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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
Escola de Engenharia
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais-PPGEM
Desenvolvimento de Compósitos Magnéticos Macios Utilizados em Núcleos de Máquinas
Elétricas
Jorge Alberto Lewis Esswein Junior
Dissertação para obtenção do título de Mestre
em Engenharia
Porto Alegre
2009
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II
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
Escola de Engenharia
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais-PPGEM
Desenvolvimento de Compósitos Magnéticos Macios Utilizados em Núcleos de Máquinas
Elétricas
Jorge Alberto Lewis Esswein Junior
Engenheiro de Controle e Automação
Trabalho realizado no Laboratório de Transformação Mecânica da Escola de Engenharia da
UFRGS, dentro do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de
Materiais - PPGEM, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em
Engenharia.
Área de Concentração: Processos de Fabricação.
Porto Alegre
2009
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III
Esta Dissertação foi julgada adequada e aprovada para obtenção do título de
Mestre em Engenharia, área de concentração Processos de Fabricação e aprovada em sua forma
final, pelo Orientador e pela Banca Examinadora do Curso de Pós-Graduação.
Orientador: Prof. Dr. Lírio Schaeffer (PPGEM/UFRGS)
Banca Examinadora:
Dr. Ing. Klaus-Dieter Lietzmann (EPI Energia Projetos e Investimentos Ltda)
Prof. Dr. Moises de Mattos Dias (FEVALE)
Prof. Dr. Vicente Mariano Canalli (PUC-RS)
Prof. Dr. Carlos Pérez Bergmann
Coordenador do PPGEM
IV
Dedico a família o maior tesouro da vida.
V
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Ing. Lírio Schaeffer pela oportunidade, confiança e orientação a mim
dedicada.
Ao Prof. Dr. Eng. Moises de Mattos Dias pela mais valorosa orientação, pela
dedicação como co-orientador, amizade e por muitas vezes ter sido o responsável pelas
soluções que possibilitaram levar adiante este trabalho.
A todos os colegas do Laboratório de Transformação Mecânica, em especial aos
grandes amigos conquistados neste período de mestrado Eng. Luciano Lohmann Cerva e
Eng. Juliano Soares Barboza, sem os quais não seria possível a finalização deste trabalho.
Aos bolsistas de iniciação científica Douglas Martinazzi, Rafael Macedo e Stevan da
Silveira pela amizade e colaboração nos mais diversos testes realizados no Grupo de
Desenvolvimento de Energias Renováveis.
A Universidade Federal do Rio Grande do Sul pela disponibilização da infra-estrutura
utilizada para experimentos e testes no período do mestrado.
A EPI Energias Projetos e Investimentos, em especial ao Dr. Ing. Klaus-Dieter
Lietzmann e a Sra. Annelise Dessoy pelas oportunidades técnicas e a valorosa contribuição
profissional.
A empresa Sulina pela disponibilidade em auxiliar no enrolamento do estator da
máquina elétrica.
A empresa Höganäs e SI Group pelo fornecimento de matéria prima utilizada na
pesquisa.
A WEG motores por muitas vezes ter disponibilizado seus profissionais para
auxiliar-me na solução de questões técnicas do projeto de máquinas.
VI
Ao Laboratório de Eletrônica de Potência e Conversão de Energia da Pontifícia
Universidade Católica do Rio Grande do Sul, em especial ao Prof. Dr. Vicente Mariano
Canalli, pelo apoio na pesquisa e auxílio no teste das máquinas elétricas.
Aos órgão financiadores CAPES, FINEP, FAPERGS e CNPq pelo financiamento da
pesquisa e pagamento de bolsas.
Aos meus pais Jorge Alberto Lewis Esswein e Sandra Emília Ávila pela luz, apoio e
confiança em mim sempre depositada.
A minha esposa Karina Klöckner e meu filho Theo Klöckner de Albuquerque por
serem a razão de minhas conquistas e fiéis companheiros em todas as situações.
Por fim, agradeço a DEUS por esta maravilhosa oportunidade a qual me trouxe além
da experiência profissional grandes amigos e momentos dos quais jamais me esquecerei.
