Edgar Roosevelt_tese

(1)

sín ronas a ímãs permanentes para geração eóli a e

redução do onteúdo harmni o do uxo indutor

Edgar Roosevelt Braga Filho

TesedeDoutoradosubmetidaàCoordenadoriadoProgramade

Pós-GraduçãoemEngenharia Elétri adaUniversidade Federalde

Cam-pina Grande - Campus de Campina Grande omo parte dos

requi-sitos ne essários para obtenção do grau de Doutor em Ciên ias no

DomíniodaEngenharia Elétri a.

Áreade Con entração: Pro essamento daEnergia

Antonio Mar us Nogueira Lima, Dr.

Orientador

Campina Grande,Paraíba,Brasil

(2)

sín ronas a ímãs permanentes para geração eóli a e

redução do onteúdo harmni o do uxo indutor

Edgar Roosevelt Braga Filho

Tese de Doutoradoapresentada em Maiode 2011

Antonio Mar us Nogueira Lima, Dr.

Orientador

Telmo Silvade Araújo, Dr.

Co-Orientador (inmemoriam)

Darizon Alvesde Andrade,Dr.

Componenteda Ban a

Denizar Cruz Martins, Dr.

Componenteda Ban a

Cursino Brandão Ja obina,Dr.

Componenteda Ban a

Alexandre CunhaOliveira, Dr.

Componente daBan a

(3)

Este trabalho é dedi ado a Célia, Giordana e Ramon, por minhas ausên ia e saudade,

extemporâneas, que lhes ausei, e, também, dedi ado a Seu Edgar e Dona Lourdes, de

(4)

Ao Professor Telmo Silva de Araújo(in memoriam), pela motivação ao tema e à formação

nesta área do onhe imento.

AoProfessorAntnioMar usNogueiraLima,pelaorientação,parti ipaçãoesustentação

a adêmi a aolongo deste período.

AoProfessorCursinoBrandãoJa obina,pora eitarapresidên iadaban aexaminadora

e pelos en aminhamentos efetivosao términoe àapresentação nal deste trabalho.

Aosdemaismembrosexaminadores, ProfessoresAlexandreCunhaOliveira,Darizon

Al-ves de Andrade e Denizar Cruz Martins, pelas leitura,sugestõese re omendações à

elabo-ração dodo umentonal de apresentação.

Ao olegaAntniodoNas imentoEpaminondas,pelasinndáveisdis ussões, elaboração

onjuntae implementaçãode té ni as numéri as sobre ostemas tratados.

Aos olegasdoNú leo deEnergia(NERG),parti ularmentemedirijoaFran is o

CÂN-DIDOFilho, GERVÁSIO Ribeiro Gomes,Jorge Eduardode Jesús SEREYLopez eManoel

ADALBERTO Guedes, pelas ontribuiçõesimpres indíveisquandodopro esso de

onstru-ção e ara terização dos protótipos desenvolvidos.

Aos olegasBenemar Alen ar e RmuloNavarro, pelas disponibilidade, atençãoe

pres-teza quanto aos en aminhamento e desembaraço buro ráti os nas Coordenação e

Pró-Reitoria de Pós-Graduação, respe tivamente.

Enm a todos aqueles que direta ouindiretamente ontribuírampara onse ução deste

(5)

Opro essode on epção assistidaaoprojetodea ionadoresnaeletrome âni a

fundamenta-se, essen ialmente, namelhorasso iaçãomáquina- onversorestáti o-periféri os, omo

solu-çãoaum problemade a ionamento. Neste trabalhosão feitosaanáliseeodesenvolvimento

dedispositivosaímãspermanentes,paraoperação omogeradorisoladoe omopartedeum

sistema destinado ao aproveitamento eóli o. Baseado no pro esso de on epção

desenvol-vidoeemanálisespor ál ulode ampos,estudosde onsolidaçãosobreaquelesdispositivos

foramrealizados,osquais onduziramadeniçãoda onguraçãoaímãsinteriores(IPM),e

àmagnetizaçãotransversal, omoademelhoradequaçãoao asoemproposição. Nosentido

de reduziro onteúdoharmni odas tensõesgeradaseda omponentederelutân ia do

tor-que, devido à abertura das ranhuras, uma té ni ade minimização das ondulaçõesdo uxo

indutor,para este tipode estrutura, foi desenvolvidae validada experimentalmente. Como

forma de dar onsistên ia às espe i ações requeridas e ao pro esso de on epção

desen-volvido, váriosprotótiposforamprojetados om baseno ir uitomagnéti odessa estrutura

(IPM),perfazendoototaldenove ongurações onstruídaseanalisadas. Dea ordo omos

resultados de ara terização dos protótipos e de validação levados a efeito foram

onstata-dos, demodoobjetivo,aimportân iadopro essode on epção eométodode minimização

da omponente de relutân ia do torque desenvolvido, assim omo de uma té ni a de

de-terminação dos parâmetros indutivos dos seus ir uitos equivalentes, omo elementos de

(6)

The omputer-aided designofele trome hani aldrives, isprimarilybasedonthebest

om-binationof ele tri alma hine/ele tri power onverter/peripherals,as asolutiontoagiven

drive problem. This work deals with the analysis and design of permanent magnetdevi es

on eived to operate as isolated generator, as part of a wind energy system. Based on the

proposed designpro edureand in ele tromagneti elds omputations,studiesabout those

devi es were made, whi h led to denition of the interior permanent magnets

ongura-tion with transverse magnetization, as the best solution for the proposed ase. To redu e

the harmoni ontent of the generated voltage and ogging torque omponent, ate hnique

for minimizing the os illations of the magneti ux distribution has been developed and

validated experimentally. To be onsistent with the required spe i ations and tovalidate

the proposed designpro edures, several devi e prototypesbased on the interior permanent

magnets onguration have been designed, a total of nine ongurations onstru ted and

analyzed. Based on the prototype hara terization studies and the experimental

valida-tion tests, the importan e of the proposed design pro edure as well as the developed

og-ging torque minimization method and the ele tri al parameters determination te hnique,

as relevant design elements for the interior permanent magnets onguration have been

(7)

1 Introdução 1 2 Revisão Bibliográ a 5 3 Formalização 25 3.1 Introdução . . . 25 3.2 Força de Lorentz . . . 25 3.3 CarregamentoEletromagnéti o . . . 26 3.4 Fator de Utilização . . . 29 3.5 Trajetória Evolutiva . . . 31 3.6 Relações Fun ionais . . . 34 3.6.1 Parâmetro de Es ala . . . 34 3.7 Funções de Utilização . . . 37 3.7.1 Função de Cobre . . . 38 3.7.2 Equaçõesda forma

D

n

_L

. . . 40

4 Materiais e Cir uitos Magnéti os 44 4.1 Introdução . . . 44

4.2 Aspe to mi ros ópi o . . . 46

4.3 Aspe to ma ros ópi o . . . 48

4.4 Cir uitoMagnéti o . . . 51

4.5 Cara terísti as . . . 52

(8)

5.1 Introdução . . . 63

5.2 Cir uitoMagnéti oporPólo . . . 64

5.3 ConguraçõesTípi as. . . 64 5.4 ConguraçõesSPM - IPM . . . 67 5.5 Deniçãoda Conguração . . . 68 5.5.1 DimensõesPrin ipais . . . 69 5.5.2 Rotor . . . 71 5.5.3 Estator. . . 74 5.6 Perdas . . . 77 5.6.1 Perdas no Cobre . . . 77 5.6.2 Perdas no Ferro . . . 78 6 Estruturas Desenvolvidas 82 6.1 Introdução . . . 82 6.2 FontePrimária . . . 83 6.3 Compatibilizaçãodo Sistema. . . 85 6.4 Deniçãoda Conguração . . . 91 6.5 VariaçõesParamétri as . . . 92

6.6 Conguração a ÍmãsTranversais (IPM) . . . 94

6.7 ProtótiposConstruídos . . . 96

6.8 Perdas noFerro -Considerações . . . 103

6.9 Análise Comparativa . . . 106

6.9.1 Experimentação- Perdas no Ferro . . . 107

6.9.2 Experimentação- Rendimentoda Conversão . . . 110

7 Minimização do Cogging Torque 116 7.1 Introdução . . . 116

7.2 Ondulaçõesde Fluxo . . . 117

7.3 Ondulaçõesde Torque - ConguraçõesSPM-IPM . . . 118

(9)

