração do dinamômetro, tamanho ou ângulos das pás, inclusive a utilização do ventilador dentro da carcaça, variando a carga pelo estrangulamento da admissão ou descarga de ar (ALBUQUERQUE, 2015).

Figura 5- Ilustração do Freio Prony. Fonte: (MORAES; FERNANDES, 2018)

3.6.3 Dinamômetros Elétricos

Esse tipo de Dinamômetro se caracteriza pela utilização de um gerador, que é capaz de transmitir uma carga para o motor. Montado sobre duas caldeiras medindo assim as forças envolvidas principalmente no estator. As reações ocorridas no conjugado da armadura são iguais do estator mudando apenas de sentido. Para se utilizar como gerador, é necessário ajustar a resistência da partida para o valor máximo que ela suporta, proporcionando dessa maneira corrente mínima. Isso faz com que tenham duas propriedades inversas, ou seja, obtendo um valor de reostatos máximo, e a corrente de campo mínima. É necessário também o aumento da carga, ou seja, aumento de intensidade do campo proporciona um aumento da voltagem do gerador, aumentando assim a carga necessário que se deve ter para a análise do motor.

(ALBUQUERQUE, 2015)

Pode aumentar a velocidade de rotação através de dois métodos, o primeiro utiliza a redução de resistência da partida, deixando a armadura ligada diretamente à linha. O segundo método utiliza o aumento de resistência do campo, diminuindo assim a intensidade de campo.

Com isso pode concluir que a potência do processo será simplesmente o atrito que a máquina motriz deverá vencer. (ALBUQUERQUE, 2015)

3.6.4 Dinamômetros Hidráulicos

O dinamômetro hidráulico necessita de um fluido para o seu funcionamento, muitas das vezes é utilizado água, contudo dependera da aplicação que se quer obter. Esse tipo de dinamômetro é acoplado no eixo do motor, transmitindo a rotação para o eixo dos dinamômetros, possibilitando assim a medição dos parâmetros em análise. Esse dinamômetro é baseado no funcionamento através do princípio de Fottinguer. Esse princípio está relacionado com que uma potência pode ser transmitida através de dois eixos aletados e acoplados entre si, por um tipo de fluido, havendo um movimento giratório entre os dois eixos. (GERMANO, 2013)

Consiste basicamente de um disco que será capaz de oferecer os valores das

propriedades do motor. Isso ocorre pela resistência ocorrida do disco girante, que é oposta ao

da carcaça, sendo possível medir a força, que pode ser da mesma maneira em que é medido o

dinamômetro aprony. (ALBUQUERQUE, 2015)

Os componentes que constituem um dinamômetro são: rotor duplo, Flange do mancal, Flange de acoplamentos, suportes flexíveis, válvula de controle, Motor de válvula de controle, correia dentada do motor, rolamento de gira, carcaça, entrada de água, câmara de turbilhão, selos, disco dentados com sensor de velocidade, eixo de controle de carga, eixo do rotor, câmara anular, saída de água da câmara. A Figura 6, mostra um dinamômetro hidráulico complexo comercializado.

O dinamômetro hidráulico é caracterizado por inúmeras vantagens, que estão relacionadas com o baixo custo de fabricação, pode ser utilizado em altas potências, e também uma baixa inercia de rotação. Porem sua principal desvantagem está relacionada com a dissipação térmica, pois essa propriedade é bastante baixa em relação a esses dinamômetros, possibilitando assim o fornecimento de um baixo torque para o motor quando se está em uma rotação baixa. Com isso é necessário a obtenção de um sistema de resfriamento, que possa circular no interior do dinamômetro e assim possibilitar o resfriamento dos componentes.

(GERMANO, 2013)

Para a maioria dos dinamômetros hidráulicos é necessário ter um reservatório de abastecimento de fluido que muitas das vezes é utilizado água, a Figura 7, mostrado como funciona o abastecimento de água para um dinamômetro hidráulico.