VII
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................................................................IX
LISTA DE TABELAS E QUADROS ....................................................................................................................... XIII
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS ......................................................................................................... XIV
RESUMO .................................................................................................................................................................. XVI
ABSTRACT ........................................................................................................................................................... XVIII
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................................................................... 1
2 REVISÃO DE LITERATURA ................................................................................................................................... 6
2.1 Fundamentos Eletromagnéticos ............................................................................................................................ 6
2.1.1 Introdução ...................................................................................................................................................... 6
2.1.2 Permeabilidade .............................................................................................................................................. 7
2.1.3 Domínios Magnéticos .................................................................................................................................... 7
2.1.4 Curva de Histerese ....................................................................................................................................... 10
2.1.5 Circuitos Magnéticos ................................................................................................................................... 11
2.1.6 Indução Magnética e Indutância .................................................................................................................. 12
2.2 Máquinas Elétricas ............................................................................................................................................. 13
2.2.1 Introdução .................................................................................................................................................... 13
2.2.2 Máquinas AC ............................................................................................................................................... 16
2.2.3 Máquinas Síncronas com Imãs Permanentes ............................................................................................... 23
2.2.4 Máquinas Síncronas com Núcleos Magnéticos não Laminados .................................................................. 25
2.2.5 Testes em máquinas síncronas ..................................................................................................................... 28
2.3 Materiais Compósitos Magnéticos Macios ......................................................................................................... 29
2.3.1 Introdução .................................................................................................................................................... 29
2.3.2 Metalurgia do Pó ......................................................................................................................................... 29
2.3.3 Características.............................................................................................................................................. 42
2.3.4 Classificação ................................................................................................................................................ 44
2.3.5 Ligas Ferromagnéticas ................................................................................................................................. 46
3 MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................................................................. 49
3.1 Materiais Compósitos Magnéticos Macios ......................................................................................................... 49
3.1.1 Introdução .................................................................................................................................................... 49
3.1.2 Resinas Termofixas ..................................................................................................................................... 50
3.1.3 Ligas Resinadas ........................................................................................................................................... 52
3.1.4 Projeto de Matrizes ...................................................................................................................................... 52
3.1.5 Obtenção dos Corpos de Prova .................................................................................................................... 53
3.1.5.1 Mistura e Compactação ........................................................................................................................ 53
3.1.5.2 Sinterização dos Corpos de Prova ........................................................................................................ 55
3.1.5.3 Cura dos Corpos de Prova .................................................................................................................... 56
3.1.6 Análise das Propriedades dos Materiais ...................................................................................................... 57
3.1.6.1.Propriedades Mecânicas ....................................................................................................................... 57
3.1.6.2 Propriedades Elétricas .......................................................................................................................... 59
VIII
3.1.6.3 Propriedades Eletromagnéticas ............................................................................................................. 59
3.2 Máquinas Elétricas ............................................................................................................................................. 64
3.2.1 Projeto de Matrizes ...................................................................................................................................... 64
3.2.2 Obtenção dos Núcleos Magnéticos .............................................................................................................. 66
3.2.3 Montagem do Servomotor ........................................................................................................................... 67
3.2.4 Bancada de testes de máquinas elétricas...................................................................................................... 71
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO............................................................................................................................... 73
4.1 Materiais Compósitos Magnéticos Macios ......................................................................................................... 73