7.4.2 Esforços Eletrome âni os - Tensor de Maxwell . . . 125

7.4.3 Esforços Eletrome âni os - Domíniode Estudo . . . 129

7.5 Minimização . . . 130

7.6 Té ni a Proposta . . . 132

7.7 Resultados - Simulações . . . 137

7.8 Resultados - Experimentação . . . 140

7.9 Complementos. . . 146

7.9.1 Conguração SPM - Ímãsa MagnetizaçãoRadial . . . 146

7.9.2 Conguração IPM - Ímãs aMagnetização Radial . . . 148

7.9.3 Conguração IPM - Ímãs aMagnetização Radial eTransversal . . . . 151

8 Cara terização 161 8.1 Introdução . . . 161

8.2 Cronologia . . . 161

8.3 Conguraçõesa Ímãs Permanentes . . . 164

8.3.1 Parâmetros Indutivos - Cál ulode Campos . . . 165

8.3.2 Parâmetros Indutivos - Experimentação . . . 167

8.4 Té ni a Proposta . . . 169 8.5 Formalização . . . 171 8.6 Implementação . . . 174 8.7 Resultados . . . 177 8.7.1 Protótipo PCVRA . . . 179 8.7.2 Protótipo PCVRpA. . . 182 8.8 Complementos. . . 186

8.8.1 Dispositivoa Fluxo Axial . . . 188

8.8.2 DispositivoSem Peças Polares . . . 191

8.8.3 Dispositivoa Anel-Es ovas . . . 193

9 Con lusão 199

(10)

A

Densidade linearde orrente ou arga elétri aespe í a

A

Cu

Áreade ranhura de estator

A

M AX

Intensidade máximapara densidade linear de orrente

B

(11)

c

a

Dimensão radialde separador interpolar

c

0

,

c

1

,

c

2

Constantes

cos(ψ)

Fator de potên ia

D

,

D

r

Diâmetro de rotor

D

i

Diâmetro interno de estator

D

rh

Diâmetro de fundo de ranhura

D

0

Diâmetro externo de estator

dA

Elemento in remental de superfí ie

dV

Elemento in remental de volume

d

c

,

h

n

Comprimento radialde oroa ounú leo de estator

d

e

Espessura de ondutor

dl

Elemento in remental de omprimento

d

ij

Deslo amento in rementalasso iado aum dispositivo

d

s

,

h

t

Comprimento radialde dente de estator

d

0

Comprimento radialde istmo de ranhura

E

Vetor ampo elétri o

E

Força ontra-eletromotriz

E

f

Força eletromotrizgerada

E

f

l

Força eletromotrizgerada para máquina de pólos lisos

E

f

s

Força eletromotrizgerada para máquina de pólos salientes

(12)

F

a

Força magnetomotrizasso iada aoímã

F

c

Força magnetomotriz oer itiva

F

m

Força sobre aparte móvel de um dispositivo

F

0

,

F

′

0

Funçõesde utilizaçãode estator

F

π

H

e

Campo noentreferro

H

l

Diferença de poten ialmagnéti o

H

v

Campo orrespondente a ondição de vazio

h

Coe iente de eva uação de alor

I

Corrente ir ulanteemum ondutor

Ia

,

I

f

Corrente ir ulantepor fase

I

d

Corrente ir ulantesegundo o eixo direto

I

q

Corrente ir ulantesegundo o eixo emquadratura

i

′

(14)

k

1

Fator asso iado aperdas pordissipação

k

β

Fator de ponderação asso iado ao efeitode bordas

L

Comprimento axial

L

d

Indutân ia sín rona segundo o eixodireto

L

q

Indutân ia sín rona segundo o eixoemquadratura

L

s

l

xn

Comprimento radialde oroa ounú leo de estator

m

Número de fases

m

(r)

Massa de rotor

N

Número de ondutores por fase

N

rh

Número de ranhuras

n

Constante

n

s

Velo idadeangular

P

Número de pólos de um dispositivo

P

P

F e

Perdas no ferro

P n

,

P

nom

Potên ia nominal

P

jp

Raiointerno da base de ranhura

(16)

S

e

Áreada se ção transversal do entreferro

S

g

Áreapolaraoníveldoentreferro

S

t

Se çãoque subentende a área varridapelas pás de uma turbina

S

1

V

F e

Volumetotal de ferro

v

Velo idadelinear

vol

(r)

Volumede rotor

W

mag

Energia asso iada a um dispositivo

W

′

mag

Co-energia asso iada aum dispositivo

w

Velo idadeangular

w

m

Dimensão doímãsegundo adireção normala magnetização

w

x

m

Deslo amento linear in remental

Z

Número total de ondutores

α

Ângulo interno asso iado aoraiode orteúni o de rotor

α

m

Deslo amento angularin remental

β

Razão de aspe to polar

β

opt

Razão de aspe to polarpósotimização

β

t

Passo de rotaçãolongitudinal dapá de turbina eóli a

Γ

Superfí iede denição de um domínio

γ

Relaçãode perlamentoda sapatapolar

Rendimentoda onversão

θ

Referên iade deslo amentoangular

λ

Relaçãoentre os diâmetros internoe externo de estator

4.1 Propriedadesdas prin ipaisligasmagnéti as rígidas . . . 50

6.1 Grandezas edimensõesprin ipais . . . 95

6.2 Conjuntos Estator-Rotor referen iados . . . 102

6.3 Grandezas edimensõesprin ipaisdoprotótipoPCVRA . . . 114

8.1 Vetor de dados -ProtótipoPCVRA. . . 179

8.2 Vetor de dados -ProtótipoPCVRpA. . . 183

8.3 Parâmetros Indutivos -Variação Per entual . . . 196

(21)

3.1 CargaMagnéti a Espe í a[T℄ versus passo polar[m℄ . . . 27

3.2 CargaElétri a Espe í a [kA/m℄ versus passo polar[m℄ . . . 28

3.3 Fator de Utilização [wb.A/m3℄ versus passo polar[m℄ . . . 31

3.4 Passo Polar[m℄ versus Potên iaútildesenvolvida [kW℄ . . . 35

3.5 Representações idealizada(Carter) e original(ranhurada) . . . 38

3.6 Parametrizaçãodas dimensõesestatóri as. . . 39

3.7 Funçãoquadráti a versus lambda . . . 40

3.8 Funçãode Cobreversus lambda . . . 41

3.9 Máximos de lambda(1) e daFunção de Utilização

F

0

(2) . . . 42

4.1 Curvas de Histerese típi as para ligasbrandas (a) erígidas (b) . . . 47

4.2 Evolução do produto BHmax[kJ/m3℄ para ligasrígidas . . . 48

4.3 Cara terísti as típi as para asprin ipaisligasrígidas . . . 49

4.4 Representação equivalente -variantes Thévenin e Norton . . . 51

4.5 Cara terísti a

Ψ(F )xF

. . . 52

4.6 Cara terísti aB(H)xH . . . 52

4.7 Eletroímã- per ursoAmperiano . . . 53

4.8 Cara terísti aB(H)xH . . . 54

4.9 Representação equivalente -variante de Norton . . . 56

4.10 Cir uitoequivalente- ondição de vazio . . . 58

4.11 DiagramaBH - Cara terísti as doímã, de re uoe de dispersão . . . 59

4.12 Cir uitoequivalente- ondição de arga . . . 59

(22)

5.1 Cir uitomagnéti o por par de pólos. . . 64

5.2 ConguraçõesSPM-IPM típi as - eixosreferen iais . . . 65

5.3 Estruturas SPM eIPM . . . 67

5.4 Organogramageral de projeto . . . 69

5.5 Dimensõesprin ipais- etapa (1) . . . 70

5.6 Estrutura SPM -parametrização dimensional . . . 71

5.7 Estrutura IPM - parametrização dimensional . . . 73

5.8 Dimensionamento dorotor -etapa (2). . . 74

5.9 Dimensionamento doestator- etapas (3) e (4) . . . 76

5.10 Elementosde he agem . . . 79

6.1 Conguração dosistema proposto . . . 85

6.2 Cara terísti as opera ionais . . . 86

6.3 Diagramade tensões . . . 87

6.4 Tensõesterminais. . . 87

6.5 Potên ia - ondições limites . . . 88

6.6 Torque - Condiçõeslimites . . . 89

6.7 Torque - regiõesopera ionais. . . 90

6.8 Turbina - ara terísti a

[T (w

s

) × w

s

]