Figura 6 - Dinamômetro Hidráulica. Fonte: (Albuquerque, 2015)

3.6.5 Dinamômetro Corrente Foucault

Esse dinamômetro funciona através de uma indução eletromagnética realizada através de um bloco metálico em um campo magnético variável. Isso acontece quando o fluxo atravessa perpendicular ao bloco, fazendo com que o bloco sofra uma indução, formando assim correntes elétricas induzidas circulares. Como mostra a Figura 8. Esse tipo de corrente que se forma é caracterizado como correntes de Foucault. (GERMANO, 2013)

O sistema mais simples de dinamômetro de corrente Foucault, é constituído por um disco acionada pelo motor, girando em um campo magnético, podendo variar a intensidade desse campo através do controle de correntes do disco metálico que gira sem restrições, quando

Figura 7- Abastecimento de Água pra um Dinamômetro hidráulico. Fonte: (Germano, 2013)

Figura 8 - Campo magnético em uma Placa. Fonte:

(Germano, 2013)

não se tem presença de correntes. Entretendo quando se tem corrente passando nos imãs cria um campo magnético que transpassa o disco, havendo correntes induzidas no seu interior, essas correntes geradas cria um fluxo contrário que oferece resistência ao disco. As forças eletromagnéticas aumenta ao decorrer em que a velocidade de rotação aumenta, possuindo sentidos opostos, e possibilitando que seja possível frear o disco sem qualquer mecanismo mecânico (SPERANDIO; ZUCCON; OGI, 2014), entretanto esse controle pode ser complicado quando realiza os testes em motores com altas potências, possibilitando um aquecimento excessivo e prejudicando assim o controle das correntes (ALBUQUERQUE, 2015). Através da Figura 9, podemos visualizar um dinamômetro de corrente Foucault.

Esses mecanismos apresentam algumas vantagens em relação ao seu tamanho, baixa inercia, capacidade de geração de altos valores de torque e velocidade, e sua resposta de operação é rápida, facilitando assim a realização de testes em motores transientes.

(SPERANDIO; ZUCCON; OGI, 2014)

3.7 Dimensionamento

Através do estudo, pode observar que existe diversos dinamômetros capazes de realizar essas medições, entretanto esse trabalho terá foco no dinamômetro por corrente Foucault, pelo motivo ao qual possibilita em sua análise uma maior precisão em seus dados e com um tempo de resposta inferior aos demais dinamômetro. Essas características são primordiais para o aperfeiçoamento das características do protótipo BAJA, por esse motivo mesmo havendo um custo mais elevado que os demais, suas vantagens sobressaem em relação ao seu custo. Com

Figura 9- Dinamômetro Corrente de Foucault. Fonte:

(MALANGE; SEIXAS; CASONATO, 2014)

isso, esse trabalho busca mostrar como dimensionar e aplicar no mesmo, e seus principais componentes, discutido no próximo tópico.

3.7.1 Circuito Magnético

O eletroímã é o componente mais importante para o dinamômetro de correntes de Foucault, responsável para induzir as correntes parasitas no rotor do dinamômetro, fornecendo assim o torque necessário para a frenagem. (FONTANE, 2017)

3.7.2 Campos eletromagnéticos

As equações de Maxwell são compostas por três leis. Lei de Faraday, lei de Ampère e a lei de Gauss para campos elétricos e campos magnéticos. Essas leis são responsáveis por analisar as forças de interação entre o condutor e o campo magnético constante. (PEREIRA, 2006)

Quando um disco metálico com uma velocidade tangencial com um campo magnético constante 𝐵 ⃗ , uma força 𝐹 de oposição será observada. Com isso o conjugado formado é gerado pela interação entre as correntes induzidas e o fluxo magnético. (PEREIRA, 2006)

Para dimensionar o dinamômetro de correntes Foucault, são citadas sete propostas de diferentes estudiosos, proposta de Smythe, Baran, Schieber, Davies, Wiederick e Heald, Wouterse, Quian Ming. (PEREIRA, 2006). Entretanto este trabalho utiliza a proposta de Wouterse, pois se enquadra melhor nas características do dinamômetro.

O valor da intensidade do campo magnético no núcleo devido a corrente aplicada no mesmo, é dada pela Equação 8. (FONTANE, 2017)

𝐻 = 𝑁 ∗ 𝐼

𝑙

⁽⁸⁾

H → Campo magnético [A.e/m]

N → Número de espiras

I → Corrente [A]

𝑙

→ Comprimento médio do núcleo

A intensidade do fluxo magnético no núcleo é dependente do material em que é constituído. Podendo assim relacionar a Equação 9 para o fluxo do campo magnético.

(FONTANE, 2017)

𝐵 = 𝜇 ∗ 𝐻 (9)

B → Fluxo do campo magnético [T]

𝜇 → Permeabilidade magnética do material [H/m]

Para encontrar a permeabilidade magnética de um material, precisa utilizar uma relação entre a permeabilidade relativa e a do vácuo, Equação 10. (FONTANE, 2017)

𝜇

= 𝜇

𝜇

⁽¹⁰⁾

𝜇

→ Equivale ao valor 4 ∗ 𝜋 ∗ 10

𝑚

.

