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NÚCLEO DO ROTOR A PARTIR DE Fe2%P SINTERIZADO
APLICADO EM AEROGERADOR DE 1KW
Ramos, Felipe. 1a Borba, Monir.1b Wermuth, Diego.1c Schaeffer, Lirio. 1d
1 UFRGS, Department of Mines, Metallurgy and Materials Engineering, Porto Alegre – RS, Brazil,
a)felipe.guimaraes@ufrgs.br; b)monir.borba@ufrgs.br; c)diego.wermuth@ufrgs.br; d)lirio.schaeffer@ufrgs.br
Resumo
A proposta deste trabalho é a obtenção de um núcleo do rotor de uma máquina síncrona com imãs permanentes e fluxo axial utilizada em turbinas eólicas. Originalmente está maquina possui um núcleo construído por uma lâmina de aço-silício, esta lamina é enrolada formando um toroide, originando assim a maquina Torus. O novo núcleo será obtido pela técnica de metalurgia do pó, utilizando a mistura de Fe2%P. com isto este artigo demonstrará o processo realizado para a obtenção das peças que formam o núcleo deste gerador eólico.
Palavras-chave: Gerador síncrono; imãs de neodímio ferro boro; disco rígido. 1 INTRODUÇÃO
O Grupo de Energias Renováveis do LdTM já realizou estudos de misturas de pó de ferro com diferentes percentuais de fósforo, silício e níquel com a finalidade de analisar suas propriedades magnéticas, elétricas e mecânicas. As ligas sintetizadas, previamente estudadas pelos alunos, foram: Ferro Puro, Fe1%P, Fe2%P, Fe3%P, Fe1%Si, Fe3%Si, Fe5%Si e Fe50%Ni.
Tendo em vista os trabalhos anteriores, em que, das ligas magnéticas estudas pelos pesquisadores do GDER, a que obteve maior rendimento para aplicação em núcleos de máquinas elétricas foi mistura de ferro com dois por cento fósforo[1].
Com o intento de dar continuidade aos trabalhos anteriores realizados em cima de ligas e aplicações em protótipos de máquinas elétricas rotativas, este trabalho apresenta a aplicação de um núcleo de Fe2%P obtido por metalurgia do pó, em substituição ao núcleo originalmente feito de chapas de aço laminadas.
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2 MATERIAIS E MÉTODOS
1.1. Máquinas elétricas de fluxo magnético axial com imãs permanentes A máquina de fluxo axial tem seu primeiro registro documentado na data 1831. Em 1837 foi inventada a máquina de fluxo radial, a qual tem sido usada quase que exclusivamente desde sua criação. [2]
Com a elevada eficiência volumétrica dos materiais magnéticos permanentes de terras raras e com seu custo mais acessível, possibilitou a exploração de máquinas elétricas de diferentes configurações. A excitação magnética, realizada classicamente por densidades de corrente, obteve uma redução das dimensões e ainda um favorecimento no rendimento com a utilização de materiais magnético de terra rara. [3]
Com o desenvolvimento de imãs permanentes com maior fluxo magnético houve um aumento da competitividade entre as máquinas, tornando-se atraente a utilização de máquinas de fluxo axial para algumas aplicações, sendo que no contexto tecnológico atual possui um potencial considerável em aplicações de baixas velocidades, como por exemplo, geradores eólicos. [4][3]
Spooner et al apresentaram uma máquina com fluxo axial constituída por estator simples e rotor duplo pequeno comprimento axial com pequeno comprimento axial. A máquina foi chamada de Torus [2].
A máquina Torus possui duas principais topologias de construção, elas diferem na disposição dos imãs permanentes nos rotores. A disposição de imãs em que os imãs de um rotor possuem a mesma polaridade dos imãs em frente no outro rotor
Figura 1a chamados de tipo NN. No segundo modelo os imãs frente à frente possuem polaridades opostas nos rotores, o fluxo se estabelece no estator e segue uma trajetória axial na armadura, tipo NS Figura 1b.[5]
Figura 1 - Topologias máquinas de fluxo axial (a) Tipo Norte - Norte e (b) Tipo Norte - Sul[5]
A máquina Torus se classifica como simples e barata. Os enrolamentos são construídos por enrolamentos montados em torno do núcleo do estator que é toroidal. O núcleo é construído sem ranhuras, contribuindo para reduzir as indutâncias próprias e mútuas das bobinas. A utilização de imãs permanentes de neodímio-ferro-boro possibilitou a redução de volume e de massa, e a obtenção de carregamento elétrico elevado. O carregamento magnético elevado possibilita a obtenção de forças eletromotrizes especificadas com pequeno número de espiras, e resistência e indutâncias reduzidas. O estator da máquina foi construído com uma fita metálica enrolada formando um toróide, sobre o qual é montado o enrolamento. Os rotores são dois discos com imãs polarizados axialmente. As perdas na máquina foram analisadas em detalhe. Foram estudadas diferentes formas de montagem dos imãs permanentes, bem como o desempenho térmico dos protótipos construídos [2].