. . . 90 6.9 Estruturas típi as dos tiposSPM e IPM . . . 91

6.10 Variação paramétri a das estruturas om diâmetroestatóri o . . . 92

6.11 Variação paramétri a das estruturas om aespessura do ímã . . . 93

6.12 Variação paramétri a oma espessura doímãe entreferro . . . 95

6.13 Peças de Ferrites . . . 96

6.14 Laminaçãode Fe-Si . . . 96

6.15 Estator- vista explodida em orte . . . 97

6.16 Rotor -vista explodida por passo polar . . . 98

6.17 Laminaçãoestatóri a - impregnaçãodiferen iada. . . 98

6.18 Vistainterna (SV) . . . 99

(23)

6.21 Estator(CV) . . . 99

6.22 Vistainterna (SV/I) . . . 100

6.23 Estator(SV/I) . . . 100 6.24 Elementosrotóri os . . . 100 6.25 Rotor (RM) . . . 100 6.26 Rotor (RF) . . . 101 6.27 Rotor (RA) . . . 101 6.28 Conjuntos estatóri os . . . 102 6.29 Rotoresmontados . . . 102

6.30 Perdas noferro - ProtótiposPCVRM e PCVRF . . . 107

6.31 Perdas noferro - ProtótiposPCVRF e PCVRA . . . 108

6.32 Perdas noferro - ProtótiposPSVRA/I e PSVRA . . . 109

6.33 Perdas noferro - ProtótiposPSVRA e PCVRA . . . 109

6.34 Rotor om peças polares ma iças emaço . . . 110

6.35 Rotor om peças polares laminadasem aço . . . 111

6.36 Rotor om peças polares laminadasem Ferro-Silí io . . . 112

6.37 RendimentodaConversão -Quadro Geral . . . 112

6.38 Fluxo de eixo 'd' . . . 113

6.39 Fluxo de eixo 'q' . . . 113

7.1 Estruturas dos tipos IPM-SPM . . . 118

7.2 Condutor ideal sob ampomagnéti o . . . 126

7.3 Superfí ie de denição . . . 129

7.4 Estruturas om ranhuras semiabertas e fe hadas . . . 133

7.5 Parametrização . . . 133

7.6 Fluxo avazio . . . 133

7.7 Evolução dorotor porpasso de ranhura . . . 135

7.8 Protótipo PCVRA- ara terísti ade tensãoa vazio . . . 137

7.9 Protótipo PCVRA- ara terísti ade oggingtorque . . . 137

(24)

7.12 Fresageminterpolar . . . 140

7.13 Perlamento . . . 140

7.14 Plataformade ensaios . . . 140

7.15 Forças eletromotrizes . . . 141

7.16 Torque desenvolvido . . . 141

7.17 Tensão sob arga . . . 142

7.18 Torque desenvolvido . . . 142

7.19 Reaçãodesmagnetizante daarmadura . . . 143

7.20 Referên iaquanto a desmagnetização . . . 143

7.21 Fems geradas- Aquisição por ál ulo de ampos . . . 144

7.22 Fems geradas- Aquisição pelaexperimentação . . . 144

7.23 Transdução de esforços à élula de arga . . . 144

7.24 Aquisição, registro earmazenamento de dados . . . 144

7.25 Coggingtorque - Aquisição por ál ulo de ampos . . . 145

7.26 Coggingtorque - Aquisição pelaexperimentação . . . 145

7.27 Protótipo arotor externo - onguraçãooriginal . . . 147

7.28 Protótipo arotor externo - onguraçãooriginal(a) emodi ada (b) . . . . 147

7.29 Protótipo arotor externo - oggingtorque por passo polar . . . 148

7.30 Dispositivo dotipo INSET - onguração de ampo . . . 149

7.31 Rotor INSET- estruturas original (a)e modi ada(b) . . . 150

7.32 Rotor INSET: Cogging torque porpasso de ranhura . . . 150

7.33 Protótipo MASAP-APP1: domíniode estudo . . . 152

7.34 Protótipo MASAP-APP1: onguraçãode ampo original . . . 152

7.35 MASAP-APP1: Conguração de ampo original(a) emodi ada (b) . . . . 153

7.36 MASAP-APP1: Cogging torque porpasso de ranhura . . . 154

7.37 Condiçãode arga(40A)-torqueeletromagnéti o[N.m℄porpassopolar[

(grau)

℄155 7.38 MASAP-APP1: Força eletromotriz por passopolar(MOUVEF) . . . 156

7.39 MASAP-APP1: Força eletromotriz por passopolar(EFCAD-2D) . . . 156

(25)

8.2 Fluxograma geraldo pro esso . . . 176

8.3 Plataformade ensaios: vistas (a)e(b) . . . 177

8.4 EstatorCV; vistasinterna(a) elateral (b) . . . 178

8.5 Rotor não-perladoRA01 (a)e perlado RAp01 (b) . . . 179

8.6 Protótipo PCVRA- Cara terísti aexterna . . . 180

8.7 Protótipo PCVRA- Fluxos de eixo direto(a) eem quadratura (b) . . . 181

8.8 Protótipo PCVRA- Cara terísti as externas . . . 182

8.9 Protótipo PCVRpA - Fluxosde eixo direto(a)e emquadratura (b) . . . 184

8.10 Protótipo PCVRpA - Cara terísti as externas . . . 184

8.11 Inuên iado perlamento- eixoem quadratura . . . 186

8.12 Dispositivo auxo axial . . . 189

8.13 Dispositivo auxo axial- ara terísti asexternas . . . 190

8.14 Dispositivo sem peças polares . . . 191

8.15 Dispositivo sem peças polares - ara terísti as externas . . . 192

8.16 Dispositivo aanel-es ovas- (a) rotor; (b) estator . . . 194

(26)

Introdução

O estudo dos onversores bidire ionaisde energia, objeto daeletrome âni a, pode ser

on-siderado um ponto nodal na engenharia elétri a. Deste modo, enquanto área de interesse

quepriorizaein orpora on eitose informaçõesde vários outrosramosdo onhe imento,a

saber, dame âni a,termodinâmi a,a ústi a, iên iasdosmateriaiseoutros,podeser vista

omo sede de interações om ada uma dessas vias do onhe imento, em maior ou menor

grau, a depender daênfase, natureza oufase de estudo emquestão.

Eviden ia-se, portanto, que desde os primórdios da eletri idade, em meados do sé ulo

dezenove,as limitaçõesde araterteóri ode então não impossibilitaramodesenvolvimento

de aparatos eletrome âni os, em que a superação dos problemas te nológi os nessa fase

pioneira passava, ne essariamente, pelo binmio onstrução-experimentação, nosentido de

se fazerinterpolaçõessobre as ara terísti asfun ionaisdos dispositivosdesenvolvidos.

A partir daí onstata-se, ronologi amente, que a evolução de tais desenvolvimentos se

baseia,essen ialmente, naquilo quedizrespeito aosaspe tos vin uladosàsuaformalização,

aos materiais envolvidos nasua onstrução eaos modelos de estudo utilizadosna

interpre-tação dos fenmenos físi osenvolvidos nasua operação.

Deste modo e a partir dosé ulo vinte, aevolução do onhe imento relativoaos

on ei-tos físi os, possibilitouo desenvolvimento de modelos adequados à análise e on epção de

tais aparatos, apesar doelevado grau de repetitividade dos ál ulos eiteraçõesdas tarefas

inerentes aesses pro essos.

(27)

rígidas,promoveram desdobramentos onsideráveis nestaárea do onhe imento,

poten iali-zando signi ativamentea diversidade de apli ações neste domínio.

No que diz respeito às ferramentas de análise e síntese, alterações substan iais no

pro- esso de dimensionamento dos dispositivosde orrente ontínua ealternada, foram

eviden- iadas a partir dadé ada de inqüenta , om o apare imento das primeiras al uladoras e

omputadores programáveis, ongurando uma nova visão sobre os pro edimentos de

aná-lise e síntese até então levados a efeito, materializada através da revisão e adaptação dos

métodosde ál uloedetrabalhosnestaáreado onhe imento,extensivaaodesenvolvimento

de novos dispositivos.