Com a Equação 11, é possível encontrar o fluxo magnético do eletroímã partir do número de espiras. (FONTANE 2017)

∅ = 𝐵 ∗ 𝐴 = 𝜇 ∗ 𝑁 ∗ 𝑖 ∗ 𝐴

𝑙

⁽¹¹⁾

3.7.3 Rotor

No rotor atua um conjugado, esse conjugado pode ser obtido através da Equação 12.

Onde relacionar a Força F e a distância R de aplicação da mesma, até a o centro do eixo. Para efeitos de cálculo da densidade do fluxo magnético deve haver um acréscimo de 15% no conjugado.

𝑇 = 𝐹 ∗ 𝑅 ⁽¹²⁾

Para efeito de cálculos futuros é necessário a obtenção da quantidade de polos que o motor de indução estudado é composto, para a obtenção de dados que serão necessários, na Equação 13, mostra o cálculo para a obtenção do número de polos.

𝑃 = 120 ∗ 𝑓

𝑁

⁽¹³⁾

P → Número de polos

𝑁

→ Velocidade nominal do motor [rpm]

𝑓 → Frequência do motor [Hz]

Para se obter um maior conjugado com à mínima força, é necessário obter um raio máximo, onde pode ser obtido pela Equação 14. (FONTANE, 2017)

𝑟

= √ 2 ∗ 𝐽

𝜋 ∗ 𝜌 ∗ 𝑑

4

(14)

𝑟

→ Raio máximo [m]

𝜌 → Densidade do material [kg/m³]

𝑑 → Espessura do disco [m]

𝐽

→ Inércia máximo de partida [kg.m²]

3.7.4 Densidade do Fluxo Magnéticos

Para a obtenção da densidade do fluxo é necessário de duas outras equações, a da área da base do núcleo representada por S, e a eficiência geométrica. Na Equação 15, está expressa a eficiência geométrica C. (PEREIRA, 2006)

𝐶 = 0,5 [1 − 0,25 ∗ 1 (1 + 𝑅

𝑟 )

2

∗ ( 𝑟 − 𝑅 𝐷 )

2

] (15)

Com a Equação 16 é possível obter a densidade do fluxo. (PEREIRA, 2006)

𝐵

= √ 1,15 ∗ 𝑇

𝑐 ∗ 𝑠 ∗ 𝑑 ∗ 𝑅

∗ 𝜔 ∗ 𝜎

⁽¹⁶⁾

3.7.5 Força de Frenagem

Para o cálculo da força de frenagem é necessário apenas substituir todos os valores obtidos para a Equação 17, que consequentemente, pode obter a potência mecânica do motor.

(PEREIRA, 2006)

𝐹(𝑣, 𝐵) = 𝑃

𝑣 = 𝜎

∗ 𝑣 ∗ 𝐵

∗ 𝐶 ∗ 𝑆 ∗ 𝑑 ⁽¹⁷⁾

3.7.6 Força Magneto Motriz

A força Magneto motriz conhecido também por FMM, que define o campo magnético pode ser calculada através da Equação 18. Onde relaciona o GAP x, a densidade do campo magnético e a permeabilidade do material. (PEREIRA, 2006)

𝐹𝑀𝑀 = 2 ∗ 𝑥 ∗ 𝐵

𝜇

⁽¹⁸⁾

Na Equação 19, podemos relacionar a FMM com o número de espiras para poder dimensionar a bobina do dinamômetro. (PEREIRA, 2006)

𝐹𝑀𝑀 = 𝑁 ∗ 𝐼 ⁽¹⁹⁾

4 RESULTADOS

4.1 Motor

O projeto será composto por um motor de indução cedido da equipa CACTUS BAJA.

Para o desenvolvimento do projeto são necessárias algumas características do motor, algumas delas foram possíveis obter através da placa de identificação do mesmo como mostra no Quadro 2.

Através dos dados da Quadro 2, pode-se encontrar o número de polos do motor, e assim obter outros dados em catálogos, como por exemplo, torque, força sobrecarga dentre outros.