4.1.1 Propriedades Mecânicas .............................................................................................................................. 73
4.1.2 Propriedades Elétricas ................................................................................................................................. 78
4.1.3 Propriedades Magnéticas ............................................................................................................................. 80
4.2 Servomotor ......................................................................................................................................................... 89
5 CONCLUSÕES ......................................................................................................................................................... 93
REFERÊNCIAS ........................................................................................................................................................... 96
IX
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - (a) representação dos domínios magnéticos em um material desmagnetizado (b)
domínios magnéticos após aplicação de um pequeno campo magnético [3]. ................................. 8
Figura 2 - Movimentação dos domínios magnéticos através de inclusões e contornos de grãos [3]
......................................................................................................................................................... 8
Figura 3 - Representação do alinhamento de todos os domínios magnéticos em uma única direção
devido à aplicação de um campo magnético [3].............................................................................. 9
Figura 4 - Rotação do domínio magnético e saturação do material [3]. .......................................... 9
Figura 5 - Curva de magnetização de dois materiais com diferente ponto de saturação [3]. ........ 10
Figura 6 - Curva de magnetização. ................................................................................................ 10
Figura 7 - Analogia entre circuito elétrico e circuito magnético [1]. ............................................ 11
Figura 8 – Circuito magnético [1]. ................................................................................................ 13
Figura 9 – Conjunto de enrolamentos de um estator. .................................................................... 14
Figura 10 - Rotor de uma máquina dc. .......................................................................................... 14
Figura 11 – Estrutura de chapas laminadas em um motor [1]. Processo de fabricação de um
grande estator. ................................................................................................................................ 15
Figura 12 – Esquema de um motor síncrono de pólos salientes [1]. ............................................. 17
Figura 13 – (a) distribuição da densidade de fluxo no estator e (b) curva correspondente tensão
induzida no enrolamento de armadura [1]. .................................................................................... 18
Figura 14 – Representação de um motor síncrono monofásico com 4 pólos salientes [1]. ........... 18
Figura 15 – Distribuição da densidade de fluxo no entreferro de uma máquina síncrona de 4 pólos
[1]. ................................................................................................................................................. 19
Figura 16 – Motor síncrono de pólos lisos ou rotor cilíndrico [1]. ............................................... 20
Figura 17 – Foto de um gerador eólico síncrono de pólos salientes. ............................................ 21
Figura 18 – (a) motor síncrono trifásico com dois pólos e uma bobina para cada fase, (b) motor
trifásico quatro pólos e duas bobinas para cada fase e (c) ligação estrela entre as fases [1]. ........ 21
Figura 19 – Motor trifásico de indução tipo gaiola de esquilo. ..................................................... 23
Figura 20 – Gráfico do torque x velocidade em uma máquina de indução. .................................. 23
Figura 21 – Máquina síncrona trifásica com imãs permanentes [1]. ............................................. 24
Figura 22 - Corte de uma máquina síncrona trifásica com imãs permanentes [1]. ....................... 24
Figura 23 – (a) máquina de dois polos e (b) vetor diagrama de mmf [1]. ..................................... 25
Figura 24 – Estator de um servomotor comercial. ........................................................................ 26
X
Figura 25 - Servomotor com estator de SMC [4] .......................................................................... 26
Figura 26 – Estator de um servomotor de SMC [4]. ..................................................................... 27
Figura 27 – Rotor (esquerda) e estator (direita) de um motor de bicicleta [5]. ............................. 27
Figura 28 – (a) controle integrado, (b) servomotores e (c) servomotor comercial [6]. ................. 28
Figura 29 - Fluxograma das etapas do processo de M/P. .............................................................. 33
Figura 30 - Processo de obtenção de pós por atomização. ............................................................ 34
Figura 31 - Formato de algumas partículas (a) atomizado, (b) esponja e (c) eletrolítico [3]. ....... 34
Figura 32 - Misturadores (a) cilíndrico, (b) rotacional cúbico, (c) cone duplo e (d) dupla concha
[8]. ................................................................................................................................................. 35
Figura 33 - Estágios de compactação (1 e 2) preenchimento da cavidade, (3 e 4) compactação e (5
e 6) extração e remoção do compactado verde [8]. ....................................................................... 36
Figura 34 - Formação de pescoço entre duas partículas esféricas [8]. .......................................... 40
Figura 35 – Permeabilidade relativa x campo magnético para um aço 3% Si laminado e um
material SMC [3]. .......................................................................................................................... 43
Figura 36 – Partícula de ferro com revestimento de material orgânico, Somaloy® Höganäs [3]. 46
Figura 37 – Curva de magnetização de partículas de ferro com diferente pureza [3]. .................. 47
Figura 38 – Resina HRJ 10236 ...................................................................................................... 51
Figura 39 – Resina SBP 128 .......................................................................................................... 51
Figura 40 – (a) corpo de prova em forma de cilindro e (b) matriz para obtenção do corpo de prova
....................................................................................................................................................... 52
Figura 41 – (a) corpo de prova em forma de paralelepípedo e (b) matriz para obtenção do corpo
de prova. ........................................................................................................................................ 53
Figura 42 – (a) corpo de prova em forma de toróide e (b) matriz para obtenção do corpo de prova.