Relativamentea estes trabalhos, foram onstatados a partir de então, desdobramentos

importantesnodesenvolvimentodemáquinasex itadasporímãspermanentes,noquetange

à exploração de novas ongurações e ao aumento do rendimento fun ional, omparativ

a-menteàs máquinasde onstrução lássi a,dentre outros aspe tos orrelatos.

Neste sentido e omoanteriormentesalientado,osdesenvolvimentosdas ligas erâmi as

e de terras raras, da eletrni a de potên ia e dos re ursos de informáti a, protagonizaram

os avanços mais re entes naqueles a ionamentos om base nas ongurações itadas.

Com apossibilidadede alimentaçãovia onversor estáti odadoaoseure ente

desenvol-vimento nas últimas dé adas, tal desao não apenas persiste mas are e de onsiderações

espe iais, fa eàsnovaspoten ialidadesde apli açãodessasnovasestruturas aímãs

perma-nentes.

Comrelaçãoàsalternativasdedeniçãodessasestruturas ristalizam-sepelomenosduas

diretrizesprin ipaisde abordagemnessedomíniode interesse, quaissejam: umaqueanalisa

o universo de possibilidades, ouopções, dentre as possíveis estruturas andidatas, e outra,

que bus a melhorsolução individualizadaa partirde uma opção ou onguração denida.

Na primeirarota de per urso a tendên ia de projeto tem, omo ponto de partida,

pro- edimentos analíti os gerais para, posteriormente, se fazer a es olha da onguração da

estrutura om base nas restrições impostas. Asso ia-se, a seguir, o renamento de projeto

através de ál ulo de ampos, visando denir a solução, o que seria uma es olha dentro

do universo de possibilidades; já a segunda trajetória tende, normalmente, a exe utar um

(28)

asso iados ao ál ulo de amposbus ando, desta forma,a melhorsolução individualizada.

Fundamentada nas onsiderações anteriores, eviden ia-se que a possibilidade da

on- epção assistida, tal omo a análise desses dispositivos, tem por base a integração de três

elementos essen iais que se omplementam durante o pro esso. Em primeiro lugar, uma

base de dados onsistente, om a qualse deve desta ar a exibilidade doseu uso e o grau

de interatividade om o usuário; posteriormente, em representações relativamente

dedig-nas da estrutura, através de ir uitos elétri os e magnéti os equivalentes, uja relação de

espelhamento deve ser ponderada a partirdo binmio pre isãode resultados versus tempo

de exe ução e,naseqüên ia, num sub-sistema de ál ulo de ampos,quepossibilitea

om-paraçãoouveri açãode resultadosoriundosdos pro edimentosanalíti osanteriores, omo

forma de possibilitar mudanças e alterações su essivas no pro esso, até uma onvergên ia

satisfatóriapara a estrutura solução.

As etapas desenvolvidas no âmbito deste trabalho estão apresentadas segundo uma

seqüên ia de nove apítulos, sistematizados onformedes rito a seguir.

No segundo apítulo é feito um levantamento bibliográ o sobre a evolução dos

on- eitos, desenvolvimento de materiais e modelos de estudo asso iados a análise e on epção

dos dispositivos eletrome âni os,parti ularmenteno aso daqueles ex itadospor ímãs

per-manentes ressaltando, de forma ronológi a, os prin ipaisaspe tos ligados à sua trajetória

te nológi a.

No apítulo três é abordada a formalização de on eitos, asso iada à análise e

on ep-ção daqueles dispositivos, fundamentada nos prin ípios bási os e relações fun ionais que

tipi amo pro esso da onversão atravésdos prin ipaiselementos de denição, grandezas,

fatores e funçõesde utilizaçãoenvolvidos.

No quarto apítulo érealizadoum levantamento dos prin ipaistipos de materiais

mag-néti os utilizados e suas ara terísti as, om destaque para as ligas rígidas erâmi as e de

terras raras em que se enfatizam o modelo de estudo baseado no ir uito magnéti o por

pólo daestrutura e osdiagramas de estado orrespondentes.

No apítulo in o é realizado um des ritivo sobre as prin ipais ongurações a ímãs

permanentes, notadamentevin uladasàdisposição das peças imantadasnorotor do

(29)

restrições dimensionaisdessas estruturas.

Nosexto apítuloforamdesenvolvidosaanálise,deniçãoeprojetodeestruturasaímãs

transversais do tipo IPM, para fun ionamento omo gerador om base nos ondi ionantes

vin uladosaoa ionamentoprimário. Taisdesenvolvimentos, materializadossob aformade

pares inter ambiáveis estator-rotor,nototal de nove ongurações onstruídas,

possibilita-ram não apenas a es olha da melhor onguração ara terizada mas tambéma adoção de

um onjuntode ritérios ediretrizes de exe uçãopara este tipo de estrutura, noâmbito do

trabalhorealizado.

Com oobjetivode aperfeiçoara onguraçãoes olhidaapresenta-se, nosétimo apítulo,

odesenvolvimentodeumaté ni adereduçãoda omponentederelutân iadotorquedevido

à abertura das ranhuras, baseada em um pro esso de otimização da razão de aspe to do

rotor e da relação de perlamento da peça polar, para estruturas a ímãs transversais do

tipo IPM. Com base na onguração anteriormente es olhida e fundamentada no referido

pro esso,umnovorotorfoiprojetadoe onstruído,nosentidodeveri arevalidaraté ni a

proposta edesenvolvida.

Com referên ia ao pro esso desenvolvido e omo forma de omplementariedade ao

es-tudo, esta té ni ade minimização foiapli adaa diferentes tiposde estruturas, de natureza

e autoria externas a este trabalho, objetivando onsistir sua apli ação às demais outras

ongurações.

No oitavo apítulo,dedi ado à ara terizaçãodos dispositivosprojetados e onstruídos,

édesenvolvidaumaté ni adeestimativadeseus parâmetrosde regimepermanente,

asso i-ada diretamenteàs suas reatân ias de eixodireto e emquadratura, aqual éfundamentada

e formalizadaatravésdomodeloa duas reações, tal omovalidada ombase em sua

ara -terísti a externa, ou de arga, onsiderada a verdadeira resposta fun ional do dispositivo,

segundo suas ondiçõesopera ionais.

De modo similar ao tratado no apítulo anterior, o pro esso de determinação dos

pa-râmetros desenvolvido foi também apli ado a estruturas alheias a este trabalho, no que

on erne à sua validação eanálise omparativa om outros métodos experimentais.

No nono apítulo desta memória, são apresentados aspe tos de natureza on lusiva e

(30)

Revisão Bibliográ a

A utilizaçãodas ligas magnéti as rígidas na onstrução eletrome âni a data das primeiras

dé adas do sé ulo vinte, onforme seu apare imento se ongurava e sua disponibilidade

se onsolidava omer ialmente [1℄. Ini ialmenteutilizadas eminstrumentos de laboratório,

tais omo galvanmetrose ta metros,somenteapartir dasegunda metade daquele sé ulo

éque surgemosprimeirosprotótiposde máquinaselétri asquefazem uso dessesmateriais,

após aprodução emes ala industrialdaliga de Alni o.

Tendo-seoriginalmente omoobjetivopoten ialasubstituiçãopuraesimplesdo ir uito

de ex itaçãodotipobobina-nú leoporímãspermanentes emgeradores, osprojetos

pionei-rosse fundamentavam, essen ialmente, nobinmio onstrução-experimentação, apartir do

desenvolvimento de pequenos protótipos, em es ala, e no onseqüente emprego de regras

semiempíri asde dimensionamento.

Os estudosde viabilidadedos primeirosprotótipos[2℄, forammotivados sobretudo pela

possibilidade de apli ação na indústria aeronáuti a e em aparatos portáteis. Utilizando a

formulação lássi a de dimensionamento,assim omo representações por ir uitos

magnéti- os equivalentes, Brainard e Strauss [3, 4℄ analisaram, opera ionalmente, tais protótipos à

luzdasvantagensedesvantagensde adatipodeestrutura,visando ompatibilizarovolume

dos materiaisenvolvidoseodesempenhodessesdispositivos,relativamenteaos ustosnais

dodesenvolvimento [5℄.