𝑁𝑆 = 120 ∗ 𝑓 𝑃

𝑃 = 120 ∗ 60 𝐻𝑧 1710 𝑟𝑝𝑚 𝑷 = 𝟒, 𝟐𝟏 ≈ 𝟒 𝒑ó𝒍𝒐𝒔

4.2 Disco

Para a confecção dos dois discos tanto do estator quanto do rotor utilizados no projeto, foi pensado em 3 materiais (Cobre, Alumínio e o aço 1020). O alumínio seria o material ideal para o projeto por apresentar maior condutividade térmica e menor densidade em relação aos demais materiais citados anteriormente, no entanto a sua facilidade em dilatar em temperaturas elevadas impossibilita a sua utilização no projeto, já que possui pequenas distancias entre o

WEG

MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO

MODELO 90L 289 FREQUÊNCIA 60 Hz

POTÊNCIA 3 cv ROTAÇÃO 1710 rpm

Δ 220/ Y 380 V Δ 9,0 / Y 5,2 A Ip / In 6

FS 1,15 ISOL B

REG. S. 1 CAT N

Quadro 2 - Dados do Rótulo do Motor. Fonte: (Autoria Própria).

rotor e o estator. Já o cobre tem uma condutividade ideal e com dilatações bem menores, no entanto o seu custo benefício em relação ao aço 1020 é inferior, tornando o 1020 melhor para a construção do dinamômetro. Poderia ser utilizado um material revestido, como por exemplo, o núcleo do disco ser do aço 1020 revestido com cobre, no entanto esses discos sairiam com valores mais elevados, pois a disponibilidade deste material é bem escassa. Com isso esse material deveria ser encomendado em metalúrgicas. Através dessa análise o Aço 1020 por ser um material de fácil obtenção e de custo benefício adequado, foi o material escolhido para o projeto.

Através da Equação 14, foi possível dimensionar o valor do raio máximo para a aplicação de uma força mínima no dinamômetro. Com a nova norma ABNT NBR 17094- 1:2018 versão corrigida, que tem principal finalidade estabelecer dados para motores de indução trifásicos. Com esta norma é possível a obtenção do momento de inércia externo máximo 𝑱

= 𝟎, 𝟑𝟒𝟓 𝑲𝒈. 𝒎². A densidade adotada para o aço 1020, foi obtida através de diferentes catálogos e realizado uma média entre eles, pois em cada catálogo o valor da densidade variava, com isso chegou a um valor de 𝝆 = 𝟕𝟖𝟕𝟎 𝑲𝒈/𝒎³. Foi utilizado uma espessura do disco de 𝒅 = 𝟑/𝟖" ≈ 𝟗, 𝟓𝟑 𝒎𝒎.

𝑟

= √ 2 ∗ 𝐽

𝜋 ∗ 𝜌 ∗ 𝑑

4

𝑟

= √ 2 ∗ 0,345 𝐾𝑔. 𝑚² 𝜋 ∗ 7870 𝐾𝑔

𝑚

∗ 0,00953 𝑚

4

𝒓

= 𝟎, 𝟐𝟑𝟐𝟔 𝒎

No entanto há um certo acréscimo de momento de inercia no projeto devido aos acopladores, rotor e eixo. Com isso utilizou um raio máximo de 0,20 m.

Para os cálculos é necessário obter a distância da extremidade do disco e o centro do

eixo. O diâmetro do núcleo 𝑫 = 𝟓𝟎 𝒎𝒎, utiliza o diâmetro pois é necessário para que o núcleo

possibilite uma pequena distância da extremidade do disco. Com isso, a distância R é mostrada na Figura 10, a distância entre eles.

𝑟

= 𝑅 + 𝐷 𝑅 = 𝑟

− 𝐷 𝑅 = 200 𝑚𝑚 − 50 𝑚𝑚

𝑹 = 𝟏𝟓𝟎 𝒎𝒎

A velocidade tangencial é dada pela Equação 20, onde obtém o valor através da rotação 𝑵

= 𝟏𝟕𝟏𝟎 𝒓𝒑𝒎, onde é necessário a converter rpm para rad/s, para isso utiliza o valor

60

.

𝑣 = 𝜔. 𝑅 ₍₂₀₎

𝑣 = 1710 𝑟𝑝𝑚 ∗ 2𝜋

60 ∗ 0,15 𝑚 𝒗 = 𝟐𝟔, 𝟖𝟔 𝒎/𝒔

4.3 Densidade do Fluxo Magnético

Para ser possível calcular o conjugado é necessário saber a força aplicada pelo motor, com isso pode ser obtido através de experimentos realizados no motor de indução, no entanto foi optado por obter esse valor através de estudos comparativos de outros trabalhos q utilizaram o método de aplicação desta força com um motor de 3cv e 4 polos, obtendo assim um valor médio de 𝑭 = 𝟔𝟎 𝑵. Através da Equação 12, podemos obter o valor do conjugado nominal.