....................................................................................................................................................... 53
Figura 43 – (a) Máquina de mistura de pós e (b) Misturador utilizado ......................................... 53
Figura 44 – Prensa Kratos ............................................................................................................. 54
Figura 45 – Painel de controle da prensa Kratos ........................................................................... 54
Figura 46 – Fotografia de uma matriz montada na prensa Kratos................................................. 55
Figura 47 – Prensa Eka utilizada na compactação dos toróides. ................................................... 55
Figura 48 – Patamares de sinterização. ......................................................................................... 56
Figura 49 - (a) Forno tubular com atmosfera controlada e (b) controlador do forno. ................... 56
Figura 50 – Ciclo de cura dos corpos de prova. ............................................................................ 57
XI
Figura 51 - Forno para cura das resinas (a) câmara (b) vista frontal (c) painel de controle. ......... 57
Figura 52 – Durômetro do LAFUN (Laboratório de Fundição da UFRGS). ................................ 58
Figura 53 – Máquina Universal de Ensaios Mecânicos INSTRON (a) Equipamento de captação
de dados (b) detalhe do dispositivo de ensaios. ............................................................................. 58
Figura 54 – Desenho esquemático e Multiteste. ............................................................................ 59
Figura 55 – Curva de Histerese de um material magnético ........................................................... 60
Figura 56 - Etapas de preparação das amostras:(a) isolamento, (b) enrolamento secundário, (c)
isolamento e (d) enrolamento do primário. ................................................................................... 61
Figura 57 - Traçador de Curvas de Histerese (TLMP-TCH-14). (1) interruptor on/off, (2)
conector AC/DC, (3) conexão do enrolamento primário e (4) conexão do enrolamento
secundário. ..................................................................................................................................... 63
Figura 58 - Software de aquisição de dados GLB-BH 3.0 com identificação dos parâmetros de
ensaio. (1) Densidade de espiras no primário, (2) espiras no secundário, (3) área da seção
transversal, (4) densidade da amostra, (5) corrente aplicada e (6) freqüência de medição. .......... 63
Figura 59 – Secção transversal do estator e rotor do servomotor .................................................. 65
Figura 60 – Matriz para obtenção do (a) (b) estator e do (c) (d) rotor do servomotor. ................. 66
Figura 61- Misturador de dupla concha ......................................................................................... 66
Figura 62 – Ciclo de cura da resina HRJ ....................................................................................... 67
Figura 63 – Bolachas do estator e rotor com 10 mm de altura antes do processo de cura. ........... 68
Figura 64 – (a) processo de montagem dos imãs de Nd-Fe-B no rotor do sermotor e (b) perfil do
rotor após montagem dos imãs. ..................................................................................................... 68
Figura 65 – Magnetizador de imãs do servomotor. ....................................................................... 69
Figura 66 – Esquemático para bobinagem do estator, fornecido pela WEG motores. .................. 69
Figura 67 – Estator bobinado......................................................................................................... 70
Figura 68 – Montagem do estator na carcaça. ............................................................................... 70
Figura 69 – Componentes do servomotor SWA-40. ..................................................................... 70
Figura 70 – Bancada de testes do servomotor. .............................................................................. 72
Figura 71 - Gráfico relacionando o módulo elástico em função do teor de resina. ....................... 75
Figura 72 - Gráfico relacionando deformação à compressão em função do teor de resina. .......... 75
Figura 73 - Gráfico relacionando Dureza Brinell em função do teor de resina. ............................ 76
Figura 74 - Ensaio de compressão em (a) material dúctil, deformação sem ruptura, e (b) material
frágil, ruptura sem deformação lateral [24]. .................................................................................. 76
XII
Figura 75 - Amostra resinada após ensaio de compressão identificando o comportamento da