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Na Figura 2 é possível observar a representação da máquina Torus com fluxo axial utilizada no projeto.
Figura 2 - máquina Torus fluxo axial [2] 1.2. Materiais magnéticos duros
Entre os materiais magnéticos duros nós podemos distinguir dois tipos “ímãs clássicos” e “modernos”. O primeiro grupo consiste em ligas com baixa densidade de energia, causadas pelos efeitos da anisotropia magnética dos precipitados. O segundo grupo é caracterizado por ímãs com uma densidade de energia consideravelmente mais elevada e estes são baseados nos compostos inter-metálicos de metal de transição/terra-rara, que fornecem uma elevada anisotropia magneto-cristalina.[6]
Entre as tecnologias de fabricação mais utilizadas Através do processo da M/P consegue-se a orientação magnética das partículas que constituem o material trabalhado (ímãs anisotrópicos), obtendo-se propriedades magnéticas muito superiores àquelas obtidos pelos processos metalúrgicos convencionais como a fundição. Acrescenta-se a isto que pós de diferentes naturezas químicas são fáceis de obter bastando que se misture os pós homogeneamente.[7]
Os valores do produto energético e da coercividade dos imãs de NdFeB são mais elevados de todos os materiais magnéticos, e a indução remanescente apresenta um valor relativamente alto, O porém deste material reside nas características térmicas, a temperatura normal de funcionamento é menor que as temperaturas de funcionamento é em torno de 150ºC, assim como a temperatura de Curi é igualmente baixa, entre 300 a 320⁰C. [8]
1.3. Materiais magnéticos macios
Os materiais testados em estudos anteriores no laboratório foram as seguintes ligas: Fe; Fe1%P; Fe2%P; Fe3%P; Fe1%Si; Fe3%Si e Fe50%Ni. Estes materiais foram submetidos a ensaios de histerese, magnetização normal e resistividade.
Com os testes de curvas de histerese, magnetização e resistividade
realizados nas ligas contata-se que a liga Fe2%P apresentou melhores resultados em relação as demais. A perda por ciclo de histerese ficou em 7,69x10-3 W/kg, a indução de saturação próxima a 1,36T. A permeabilidade relativa ficou em 4198,7 µr,
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superando a do ferro puro em mais de 220%. Já se tratando da força coerciva foram bastante semelhantes entre as ligas [1].
A resistividade da liga Fe2%P ficou na ordem de 4,21x10-7 Ω.m, contra 1,56x10-7 Ω.m utilizando apenas Fe puro.
1.4. Analise da máquina elétrica
O gerador Enersud é uma máquina Torus, máquina elétrica síncrona de imãs permanentes de fluxo axial com estator toroidal utilizando imãs posicionados de forma a se repelirem, Tipo N-N, com potência declarada de 1kW. Este gerador possui um estator Figura 3 e dois rotores Figura 4.
Figura 3 - Estator Enersud
Figura 4 – Rotores dos geradores Enersud
O estator é o componente onde estão localizados os enrolamentos, local este onde será induzida uma corrente.
O rotor é o local onde estão fixados os imãs permanentes de Neodímio Ferro Boro, no caso desta máquina existem dois rotores. Quando montados os imãs ficam posicionados de forma que o imã de um rotor possui a mesma polaridade do imã do rotor a sua frente, assim um rotor repele o outro (Erro! Fonte de referência não encontrada.). Os rotores são responsáveis pelo campo magnético o qual corta os enrolamentos do estator induzindo uma corrente nos mesmos. Cada rotor possuí 14 imãs.
Está maquina da Enersud tem a estrutura conforme a imagem meramente ilustrativa da Figura 5.
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Figura 5 - Estrutura gerador Enersud
Como se pode observar na os enrolamentos não estão representados no estator, pois a montagem dos mesmos não é de conhecimento. Os enrolamentos são cobertos por uma resina impossibilitando o estudo. Para obter maiores informações técnicas será contatada a fabricante Enersud.
No centro do enrolamento há um núcleo (Figura 6) para aumentar o direcionamento das linhas do campo magnético. Este núcleo possui o efeito próximo dos núcleos construídos de chapas laminadas, porém tem uma montagem diferenciada, sendo constituído de uma lâmina enrolada.
Figura 6 - Núcleo do estator
Este núcleo será substituido por um núcleo contruido pela técnica de metalurgia de pó convencional.