𝑇

= 𝐹 ∗ 𝑅 𝑅 = 0,15 𝑚

Figura 10 – Imagem ilustrativa para A Distância Entre Raios. Fonte: (Autoria própria).

𝑇

= 60 𝑁 ∗ 0,15 𝑚 𝑻

= 𝟗 𝑵. 𝒎

Como visto anteriormente, para calcular a densidade do campo magnético o conjugado nominal deve ser utilizado 15% acima do seu valor, e são necessárias algumas grandezas geométricas para ser utilizados na Equação 15.

1° grandeza: Fator de eficiência geométrico, utilizando a Equação 16.

𝐶 = 0,5 ∗ [1 − 0,25 ∗ 1 (1 + 𝑅

𝑟 )

2

∗ ( 𝑟 − 𝑅 𝐷 )

2

]

𝐶 = 0,5 ∗ [1 − 0,25 ∗ 1

(1 + 150 𝑚𝑚 200 𝑚𝑚)

2

∗ ( 200 𝑚𝑚 − 150 𝑚𝑚

50 𝑚𝑚 )

2

]

𝑪 = 𝟎, 𝟒𝟓𝟗

2° grandeza: Área da seção do núcleo.

𝑆 = 𝜋 ∗ ( 𝐷 2 )

2

𝑆 = 𝜋 ∗ ( 50 𝑚𝑚

2 )

2

𝑺 = 𝟏𝟗𝟔𝟑, 𝟒𝟗𝟓 𝒎𝒎

= 𝟏, 𝟗𝟔 ∗ 𝟏𝟎

𝒎²

Com as grandezas geométricas calculadas obtém o valor do campo magnético, adotando uma condutividade elétrica do aço 𝝈

= 𝟎, 𝟔 ∗ 𝟏𝟎

( ∗ 𝒎)

:

𝐵

= √ 1,15 ∗ 𝑇

𝐶 ∗ 𝑆 ∗ 𝑑 ∗ 𝑅

∗ 𝜔 ∗ 𝜎

𝐵

= √ 1,15 ∗ 9 𝑁. 𝑚

0,459 ∗ 1,96 ∗ 10

𝑚

∗ 0,00953𝑚 ∗ (0,15𝑚)

∗ 1710𝑟𝑝𝑚 ∗ 2𝜋

60 ∗ 0,6 ∗ 10

( ∗ 𝑚)

𝑩

= 𝟎, 𝟐𝟐𝟑 𝑻

4.4 Força de Frenagem

Com os dados encontrados anteriormente é possível calcular a força de frenagem atuante no dinamômetro através da Equação 17.

𝐹(𝑣, 𝐵) = 𝜎 ∗ 𝑣 ∗ 𝐵

∗ 𝐶 ∗ 𝑆 ∗ 𝑑

𝐹(𝑣, 𝐵) = 0,6 ∗ 10

( ∗ 𝑚)

∗ 28,86 𝑚

𝑠 ∗ (0,223 𝑇)

∗ 0,459 ∗ 1,96 ∗ 10

𝑚²

∗ 0,00953 𝑚

𝑭(𝒗, 𝑩) = 𝟕𝟑, 𝟖𝟐𝟖 𝑵

4.4.1 Potência Desenvolvida

A potência desenvolvida pelo motor pode ser calculada pela também pelo desdobramento da Equação 17, mostrada anteriormente, em função da força de frenagem.

𝐹(𝑣, 𝐵) = 𝑃

𝑣 𝑃

= 𝐹(𝑣, 𝐵) ∗ 𝑣

𝑃

= 73,828 𝑁 ∗ 26,86 𝑚 𝑠 𝑷

= 𝟏𝟗𝟖𝟑, 𝟎𝟐 𝑾 = 𝟏, 𝟗𝟖𝟑 𝑲𝑾

4.5 Força Magneto Motriz (FMM)

Através da Equação 18, mencionada anteriormente pode-se calcular a força magneto

motriz, pois através dessa força é possível encontrar o número de espiras que serão necessárias

para cada núcleo do dinamômetro. Como o dinamômetro é constituído por 3 pares, ou seja, um polo sul e outro norte, então o FMM deve ser multiplicado por 2, que corresponde ao par. Antes de substituir os valores na equação é preciso definir o GAP do núcleo, com isso, foi obtido um 𝒙 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟔 𝒎, esse valor evitará que haja o contato do núcleo com o rotor, ou seja, o disco girante, devido as deformações causadas no mesmo, pois o campo magnético gerado fornecerá calor para o sistema, havendo deformações térmicas.