fratura............................................................................................................................................. 77
Figura 76 - Gráfico comparativo da resistividade elétrica em função do teor de resina. .............. 79
Figura 77 – Gráfico comparativo das perdas magnéticas em função da resistividade elétrica. .... 80
Figura 78 – Curvas de Magnetização e histerese do ferro sinterizado. ......................................... 80
Figura 79 - Curvas de Magnetização e histerese da liga HRJ 0,5. ................................................ 81
Figura 80- Curvas de Magnetização e histerese da liga HRJ 1,0. ................................................. 81
Figura 81- Curvas de Magnetização e histerese da liga HRJ 1,5. ................................................. 81
Figura 82- Curvas de Magnetização e histerese da liga HRJ 2,0. ................................................. 82
Figura 83- Curvas de Magnetização e histerese da liga HRJ 2,5. ................................................. 82
Figura 84- Curvas de Magnetização e histerese da liga HRJ 3,0. ................................................. 82
Figura 85- Curvas de Magnetização e histerese da liga SBP 0,5. ................................................. 83
Figura 86 Curvas de Magnetização e histerese da liga SBP 1,0.................................................... 83
Figura 87 Curvas de Magnetização e histerese da liga SBP 1,5.................................................... 83
Figura 88 - Curvas de Magnetização e histerese da liga SBP 2,0. ................................................ 84
Figura 89 Curvas de Magnetização e histerese da liga SBP 2,5.................................................... 84
Figura 90 – Curvas de Magnetização e histerese da liga SBP 3,0................................................. 84
Figura 91 - Comparação de curvas de histerese determinadas na condição quase estática e a 60
Hz, para (a) ferro puro sinterizado e (b) liga resinada Fe-SBP1,5. ............................................... 86
Figura 92 – Gráfico comparativo do teor de resina e da permeabilidade ...................................... 87
Figura 93 - Gráfico comparativo teor de resina e perdas magnéticas ........................................... 88
Figura 94 – Gráfico Comparativo teor de resina e indução de saturação. ..................................... 88
Figura 95 Valores de tensão induzida para o servomotor convencional e resinado a 20 Hz. ....... 89
Figura 96 Valores de tensão induzida para o servomotor convencional e resinado a 30 Hz. ....... 89
Figura 97 Valores de tensão induzida para o servomotor convencional e resinado a 40 Hz. ....... 90
Figura 98 Valores de tensão induzida para o servomotor convencional e resinado a 50 Hz. ....... 90
Figura 99- Valores de tensão induzida para o servomotor convencional e resinado. ................... 90
XIII
LISTA DE TABELAS E QUADROS
Tabela 1 - Analogia entre grandezas magnéticas e elétricas [1].................................................... 11
Tabela 2 - Analogia entre equações elétricas e magnéticas [1]. .................................................... 12
Tabela 3 - Propriedades eletromagnéticas típicas de ligas por metalurgia do pó [21]. ................. 45
Tabela 4 – Valores da pressão de compactação para cada corpo de prova ................................... 54
Tabela 5 - Parâmetros de medida das amostras da liga Fe-HRJ para ensaio da curva de histerese.
....................................................................................................................................................... 61
Tabela 6 - Parâmetros de medida das amostras da liga Fe-SBP para ensaio da curva de histerese.
....................................................................................................................................................... 62
Tabela 7 – Porcentagem de material utilizado na mistura do SMC do servomotor. ..................... 66
Tabela 8 - Propriedades eletromagnéticas de interesse de ferro sinterizado. ................................ 73
Tabela 9- Medidas das propriedades mecânicas do ferro sinterizado. .......................................... 73
Tabela 10 - Medidas de Dureza Brinell das amostras estudadas. .................................................. 74
Tabela 11 - Medidas do ensaio de compressão das amostras da liga Fe-HRJ............................... 74
Tabela 12 - Medidas do ensaio de compressão das amostras da liga Fe-SBP............................... 74
Tabela 13 - Valores de resistência elétrica, parâmetros dimensionais e resistividade elétrica das
ligas resinadas. ............................................................................................................................... 78