1.5. Construção da matriz de compactação
Após a analise do motor foi realizada as medições geométricas do núcleo original da maquina, para construir uma matriz a qual realizasse uma compactação do pó para a peça final ficar com geometrias próximas a geometria original, com isto não acarretando mudanças no bobinamento da maquina.
Figura 7 - Medidas do núcleo toroidal
Conforme exibido na Figura 7 o toroíde possui um raio interno de 70mm e raio externo de 96mm.
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Para determinar a força de compactação é necessária a realização do calculo da área da peça que será compacta, calculando de forma rápida a área da circunferência maior diminuindo o valor da área circunferência menor obtemos a área do núcleo de 13552,24mm². Usando esta área para determinar a força necessária teríamos que:
ܨ = ∗ ܣ
(1) F= força;
P= pressão;
A= area;
Sabendo que a peça de Fe2%F obteve seu melhor desempenho magnético e mecanico com 600MPa de pressão que é equivalente a 6000tf/cm², temos uma força total de compactação de aproximadamente 813,13tf.
A prensa de maior capacidade no laboratório é a FKL com força maxima de 600tf, por este motivo foi optado a divisão do núcleo em quatro peças, dessa forma trabalhando com menor pressão, facilidando lidar com a matriz, após compactada as peças serão levadas a posterior usinagem de forma que montadas formem uma peça final, o nucelo.
Para levar em conta o desenho da nova matriz, foi realizado o calculo de contração aproximada da peça de Fe2%P, comparando as dimenções da peça verde e sinterizada. Utilizando a matriz para compactação de corpos de prova em forma de clindro foi possível comparar.
Figura 8- Matriz para compactação dos corpos de prova na prova de cilindro
Figura 9- dimensões matriz cilíndrica
O corpo de prova de formato cilíndrico foi compactado com uma pressão de 600MPa, adquirindo as seguintes medidas:
Figura 10 -
Com estes valores é possivel determinar uma medida expessura da matriz, considerando que a contração radial
mesma para determinar a expessura
Tendo que a expessura do núcleo é de 26mm e a contração é de 2,3% a matriz deverá possuir 26,6mm de expessura. Estes 0,6mm
distribudos entre os dois lados do núcleo, ou seja, entre o raio externo e o raio interno. Desta forma o raio interno da circunferência deverá possuir 69,7mm e o raio externo 96,3mm. Tomando estas medidas a peça após compactada e s
deverá ter as medidas do núcleo original.
Na Figura 11 está o desenho da matriz com suas medidas internas
A matriz possui um raio maior de 90º para nas extremidades ser usinado os encaixes das peças. Alem
consentradores de tensões e leve a matriz a ruptura. Os pulsões da matriz
expessura dos pulsões é 26,5mm
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Dimensões e contrações corpo de prova cilíndrico Com estes valores é possivel determinar uma medida
nsiderando que a contração radial é a maior foi utilizada a mesma para determinar a expessura.
Tendo que a expessura do núcleo é de 26mm e a contração é de 2,3% a matriz deverá possuir 26,6mm de expessura. Estes 0,6mm de diferença deveram ser distribudos entre os dois lados do núcleo, ou seja, entre o raio externo e o raio interno. Desta forma o raio interno da circunferência deverá possuir 69,7mm e o raio externo 96,3mm. Tomando estas medidas a peça após compactada e s
deverá ter as medidas do núcleo original.
o desenho da matriz com suas medidas internas
Figura 11 - Dimensões matriz
A matriz possui um raio maior de 90º para nas extremidades ser usinado os lem disso as beiradas são arredondados para que n
ões e leve a matriz a ruptura.
es da matriz ficaram com uma folga de 0,05mm dessa forma a é 26,5mm, Figura 12.
Com estes valores é possivel determinar uma medida aproximada da é a maior foi utilizada a Tendo que a expessura do núcleo é de 26mm e a contração é de 2,3% a de diferença deveram ser distribudos entre os dois lados do núcleo, ou seja, entre o raio externo e o raio interno. Desta forma o raio interno da circunferência deverá possuir 69,7mm e o raio externo 96,3mm. Tomando estas medidas a peça após compactada e sinterizada
o desenho da matriz com suas medidas internas.
A matriz possui um raio maior de 90º para nas extremidades ser usinado os ão arredondados para que não exista ficaram com uma folga de 0,05mm dessa forma a
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Figura 12 - medidas punção inferior
O punção superior possui o mesmo formato e as mesma dimensões com exceção da altura. O punção inferior possui 70mm de altura para facilitar a extração das peças após compactação, enquanto o punção superior tem 35mm de altura.
Com estas medidas a matriz ficou com uma área total próxima a 4429mm², para isso a força na compactação será de aproximadamente 265tf, para conseguir uma pressão de compactação de 600MPa, assim podendo utilizar a prensa FKL localizada no Laboratório de Transformação mecânica,UFRGS. A prensa FKL possui uma força máxima de 600tf.