𝐹𝑀𝑀 = 2 ∗ 𝑥 ∗ 𝐵

𝜇

𝐹𝑀𝑀 = 2 ∗ 0,006 𝑚 ∗ 0,223 𝑇 4 ∗ 𝜋 ∗ 10

𝑇. 𝐴

𝑚 𝑭𝑴𝑴 = 𝟐𝟏𝟐𝟗, 𝟒𝟗 𝑨. 𝒆

Assim, calcula o número de espiras através da Equação 19, onde a corrente máxima de projeto será 2 A.

𝐹𝑀𝑀 = 𝑁 ∗ 𝐼

𝑁 = 𝐹𝑀𝑀 𝐼

𝑁 = 2129,49 𝐴. 𝑒 2 𝐴

𝑵 = 𝟏𝟎𝟔𝟒, 𝟕𝟒 𝒆 ≈ 𝟏𝟎𝟔𝟓 𝒆

Com todos os dados obtidos, principalmente a quantidade de espirar, e adotando um

valor de altura h do núcleo, é possível obter assim o número de voltas em que será necessário

para completar as 1065 espiras. Como a base do núcleo é de 50 mm e a altura adotada é de 40

mm, conclui que o núcleo será um solenoide, pois a solenoide o comprimento é maior ou igual

ao raio. O fio escolhido para a construção do mesmo, foi o AWG 19 que tem uma capacidade

máxima de 2 A. O Quadro 3, apresenta alguns dados necessários do AWG 19.

Quadro 3- Dados do Fio AWG 19. Fonte: (Autoria própria).

Com os dados do quadro 3, é possível encontrar o valor da base de suporte do núcleo, onde terá como função segurar o rolo do fio, ou seja, as espiras do solenoide, através de uma simples regra de três.

1 𝑐𝑚 = > 10,2 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠 4 𝑐𝑚 = > 𝑥 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠 𝒙 𝒆𝒔𝒑𝒊𝒓𝒂𝒔 = 𝟒𝟎, 𝟖 𝒆𝒔𝒑𝒊𝒓𝒂𝒔

1 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎 = > 40,8 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠 𝑥 = > 1065 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠

𝒙 = 𝟐𝟔, 𝟏𝟎𝟑 𝒗𝒐𝒍𝒕𝒂𝒔

0,9116 𝑚𝑚 ∗ 26,103 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑠 = 𝟐𝟑, 𝟕𝟗𝟓 𝒎𝒎 ≈ 𝟐𝟒 𝒎𝒎

Assim, a base para sustento do núcleo e dos fios, constituem em um diâmetro de 98 mm.

4.6 Desenho do Protótipo

O dinamômetro foi desenhado no software Inventor 2020 versão estudante. Foi optado por esse programa, por fornecer aos estudantes uma versão do software gratuito, com uma plataforma de desenho simples, onde o desenvolvimento é bem mais dinâmico. A seguir são mostrado os desenhos em 3D desenvolvidos para a contrução do dinamômetro de forma sequenciada.

REFERÊNCIA AWG 19

DIÂMETRO 0,9116 mm Kg por Km 5,79

SECÇÃO 0,65 mm² RESISTÊNCIA (ohms/Km) 26,15

NÚMERO DE ESPIRAS POR cm 10,2 capacidade 2 A

• A Figura 11, representa o disco do estator, onde suporta 6 solenoides fixados em um pino roscado. Foi desenvolvido para ser de aço 1020, com 400 mm de Diâmetro em uma chapa de 3/8”.

• Na Figura 12, mostra o Núcleo do solenoide, onde as duas bases superiores e inferiores têm como finalidade evitar o desdobramento do fio AWG 19. Projetado para ser de aço 1020, havendo um furo com rosca M8 para a fixação no estator, visto anteriormente.

Figura 12 - Núcleo do Solenoide. Fonte: (Autoria Própria).

Figura 11 - Disco do Estator. Fonte: (Autoria Própria).

• A Figura 13, representa o disco do estator, com as mesmas especificações do disco do rotor, no entanto ele possui 4 furos roscados M6 no centro para a fixação do flange.

• A Figura 14, foi projetada com aço 1020 com a finalidade de acoplar o rotor com o eixo do dinamômetro, para que haja a transmissão do torque do motor para o rotor.

Figura 13- Disco do Rotor. Fonte: (Autoria Própria)

Figura 14- Flange do Rotor. Fonte: (Autoria Própria).