Utilizandoligasde maiordensidadede energia,aindade Alni o, surgemnovasvariantes

(31)

imantadas,fa e à desmagnetização.

Muito embora tais problemas fossem levantados em nível de projeto para a operação

omo gerador, Merrill [7℄ ompara o desempenho de protótipos onstruídos om base em

ímãs permanentes om motores de indução de potên iafra ionária, neste modode

fun io-namento, para asmesmas ondiçõesde regimee apli ação.

Neste sentido e segundo omentário de P. L. Alger neste mesmo artigo [7℄, tal tipo de

estrutura a ímãs permanentes, teria grande importân ia doravante, por olo ar

ara te-rísti as superiores às dos demais motores de porte equivalente; todavia, ainda dependeria

fortementedas ara terísti ase ustosdenovasligasaseremdesenvolvidasepoten ialmente

in orporadas a esses projetos.

Apesardeadmitirem omoóbviasasvantagensa ima itadas,HanrahaneToolo[8,9℄,

alertam para o fato de algumas grandezas não poderem ser denidas independentemente,

quando do pro esso de ál ulo. Nesta mesma direção um pro edimento empíri o de

a-ra terização é desenvolvido porCahill e Adkins[10℄, osquais expli itam a omposição das

omponentes de orrente, segundo o eixo direto e em quadratura, através de vários

en-saios sobre um motorexistente, assim omo determinama inuên ia dasaturação sobre as

reatân ias orrespondentes.

Do nal da segunda grande guerra aos anos sessenta, veri ou-se uma aparente

alma-ria, senão uma estabilização, no que on erne ao desenvolvimento de novos protótipos ou

de grandes avanços na utilização desses materiais lássi os, na onstrução eletrome âni a.

Talvez pela exaustão do uso de ligas de baixo ampo oer itivo, omo as da família do

Alni o, Ti onal e outros, ou até mesmo pelas limitações das ferramentas e pro edimentos

de análise e síntese até então utilizadospelos projetistas e onstrutores.

No que dizrespeito aos materiaismagnéti os, estudose pesquisas om novos

aglomera-dos erâmi os dão um novo alento a esses desenvolvimentos, até então arrefe idos.

Referi-dos materiaisforam lassi ados, ini ialmente, omo de par ial ou de ompleta orientação

magnéti a ujoselementosasso iados aoóxido de Ferro (

XXO.6F e

2 O

3

), aquinotados por (

XX

),eram prin ipalmenteoBário (

Ba

) e oEstrn io(

Sr

)[11, 12℄.

Com base emvários ritériosanalíti osum levantamentodas prin ipaisligas

(32)

elementos das terras raras, sobretudo Samário (

Sm

) e Cobalto (

Co

), na épo a em fase de desenvolvimento,a ujo respeito Methfessel [14℄ salientaque até osúltimos vinte anos tais

elementospoderiamser onsideradosapenas uriosidades ientí as, emrazão doaltonível

de similaridade entre suas propriedadesfísi o-quími as,oqualse apresentava omoum

an-tifatordedesenvolvimentoeexploraçãodosmesmos. Poroutrolado,ane essidade adavez

maiorde substân ias omaltograude pureza, requisitadapelaindústrianu learviabilizou,

demaneiraindireta,opro essode separaçãodesseselementosatravésdemétodose

pro edi-mentosefetivosde fra ionamento, possibilitandosua utilizaçãoemligasouenrique imento

de materiais usadosna engenharia,de modogeral.

Na seqüên ia desta evolução surgem vários trabalhos que analisam a poten ialidade

dessas novas ligasdas terras raras, tantodo ponto de vista dodomínio te nológi o quanto

de suaapli açãonaeletrome âni a [15℄. Nesta linhade onsideraçõesérealizado,porGallo

[16℄, um exaustivolevantamentodesse onjuntode materiais,dopontode vistadobinmio

apli ação- ustos, on luindoqueafamíliabase dosAlni oseria progressivamentedeslo ada

para a utilizaçãoem onversores de sinais, tipo instrumentos de mediçãoe ontrole; a das

Ferrites,teriasu essivapredominân iaemdispositivosde potên iafra ionáriaedepequena

potên ia,enquantoadasterrasrarasse onsolidariapaulatinamenteemapli açõesnasquais

fosse exigida a ne essidade de fortes ampos desmagnetizantes, omo seriam os asos dos

motorese geradores de pequena e médiapotên ia.

Do ponto de vista dos métodos de análise e impulsionados pela ne essidade de uma

pre isão maior de resultados, pelaexigên ia de um índi e melhor de qualidade e, por m,

por uma redução maior de ustos de produção dos dispositivos, a adoção de uma nova

abordagem de ál ulo na eletrome âni a, se fazia ada vez mais ne essária e oportuna,

neste domínio.

Nas e daí a orientação de se bus ar, através de soluções numéri as, a superação desta

questão; qual seja, da impossibilidade de se onseguir soluções analíti as fe hadas para

a determinação dos ampos eletromagnéti os em regiões de estudo parti ulares, em dada

onguração.

Noutro sentido sebus ava uma resposta àsimulação do omportamentode um sistema

(33)

de isão quando dopro esso de análise oude síntese daquele sistema.

Destamaneira,alguns lássi osdaárea, omoBinns-Lawrenson,Chari-SilvestereT

ouzot-Dhatt [1719℄, reportam que o ondi ionamento do problema em questão, assim omo o

tratamento das equações de Lapla e e Poisson, no domínio do eletromagnetismo apli ado

aos onversoreseletrome âni os, seguiriamamesmasistemáti aadotadaemoutros ampos

daengenharia.

Conforme problemasanálogosname âni a dos sólidos,dos uidos enatermodinâmi a,

oestudodesses fenmenossedaria atravésde sua formalização,apartirde um onjuntode

equações diferen iaisa derivadas par iais representando ofenmeno em estudo, daadoção

de té ni as numéri as para a sua resolução propriamente dita, tal omo de sistemas de

informáti apara a exe ução de seu pro essamento.

Neste parti ular eemtermos de métodos numéri os, oemprego de taisté ni as através

das diferenças nitas ou dos elementos nitos, permite transformar o onjunto de

equa-ções diferen iais original, em um sistema de equações algébri as orrespondentes, em que

as variáveis des onhe idas, geralmente os poten iais es alar e vetorial, elétri o e

magné-ti o, são determinadas segundo uma tolerân ia arbitrada dentrode um domíniode estudo,

anteriormenteespe i ado atravésde suas ondições de ontorno.

Originalmente apli adas na resolução de problemas ligados à engenharia me âni a nos

anos inqüenta,asté ni asmen ionadasforamadaptadaseutilizadasnaengenhariaelétri a

apartirdosanos sessentadaquelemesmosé ulo,emproblemasrelativosàdeterminaçãoda

onguração de ampos em estruturas eletromagnéti as, sobretudo om vistas à

ara teri-zação de dispositivos eao levantamento de suas relaçõesfun ionais.

Neste sentido se onstatamos primeirosdesenvolvimentos de ferramentas de ál ulo de

ampos utilizando-se diferenças nitas para a determinação da ara terísti a de ir uito

aberto, em máquinas sín ronas de pólos salientes [20℄, a partir da determinação da

indu-ção magnéti a no entreferro da máquina, onsiderando-se tão somente os efeitos da sua

omponente radial.

Muito embora os métodos de resolução até então empregados sejam, omo itado,

ba-seados emdiferenças nitas,elementosnitos de primeiraordemsão utilizadosporChari e

(34)

nalda energiaasso iado, sendo a entuado pelos autoresque, emtermos omputa ionais, a

relação tempo- usto éapenas uma fração daquelaque se eviden ia om outros métodos.

Ainda omrelaçãoà ara terizaçãode dispositivos,Fu hseErdélyipropõem,emartigos

seqüen iados [2224℄, um método baseado em diferenças nitas para a determinação das

reatân ias, segundo os eixos direto e em quadratura, de um alternador de pólos salientes,

muito embora que eviden iada adi uldade parare omporoperl originalde geometrias

omplexas,fa e à malhagemde elementosrealizada.

Por outro lado e se onsiderando o elevado número de equações a serem resolvidas

após dis retização de um problema modelado por elementos nitos, Silvester, Cabayan e

Browne[25℄,aperfeiçoarameimplementaramváriasté ni as numéri asadaptadas àanálise

de alternadores,nosentido de tornarmaise ienteo tratamentodas ondiçõesde ontorno

das urvas ara terísti asde relutividade dos materiais,da ompa taçãode matrizese, por

m, da a eleraçãodo pro esso de ál ulo.