Na Figura 13 podemos observar a matriz montada em uma vista explodida com seus respectivos pulsões.
Figura 13 - matriz com pulsões
Após o projeto da matriz concluído foi enviada para confecção em aço D6 com tempera e revenido. Na Figura 13 pode-se observar a matriz fixada na prensa pronta para realizar a compactação das peças.
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Figura 14 - Matriz fixada na prensa FKL
1.6. Desenho das peças usinadas
Para que as peças encaixem uma na outra para formar o núcelo do gerador é necessária a usinagem das peças, para isso foi realizado o desenho para posterior usinagem das peças.
Na Figura 15 esta demonstrado os encaixes com as 4 peças formando o núcelo.
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Para facilitar o entendimento da peça e seus encaixes se pode observar a peça resultante da matriz sobre posta com a peça a ser usinada contendo as respectivas medidas na Figura 16.
Figura 16 - desenho de peça usinada e da peça resultante da matriz
3 RESULTADOS 3.1. Obtenção das peças
Após a compactação do pó de Fe2%P foi possível a obtenção das peças a verde, em seguida as peças foram enviadas para sinterização. Na Figura 17 mostra uma das peças já sinterizada.
Figura 17 - peça sinterizada
Observa-se que a peça possui uma rachadura próxima a borda superior. A matriz não possui ângulo nenhum e no momento que a peça é extraída acontece a trinca. Como a peça será usinada para ter apenas 10mm de altura, aproveitou-se a peça usinando toda a parte superior.
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3.2. Usinagem das peças
Para a usinagem dos encaixes das peças para formar o núcleo foi encaminhado para uma empresa que realiza corte por eletrofio, dessa forma possuindo um acabamento excelente e um encaixe extremamente preciso.
Na Figura 18 podemos observar a peça resultante da sinterização, no topo da imagem, e as outras 4 peças usinadas com os encaixes que compõem o núcleo do gerador.
Figura 18 - no topo peça sem usinagem, e as demais usinadas compondo as 4 peças do núcleo Na Figura 19 consta o núcleo original de chapas laminadas sendo comparando ao núcleo sinterizado e usinado de Fe2%P.
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4. CONCLUSÃO
O objetivo principal da obtenção de um núcleo do rotor de uma máquina síncrona com imãs permanentes e fluxo axial foi alcançado.
As contrações das peças adquiridas por metalurgia do pó ficaram dentro da faixa esperada de 2,3%, não causando grandes transtornos para a usinagem das peças, desta forma possuindo dimensões extremamente próximas do núcleo original.
Não foi possível adquirir a peça do tamanho final, pois acarretaria na utilização de prensa de grande capacidade. Para testes laboratoriais a usinagem das peças fornecerá dados suficientes de desempenho da maquina elétrica com núcleo de Fe2%P
REFERÊNCIAS
[1] P. Pauletti, Construção e análise do desempenho de um motor de indução trifásico com núcleo produzido via metalurgia do pó, Dissertação de Mestrado, PPGEM - UFRGS, 2012.
[2] L. T. d. R. Loureiro, UM ESTUDO SOBRE A MÁQUINA TORUS, Tes doutorado, PPGE3M - UFRGS, 2008.
[3] Â. P. B. d. S. Ferreria, Projeto de uma maquina de ímanes permanentes de fluxo axial orientado para os sistemas de conversão de Energia Eólica, Porto-Portugal: Dissertação Doutoramento Eng. Eletrotécnica e Computadores, 2011.
[4] L. T. d. R. Loureiro, UM ESTUDO SOBRE A MÁQUINA TORUS, Porto Alegre- Brasil: Tes doutorado, PPGE3M - UFRGS, 2008.
[5] J. O. M. Osório, Análise da máquina torus sob frenagem eletrodinâmica, Porto Alegre: Dissertação de Mestrado, PPGEE - UFRGS, 2011.
[6] E. R. G. R. W. W. H. Adler, “Powder Metallurgy 1986 State of the Art, Powder Metallurgy in Science and Practical Technology,” em International Conference
and Exhibition Powder Metallurgy. Vol. 2., Düsseldorf, Freiburg :
Landolt-Börnstein, 1986.
[7] M. d. M. Dias, L. Schaeffer, A. d. M. Dias, J. L. Cezar e J. C. K. d. Verney, “Desenvolvimento de ímãs para palmilhas de calçados,” Revista Tecnologia e
Tendência, pp. 67-81, 2008.
[8] L. C. A. B. d. Pinho, Materiais Magnéticos e suas Aplicações, Porto- Portugal: Dissertação mestrado Eng. Eletrotécnica e Computadores- FEUP, 2009.