• A Figura 15, mostra o formato da base para o mancal utilizado no projeto, ele é responsável para o alinhamento do eixo do motor com o eixo do dinamômetro. Como mostra na figura 18. Para efeito de simplicidade nos materiais, foi utilizado a mesma chapa dos discos.

• O eixo do motor é responsável para o ligamento entre o motor e o dinamômetro, desenvolvido com um diâmetro de 30 mm, onde a ponta em que acopla o flange do motor, corresponde a um diâmetro de 28 mm. E a outra a um diâmetro de 25,4 mm.

Como mostra na Figura 16.

Figura 16 - Eixo do Dinamômetro. Fonte: (Autoria Própria).

Figura 15 - Base do Rolamento. Fonte: (Autoria Própria).

• A Figura 17, mostra o flange responssavel pelo acoplamento do eixo do motor e o eixo de transmissão, onde são fixados através de um parafuso M6, constituido com o mesmo máteiral 1020.

• A Figura 18, mostra o Dinamômetro completo, com todos os seus elementos, inclusive o motor de 3cv, a bancada e os parafusos.

Figura 17 - Flange do Motor. Fonte: Autoria Própria

Figura 18 - Dinamômetro de Bancada Montado. Fonte: (Autoria Própria).

4.7 Material para o protótipo

No Quadro 4, estão os dados da quantidade de material necessário para fazer apenas o dinamômetro e seus respectivos preços no mercado.

MATERIAL QUANTIDADE PREÇO

CHAPA DE AÇO 1020 3/8" 1 m² R$ 299,00

TARUGO 1020 (30 X 300) mm R$ 21,00

TARUGO 1020 (84 x 426) mm R$ 349,00

TOTAL R$ 669,00

Quadro 4- Material Aço 1020 Para Confecção do Protótipo. Fonte: (Autoria Própria).

4.8 Componentes complementares

Nessa etapa estão listados os componentes complementares para a leitura e o funcionamento do dinamômetro. Sensores, fontes, dentre outros.

Para a finalização do dinamômetro são necessários alguns componentes para que haja o funcionamento e a leitura do mesmo, com isso, serão utilizados alguns componentes mostrados no Quadro 5, e seus respectivos valores.

COMPONENTES VALOR

MÉDIO FONTE DE ALIMENTAÇÃO DIGITAL R$ 500,00

AUTOTRANSFORMADOR R$ 90,00

TRANSFORMADOR R$ 120,00

SENSOR DE VELOCIDADE (VSS) R$ 70,00 TRANSDUTOR DE TEMPERATURA R$ 120,00 TRANSDUTOR DE VIBRAÇÃO R$ 30,00 INVERSOR DE FREQUÊNCIA R$ 700,00

CLP R$ 800,00

VENTILADOR DE RESFRIAMENTO R$ 320,00

TOTAL R$ 2.750,00

Quadro 5 - Componentes e Seus Respectivos Preços. Fonte: (Autoria própria).

• Fonte de Alimentação Industrial – A fonte de alimentação possui inúmeras

aplicações, principalmente na área da automação industrial e predial, sistema de

capacitação de calor, controle e mediação de processo, sensores diversos, alimentação

de sistemas elétricos e eletrônico, e diversas outras aplicações. Com isso esse

equipamento será responsável pela alimentação dos componentes do dinamômetro, podendo haver a regulagem da corrente e tensão que o sistema deve operar. Essa fonte é alimentada diretamente pela corrente elétrica.

• Autotransformador – Com o autotransformador será possível obter diversos valores de tensão, ou seja, será possível ajudar a intensidade da corrente em relação as bobinas, modificando assim o campo magnético gerado, e consequentemente a força de frenagem.

• Transformador – O transformador servirá basicamente para manter a corrente transmitida sempre constante, isolando as bobinas da rede elétrica. A diferença entre o autotransformador e o transformador é basicamente a quantidade de enrolamentos presente no mesmo.

• Sensor de velocidade – O sensor de velocidade transmite um sinal através de onda com frequência proporcional a velocidade, se gira em baixa velocidade o sensor transmite uma frequência baixa. O sensor será responsável para verificar a rotação do rotor do dinamômetro, observando assim o seu comportamento durante o processo de medição.

• Transdutor de temperatura – são dispositivos que possibilita converter valores ôhmicos de um sensor térmico em um sinal proporcional de corrente continua. Esse sinal serve para ativar instrumentos indicadores convencionais de bobinas, que no caso será o solenoide.

• Transdutor de vibração – são equipamentos capazes de verificar a vibração do um mecanismo, evitando assim futuros problemas em relação a balanceamento do dinamômetro, através das informações de amplitude e frequência fornecidas.