Nesta mesmalinhade apli açãoumtrabalhosedesta afa eaosdemais,emque

Rane-jad e Sabonnadière [26℄ implementam um sistema de ál ulo baseado em elementosnitos

em duas dimensões, para a resolução de uma estrutura eletromagnéti a, levando em onta

a não-linearidade do material. Apesar do eletroímã utilizado omo exemplo de apli ação

naquele trabalho [26℄ não onstituir nenhuma omplexidade parti ular enquanto

disposi-tivo eletrome âni o, a resolução de um problema de ál ulo de ampos na eletrome âni a

é abordada segundo dois aspe tos novos: primeiro, a possibilidade de se tratar a questão

do a ionamento omo um problema a oplado, em que as equações de ampo e do ir uito

elétri o equivalente são resolvidas passo-a-passo, onforme a evolução dinâmi ado sistema

e,segundo, oproblemadaresolução por ál ulode amposé olo ado,dopontode vistada

interatividade om o usuário,propondo objetivamentea partiçãodo sistemade ál ulo em

três módulos bási os: pré-pro essamento,resolvedor e pós-pro essamento oude exploração

de resultados.

Em relação aos trabalhos realizados no sentido da utilização de novos materiais e

mé-todos até então levados a efeito [27, 28℄, foram onstatados desdobramentos importantes,

não apenas no que on erne à análise das máquinas elétri as de onstrução lássi a, omo

(35)

desenvolvi-máquinas ex itadas porímãs permanentes no que tange à exploração de novas topologias,

de novos elementos onstrutivos [34, 35℄, assim omo do relativo aumento do rendimento

opera ionale ao res imentosu essivo dapotên ia massiva,dentre outros aspe tos ans.

Ressalta-se, em relação ao aspe to onstrutivo que, normalmente, tais elementos estão

ondi ionados àmaneira pelaqual a trajetória prin ipalde uxo do ampo é onnada ao

longo do ir uito magnéti o porpólodamáquina [36℄. No aso, e neste aspe to, dois tipos

de estruturas eletromagnéti as se desta am: as hamadasestruturas de uxo axial e as de

uxo radial [37℄, em que nas primeiraso uxo proveniente dos ímãs possui, originalmente,

uma direção paralela ao eixo longitudinal de rotação, ujas peças imantadas, em geral

sob a forma dis oidal, são posi ionadas internamente ao rotor, semelhante à onguração

em "garras", ou estrutura de Lundel [38℄, enquanto nas estruturas a uxo radial [39, 40℄,

seu onnamento se dá numa direção normal ao eixo de rotação, e os ímãs sob a forma

anular, trapezoidal ou de paralelepípedo, são dispostos sobre ou internamente ao rotor, de

formasimilar à onguração engastada,ou transversal (Buried PM Ma hines), ea de ímãs

sobrepostos aorotor (Surfa eMounted PMMa hines), possuindoounão peças polares.

Com base nessasnuançasde inovaçãoeviden ia-se, prin ipalmentedopontode vistada

demanda,umatendên iamoderadaàsubstituiçãodasmáquinas lássi asdostipossín rona,

de indução[41℄ede orrente ontínuapordispositivosaímãspermanentes,emalguns asos

para fun ionamento omo geradormas essen ialmentepara fun ionamento omo motor.

Opera ionalmente, eviden ia-se que tais dispositivos são projetados para interligação

diretamenteà rede ou alimentados via onversor estáti o; no primeiro aso háne essidade

degaioladepartida,àsemelhançadosmotoresdeindução lássi ose,nosegundo,o ontrole

de posiçãoprovê quandoda alimentação, ainformaçãone essária à a eleração do onjunto

máquina- arga.

Desta am-se, nestemodoparti ular deex itação,dois tiposde a ionadores[42℄;aqueles

ujarealimentaçãodeposiçãoéfeita ontinuamenteesãoalimentadossegundoumaformade

onda senoidal, omo os motores sín ronos onven ionais (Permanent Magnet Syn hronous

Ma hine-PMSM), eoutros, onhe idos omo motoresa ímãs sem es ovas (Brushless),para

os quais a realimentação da posição é feita de modo inter alado (

60 ◦

_{− 120}

◦

_ele

) a partir

(36)

Ainda om relação ao aspe to de poten ialidadesquanto à alimentação e inovações, no

que dizrespeito a diferentes estruturas, importantes desdobramentostêm sido onstatados

emoutros tipos de ongurações, omo no aso das máquinas à relutân ia, prin ipalmente

noto anteasoli itaçõesde altasrazõesde torque porunidade de volume ou apa idadede

onversão dodispositivo.

Relativoàs variantes en ontradas e onforme a disposição e a formada parte

magneti- amente passiva, em geral o rotor, tais dispositivos são onhe idos, via de regra, omo de

laminaçãoradial, axiale de dupla saliên ia.

Neste sentido, vários trabalhos são desenvolvidos sobre dispositivos à laminaçãoradial

e axial, prin ipalmente no que diz respeito a estudos omparativos sobre diferentes tipos

de estruturas [43, 44℄, quanto aomodo de alimentaçãoe desempenho, à análisedo ir uito

magnéti o fa e à operação em regime permanente e grandezas essen iais [45, 46℄, assim

omoa ênfaseemaspe tos ligadosarelaçõesparamétri as,em omparação oma máquina

de indução onven ional [47℄.

Maisre entementeeaindanestalinha, Staton,MillereWood[48℄, estabele emrelações

importantes entre parâmetros de interesse e de dimensionamento, relativos a três tipos

de estruturas e ponderam seus desempenhos fa e ao motor de indução, para determinada

apli ação. Por outro lado, Matsuo e Lipo [49℄, eviden iam que o dimensionamento do

motor sín ronode relutân ia,de laminaçãoaxial,pode ser aperfeiçoadoatravésda es olha

adequada do fator laminação-isolação, ressaltando ainda que razões de saliên ia da ordem

de sete a oito, podem ser onseguidas para esta estrutura além de poder operar segundo

um fatorde potên ia omparável, e torque máximo superior, aos de um motor de indução

de apa idade equivalente.

Outros trabalhos analisam diferentes estruturas, doponto de vistade fatores seletivos,

omoobjetivodepres rição àsmais variadasapli ações[50℄, tal omoelementosdeprojeto

quepossibilitemseu melhordesempenho [51,52℄; omo tiposde enrolamento,in linaçãode

ranhuras, minimização de perdas, utuações de torque e limites opera ionais de

tempera-tura.

Por outro lado, no to ante aos dispositivos de dupla saliên ia, Miller e M Gilp [53℄,

(37)

dição das formas de ondas de tensão/ orrente, ne essárias à sua alimentação.

Noutro sentido, Randun [54℄ elabora um pro edimento analíti o de dimensionamento

om vistas à previsão de desempenho e diretrizes de projeto, validado sobre um protótipo

de 90 kw/25000 rpm. Expli ita-se, ainda, neste trabalho, que este tipo de a ionador é

ara terizado por sua grande robustez, tolerân ia a falhas e operação a altas velo idades,

ujasapli açõestípi as seen ontram nas indústrias aeronáuti a eautomotiva.

Comrelaçãoàsapli ações,eviden ia-seumagrandediversidadeparaestetipode

a iona-dor, prevale endo aquelas queexigem elevadas soli itaçõesde torque, tais omo

máquinas-ferramentasparainstalaçãodemineração,hidráuli as, ompressores, traçãome âni a,

uten-sílios domésti os, omo máquinas de lavar, de manutenção de pisos, et ., além de serem

apresentadas porMiller [55℄, várias relações paramétri asimportantes e re omendações de

projeto,paraeste tipodeestrutura, omvistasàminimizaçãodoruídoa ústi oemtaltipo

de a ionamento.

Men ionadas soli itações da demanda muito embora paulatinas mas num res endo,

tipi amprogressivamenteoredimensionamentodeoutrosdispositivosaímãspermanentes,

independentemente da forma ou do modo de alimentação, omo as de uxo axial, tipo

estrutura de Lundel, assim omo aquelas do tipo a uxo radial, na grande diversidade e

maioriados projetos queenvolvem o a ionamentoindustrial.

Constatou-se, então, o desenvolvimento de alguns protótipos a uxo axial [56, 57℄,

utilizando-se ligas erâmi as de Ferrites de Estrn io, para apli ações automotivas, om

base na estrutura em"garras", utilizada lassi amente. Apresentam-se também inovações

na geometria de máquinas a uxo axial, baseadas em ímãs de Ferrites, de forma dis oidal

[58, 59℄, para fun ionamento omo motor em apli açõesde pequena potên ia. Ainda om

relação a dispositivos a uxo axial, eviden ia-se um estudo sobre um alternador para

apli- ações aeronáuti as [60℄, utilizando-se ímãs de terras raras, tendo sua estrutura modelada

através de ir uitosmagnéti os equivalentes ede ál ulode ampos.

À ex eção dos trabalhos referen iados sobre estruturas a uxo axial, eviden ia-se um

dire ionamentoimportantenosprojetosdesenvolvidos, sejaporempresasouporinstituições

de pesquisa, no to ante a dispositivos de pequena potên ia, passíveis de serem utilizados

(38)

tes, deuxo radialede onguraçãotransversal emista,paraligaçãodiretaàrede,dotados

de gaiola de partida. Apresenta-se, ainda,um dispositivoa uxo radial [64℄, de onstrução

relativamente omplexa,dotadode ímãs anulares etransversais, uja gaiolade partidatem

formaparti ular, de as a ilíndri a,para apli açõesque exijamaltas velo idades.

No que dizrespeito à asso iação máquina- onversor, Carlson [65℄, apresentaum estudo

sobre uma onguraçãoa ímãs,a partirde uma estrutura auxo radial ompeças polares,

em omparação a uma similar, sem peças polares, para apli ações industriais. Salienta-se

queo autordesenvolveuma ferramentade ál ulode amposbaseada emdiferençasnitas

(DIFIMEDI), de aratergeral e modular,propondopossibilitaruma des rição simpli ada

e rápida daestrutura a ser estudada. Muito embora se onstatem a relevân ia e a

origina-lidadedaini iativaneste trabalho,eviden iam-se algumasdis repân iasemseus resultados

preliminares, prin ipalmente no que diz respeito à determinação das indutân ias, fa e à

experimentação.

Ainda no to anteamáquinas de uxo radial projetadas para partidadireta àrede [66℄,

é desenvolvido um protótipo de pequena potên ia a ímãs de Ferrites e proposto um novo

método de medição das reatân ias, o qual é utilizado para validar o modelo desenvolvido

parao ir uitomagnéti o porpólodamáquina. Osautores[66℄alertam,entretanto,para o

dimensionamentoadequadodagaiolade partidae de pontes amagnéti asa sereminseridas

no rotor, omo medidas de proteção dos ímãs, fa e à reação da armadura, sob ondições

parti ulares de operação.

Neste sentido, Dugué [67℄ analisa o pro esso de desmagnetização em um motor de

or-rente ontínua, ex itadoporímãsdeFerrites,salientandoqueparataisdispositivososefeitos

da reação da armadura não se dão de maneira uniforme sobre a peça imantada mas, sim,

om maior intensidade, à medida em que se distan iadoeixo polarda estrutura. No aso,

propõe-seaadoçãode enrolamentosamorte edores tradi ionais, omoelementosde

onten-çãodetaisefeitos. Omesmofenmenofoianalisadoemmotoresdepotên iafra ionária,por

Tran [68℄,quere omendaainserçãodesegmentosanularesde ímãsdemaior oer itividade,

nas zonas de maiorpoten ialde desmagnetização, omo formade ompensar taisefeitos.

Noutro sentidoe omoobjetivo de pesquisasobre ritériosde adaptaçãodaestrutura à

(39)

alimentadas por inversores de tensão e omutadores de orrente. Com base nos resultados

obtidosforamlevantadasvantagensedesvantagensdas estruturasanalisadas,veri ando-se

di uldades relativamente importantes quanto à denição de ondições ótimas de projeto,

naqueles asos em que o onversor estáti o sejapredenido.

Poroutro lado, estabele endo omo gurade mérito noprojeto de motores a ímãs

per-manentes, a maximização do produto rendimento-fator de potên ia, Binns e Barnard [71℄

pre onizamque,paratal,somenteautilizaçãode ligasde altadensidade energéti a,

asso i-ada à ompatibilizaçãodos ir uitoselétri o e magnéti o por pólo da máquina, possibilita

atingir este objetivo; os autores sugerem, ainda, maior atenção ao projeto da gaiola de

partidaparamáquinasaserem energizadasdiretamenteà rede,tal omoumaestreita

om-binação de efeitos dos ímãs e da relutân ia do ir uito magnéti o, para aquelas a serem

alimentadasvia onversor estáti o.

No que dizrespeito aodelineamentode linhasgerais de projeto para motoressín ronos

a ímãs radiais, é re omendada ainda, por Binns e Jabbar [72℄, uma onstrução que

pos-sibilite, me ani amente, uma baixa inér ia e, eletri amente, uma baixa impedân ia, além

de para manutenção daoperação a torque onstante, emque as formas de onda das forças

magnetomotrizes,de ampoede armadura,possuamomenor onteúdo harmni opossível.

Para analisara inuên ia dasaturação em máquinasde alto desempenho,Mathieu [73℄

desenvolve projetos de alguns dispositivos de pequena potên ia de uxo radial, utilizando

ímãsde Ferritesede terrasraras, tendo omopoten ialapli açãooa ionamentoindustrial.

Apli ados aos dispositivos projetados, oautor desenvolve ainda modelos analíti ospara os

seus ir uitos magnéti o e térmi o, omparando os resultados om o ál ulo de ampos e

om aexperimentação,tendotambémporobjetivoamaximizaçãodapotên iamassivaem

seusprojetosutiliza,parti ularmente,ímãsdeSamário-Cobaltoemumaestruturaà

on en-traçãode uxo. No aso,advogaqueaotimização dodimensionamentododispositivo, om

base namaximização daquela grandeza passa, ne essariamente, pela otimização do torque

eletromagnéti o para erto volume da estrutura, muito embora haja sempre, nesses asos,

a ne essidade dain lusãode refrigeração forçada noprojeto damáquina.

É interessante observar que, histori amente, a adequação de um a ionamento a uma

(40)

dasinstalações,aindasãointerligadasdiretamenteàalimentaçãopadronizada,sejamelasde

orrente ontínuaoualternada,osorganismosdenormatizaçãointerna ionaisestabele eram

umasubdivisãodessesdispositivosem lassesou ategoriasdeespe i ação,segundooperl

de soli itaçãoda arga aser a ionada.

Assim sendo e parti ularmente no aso dos motores de indução, tal normalização diz

respeito à ompatibilizaçãoda ara terísti ade a eleração do onjuntomáquina- arga, em

geral baseada emreferen iais do tipotorque-velo idade,emfunção danatureza e da

inten-sidade dasoli itaçãome âni a.

Por outro lado é interessante ressaltar que, apesar das máquinas elétri as lássi as,

a anel e omutador terem seu uso disseminado nos últimos ento e vinte anos, somente

a partir das últimas dé adas é que um importante segmento ou variante delas teve seu

desenvolvimentoexpandidoe,emalgumasapli ações,oseuuso onsolidado. Talinovaçãose

deve,essen ialmente, aosurgimentode novosmateriaisferromagnéti oseímãspermanentes

[74℄, omo antes itado, emadição ao res ente desenvolvimento daeletrni a de potên ia,

de novos sensores e de rápidos dispositivosde ontrole,oriundos dami roeletrni a.

Com a possibilidadede alimentação via onversor estáti oeo desenvolvimentodas

má-quinasaímãspermanentes nasúltimasdé adas, estedesaonãoapenaspersistemas are e

de onsiderações espe iais, fa eàsnovaspoten ialidadesde apli ação, razãoporque outros

fatores ou ritériosseletivos,que nãoa subdivisão lássi aem ategoriasou lassesde

apli- ações itadas, se fazem ne essários para uma es olha ra ional do a ionamento de a ordo

om a espe i idade da soli itaçãoexigida [75℄, em algumas delas, omo na robóti a, por

exemplo, limitações quanto às dimensões físi as e pêso máximo da máquina, assim omo

exigên ias de alto desempenho, são ara terísti as opera ionais não só importantes omo

desejáveis; em outras, omo em instalaçõesembar adas em veí ulos, navios e aeronaves, o

volumeo upado, a apa idadetérmi ae onível de ruído,de origem me âni aemagnéti a,

tornam-se restrições relevantes, senão ríti as,emdeterminadas ondiçõesopera ionais.