• Inversor de Frequência – Dispositivo capaz de controlar a rotação de um motor de indução trifásico.

• CLP – O controlador lógico programável é um dispositivo utilizado na automação para ser a inteligência de qualquer dispositivo, é o responsável por controlar tudo que esteja ligado ou programado a ele.

• Micro ventilador – Utilizado para reduzir a temperatura que é formada pelo campo

magnético gerado, evitando deformações agressivas.

4.9 Simulações

No Quadro 6 são mostrados todos os valores de massa e peso de cada componente utilizados para a construção do dinamômetro, esses valores foram estimados através do software inventor 2020 versão estudante. O valor da gravidade foi utilizado 9,81 m/s².

Dados Estimados Através do Software

Peça Massa Unidade (Kg) Massa Total (Kg) Peso (N)

Disco do Estator 9,377 9,377 91,98837

Núcleo 0,912 5,472 53,68032

Disco do Rotor 9,395 9,395 92,16495

Flange do Eixo 0,682 0,682 6,69042

Eixo 1,496 1,496 14,67576

Flange do Motor 1,328 1,328 13,02768

Peso Total 272,2275

Quadro 6 - Dados dos Componentes do Dinamômetro. Fonte: (Autoria Própria).

O Quadro 7, mostra os dados que são trazidos no motor, e alguns valores são estimados através de estudos como relatado anteriormente.

WEG

MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO

MODELO 90L 289 FREQUÊNCIA 60 Hz

POTÊNCIA 3 cv ROTAÇÃO 1710

rpm Δ 220/ Y 380

V

Δ 9,0 / Y 5,2

A Ip / In 6

FS 1,15 ISOL B

REG. S. 1 CAT N

FORÇA 60 N DISTÂNCIA 0,4 m

Quadro 7 - Dados Considerados do Motor. Fonte: (Autoria Própria).

4.9.1 Estator

As simulações foram realizadas no software de acordo com os cálculos obtidos através dos dados de massa, força, torque dentre outros. A Figura 19, representa a simulação do disco do estator, onde foi aplicado um torque de 9 𝑁. 𝑚, como obtido nos cálculos do conjugado.

Considerando a massa dos componentes com relação a uma gravidade de 9,81 𝑚/𝑠², e a influência da temperatura no material, pois o campo magnético gera calor. Não é possível calcular a temperatura, apenas em experimentos. Com isso foi estimado uma temperatura de 70 °𝐶. Nas Figuras 19 e 20, podemos conferi como se comportou o estator com as tensões fornecidas na simulação, podendo observar que suporta os esforços.

Foi utilizado apenas um núcleo, por motivos de simplificação, já que suportam o mesmo esforço.

Figura 19 - Simulação do Estator, Vista Frontal. Fonte: (Autoria Própria).

4.9.2 Rotor

O rotor, como está bem próximo do estator, sofre basicamente os mesmos esforços do estator, modificando apenas seus pontos fixos, área de contato e massa do material, nas Figuras 21 e 22, verifica a suas tensões máximas e um modelo de suas deformações.

Como já esperado, a deformação acontecerá nas suas extremidades, pois o seu centro está fixo com o flange do eixo, no entanto as suas deformações são consideráveis, já que o limite de escoamento máximo do material não foi atingido.

Figura 20 - Simulação do Estator. Fonte: (Autoria Própria).

Figura 22 - Simulação Rotor. Fonte: (Autoria Própria).

Figura 21 - Simulação Frontal do Rotor. Fonte: (Autoria Própria).

4.9.3 Flange do Rotor

Como o flange está diretamente em contato com o rotor, foi utilizado a mesma temperatura de 70 °C, com um torque de 9 N.m. O valor do torque de 9 N.m foi utilizado em todos os componentes, já que é o torque máximo encontrado no dinamômetro, foi utilizado carga de massa distribuída e os esforços atuantes no mesmo. As Figuras 22 e 23, mostram os valores das simulações.

Através da simulação é possível averiguar que as tensões máximas chegam bem próximas das tensões de escoamento. A tensão máxima obtida na simulação como mostra na Figura 24 é de 3,454 ∗ 10

𝑁/𝑚

e o limite de escoamento do aço 1020 é aproximadamente 3,516 ∗ 10

𝑁/𝑚². Porém como é utilizado os esforços mais críticos que se pode ter no dinamômetro, conclui que esse mecanismo é admissível para o protótipo.

Figura 23 - Simulação Flange do Rotor. Fonte: (Autoria Própria).