Eviden ia-se então, que, além do ondi ionamento imposto pelo i lo de trabalho da

arga, omoéo asodagrandemaioriadasapli açõesindustriais,outros ritériosdees olha

devamser onsideradosquandodadenição doa ionamentoaserutilizado,prin ipalmente

(41)

geraçõesde aparatosedispositivoseletrome âni os eaestado sólido,é naturalquefatores,

tais omo; potên ia massiva, relação torque-inér ia, além de apa idade térmi a e ruídos,

dentreoutros,venhamaservir omoelementosde deniçãoparaoestabele imentodenovos

ritérios de seleçãovisando à es olha eadequação doa ionamentoaser utilizado.

NestesentidoSebastian,SlemoneRahman[76℄,analisamprin ipalmenteduasestruturas

a uxo radial, ex itadas por ímãs de terras raras, dos tipos sobrepostos (Surfa e Mounted

PM Ma hine) e engastados (Inset PM Ma hine) no rotor, om alimentação via onversor,

e as ompara sob o ponto de vista da apa idade de onversão, estimando, no aso, uma

majoração de torque da ordem de vinte e in o por ento, relativamente a um motor de

induçãoequivalente, para as mesmas ondiçõesde alimentação e i lo opera ional.

Porsuavez,Krishnan[77℄estuda ara terísti asdeváriostiposdea ionamentobaseados

em máquinas a ímãs permanentes, desta ando a superioridade daqueles a uxo axial, fa e

aos deuxo radialanalisados, noquedizrespeitoàpotên iamassivaeàtaxadea eleração

mas alerta, porém, para a relativa omplexidade onstrutiva das estruturas a uxo axial,

tal omo para seu elevado usto de produção.

Resta ainda salientar que, mesmodiante da oferta de opçõesque doravante se estende,

a tarefa de denição de um a ionamento para uma apli ação ontínua sendo omplexa,

sobretudo se, à ex eção das instalações industriais, forem in orporadas demandas de

ou-tros segmentos de onsumo, tais omo de eletrodomésti os, de transporte e de apli ações

militares,et ..

Assim sendo, requisitos omo: desempenho quanto à a eleração, volume mínimo

o u-pado, elevada resolução em velo idade e em posi ionamento, além de onabilidade do

sistema, dentre outros, fundamentados nos ritérios seletivos anteriormente itados, se

re-vestemtãosomente omodiretrizesdees olhaoutendên iaem onsolidação,dentrodeuma

trajetória maior de inovação te nológi a neste domínio.

Paralelamenteaos novos desaos e requisitos, sempre res entes pelo lado da demanda

por a ionamentos e sistemas de automação ada vez mais sosti ados, a ne essidade do

aperfeiçoamento dos métodos e té ni as de ál ulo na eletrome âni a, tornou-se ada vez

maispresente, omoantes olo ado,sobretudonoque on erneàpossibilidadeda on epção

(42)

de ál ulo e não apenas materializada sob a forma de rotinas espe í as, om base em

diferenças ouelementos nitos, para análise ouresolução de problemas lo alizados.

Neste ontexto a evolução dos re ursos de informáti a ontribuiu, de forma

impres in-dível e, sobremaneira, para tal objetivo, na medida em que, seguramente, revolu ionou a

metodologia de ál ulo desses dispositivos, utilizada até então no sentido da organização,

amostrageme omuni ação de dados, implementadosatravés dos vários ódigos,métodos e

té ni as ans.

Detal onjunçãose ristalizampelomenosduasdiretrizesprin ipais,quaissejam: aquela

que analisa o universo de possibilidades, ou opções, dentre as estruturas andidatas, e

outra,quebus aamelhorsoluçãoindividualizadaapartirdeuma opçãodenida. Segundo

algunsautores, ambas asdiretrizes são válidase passíveisde serem utilizadas,

ponderando-se tão somente a disponibilidade de re ursos, a experiên ia dos espe ialistas e o grau de

verti alizaçãorequerido noprojeto.

No domínioevolutivo dos pro edimentos relativosao pro essode síntese algumas

alter-nativassedesta am, atravésdamodi açãode equa ionamentosgerais,de desdobramentos

analíti ose de ferramentas de modelagem,vindo a a arretar, paulatinamente, novas

inser-ções esoluçõesinovadorasa este ampo[78℄.

Justi ando, através da relativa di uldade de manipulação de dados em módulos de

ál ulode ampos,dopontode vistaentrada-saída, édesenvolvida, porLatre he [79℄,uma

ferramenta baseada em ir uitos equivalentes, om o objetivo de minimização do tempo

de resposta dos resultados, em problemas de natureza magnéti a e térmi a de estruturas

a ímãs permanentes. O autor ressalta, ainda, a fa ilidade de serem realizadas variações

paramétri as de grandezas de interesse a partir da estrutura em estudo, assim omo da

possibilidade de in orporaçãodesta ferramentaemprogramas de on epção assistida.

Neste sentido, Bian hi e Lorenzoni [80℄, fazem um estudo omparativo entre diferentes

tiposdealternadores, om ampodotipobobina-nú leo,eex itadosporímãspermanentes,

sempeçaspolares,utilizandoarazãoentreo omprimentoaxialeodiâmetrodorotor(

L/D

) omo gura de mérito, para denir o tipo de estrutura mais adequado à geração eóli a de

média potên ia.

Poroutro lado, são rees ritas novasequaçõesenvolvendo odiâmetroexterno do estator

e o omprimento axial (

D

2 o

L

e

D

3

(43)

estator, arelação de propor ionalidade entre os diâmetros interno e externo, assim omo a

geometria das ranhuras e os níveis de indução orrespondentes [81℄. Neste aso, os autores

propõem, ainda,uma modi açãonaequação lássi adapotên iadesenvolvidapara

in or-porar a forma de onda da alimentação, em estudos de análise e omparação de diferentes

estruturas.

Nesta mesma direção é realizada uma apli ação do estudo anterior, em um dispositivo

ex itado por ímãs terras raras [82℄, a uxo axial, utilizando-se a equação modi ada

D

2 o

L

, omparando-se os resultados om um motor de indução equivalente, do ponto de vista da

relação torque-volume. Muito embora possa ser eviden iada a signi ân ia de tais

ontri-buições, é interessante salientar que esses desenvolvimentos são, fundamentalmente, uma

extensão dotrabalhode Honsinger[83℄, apli ado àanálise omparativade diferentes

estru-turas.

No que diz respeito à análise do sistema de a ionamento através dos modelos itados,

eviden- iam-se estudos interessantes neste domínio, in lusive no sentido de explorar, de

modo sistemáti o, ondições opera ionais parti ulares, de importân iarelevante ao

enten-dimento doseu i lo de trabalho.

Constatando que a maioriados trabalhos de modelagemdesenvolvidos até então

onsi-dera a estrutura a parâmetros onstantes e que sua interação om a alimentação é feita a

posteriori, uma ferramenta de análise é desenvolvida por Ren [84℄, baseada em ál ulo de

amposporelementos nitos(MOUVEF),emqueésimuladoofun ionamentodo onjunto

máquina- onversor,de formaa oplada, onformepre onizadoporRanejadeSabonnadière

[26℄, apazde impor,de modoexplí ito,aformade onda daalimentação. Oautor ressalta,

ainda, queeste trabalhose situa sob a óti a de resolução onjunta, dosistema de equações

representativodos amposedaalimentação,iteradassimultaneamenteepasso-a-passo

on-templando,então, ain orporaçãode fenmenostransitórios omo orrentes induzidasenão

lineares, omo níveisdiferentes de saturação domaterial,na simulaçãodo sistema.

Nesta mesma linha, Sadowski [85℄ apresenta um importante trabalho, om ênfase no

tratamento de problemas a oplados, salientando aspe tos ligados ao movimento relativo

estator-rotor da máquina, transitórios envolvendo orrentes induzidas em peças polares,