Tabela 14 – Propriedades Magnéticas das Ligas estudadas .......................................................... 85
Tabela 15 – Tensão induzida nas bobinas do servomotor ............................................................. 91
Tabela 16 – Valores de tensão induzida para o teste do servomotor com carga. .......................... 91
Quadro 1 - Especificações técnicas da resina HRJ-10236..............................................................52
Quadro 2- Especificações técnicas da resina SBP-128...................................................................52
Quadro 3 – Propriedades do Servomotor SWA – 40 da WEG Motores........................................66
Quadro 4 – Especificações dos equipamentos constituintes da bancada de testes.........................72
XIV
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS
a, b, c – Enrolamentos do Estator
A - Área da seção transversal da barra [m²]
B – Densidade de Fluxo Magnético ( T )
B
s
– Saturação Magnética (T)
B
r
= Retentividade magnética ou magnetização remanescente (T)
CA - Corrente alternada
CC - Corrente contínua
d
ext
- Diâmetro externo do anel [mm]
d
int
- Diâmetro interno do anel [mm]
ε - Intensidade de Campo Elétrico (V/m)
e – Tensão Induzida
f
e
– Freqüência Elétrica (Hz)
G – Condutância (A/V)
H – Campo Magnético (A/m)
H
c
– Coercitividade (A/m)
HB - Dureza Brinell
HRJ-10236 - Nome comercial de resina fenólica
I – Corrente (A)
J – Densidade de Corrente (A/m²)
k - Constante de proporcionalidade
L – Indutância (H)
LdTM - Laboratório de Transformação Mecânica - UFRGS
l
m
– Caminho Percorrido pelo Fluxo (m)
l – Caminho percorrido pela Corrente (m)
M/P - Metalurgia do Pó
mmf - Força Magnetomotriz (A.e)
N – Número de Enrolamentos
P – Permeância (Wb/A.e)
P
h
- Perdas por histereze [W/kg]
R – Resistência (Ω)
XV
R – Relutância (A.e/Wb)
S – Área da Seção Transversal (m²)
SBP-128 - Nome comercial de resina fenólica
SMC – Soft Magnetic Composite (Compósito Magnético Macio)
TCH - Traçador de Curva de Histerese
Tg - Temperatura de transição vítrea
TG - Análise termogravimétrica
U – Tensão (V)
x - Espessura da peça [m]
w
e
– Freqüência Elétrica (rad/s)
w
m
– Velocidade Angular (rad/s)
λ – Indução Magnética (Wb)
µ – Permeabilidade Magnética (H/m)
µ
0
– Permeabilidade Magnética do espaço livre (H/m)
µr – Permeabilidade Magnética Relativa
ρ – Resistividade (1/ σ)
σ – Condutividade (A/V.m)
φ
max
– Máximo Fluxo Magnético
Ф – Fluxo Magnético (Wb)
XVI
RESUMO
Este trabalho aborda o desenvolvimento de compósitos magnéticos macios (Soft Magnetic
Composites - SMC). Os materiais SMC tem sua aplicação principal em núcleos magnéticos de
máquinas elétricas. Sem grandes evoluções tecnológicas nos últimos 50 anos, os materiais e a
metodologia de fabricação dos rotores e estatores de máquinas elétricas permanecem inalterados
devido a alta concentração de pesquisas na área de acionamentos e controle dos motores.
Diversos fatores levaram a esta pesquisa, tais como, imenso desperdício de material e
processo de fabricação complexo para fabricação de núcleos magnéticos de máquinas elétricas. O
processo atual de montagem de núcleos magnéticos conta com cinco principais processos:
laminação, estampagem, tratamento para isolação, empacotamento e fixação. O processo de
estampagem desperdiça quarenta por cento de matéria prima, devido a geometria final do estator
e rotor.
Com o uso de técnicas oferecidas pela metalurgia do pó e o avanço das pesquisas de
materiais compósitos é possível reduzir o desperdício de matéria prima para menos de dois por
cento enquanto que as etapas para produção dos núcleos magnéticos limitam-se a mistura,
compactação e cura dos componentes.
Para que esta metodologia seja realmente aplicável foi necessário o desenvolvimento de
uma liga SMC que apresentasse as propriedades magnéticas e mecânicas solicitadas em máquinas
elétricas. Para tal diversas ligas metálicas combinadas a resinas fenólicas e epóxi foram testadas.
A partir dos resultados, os melhores compósitos foram aplicados em núcleos magnéticos de
servomotores para que as ligas fossem então analisadas em aplicações reais.
Neste trabalho, foi desenvolvido, projetado e construído, os núcleos magnéticos de uma
máquina síncrona trifásica de 400 W, comercialmente construída pela empresa WEG. Nesta o
rotor laminado foi substituído por um bloco maciço de uma liga SMC e o estator laminado foi
substituído por um estator obtido a partir de um bloco maciço de compósito magnético macio de
ferro.
Na elaboração deste projeto, foi dado ênfase aos seguintes aspectos:
XVII
Avaliação e estudo dos processos metalúrgicos para a obtenção de materiais magnéticos
sinterizados e curados. Análise dos pós constituintes das ligas, que podem ser utilizados para
fabricação dos núcleos da máquina. Pesquisas sobre pressão de compactação, temperatura e
patamares de sinterização destes materiais. Obtenção de amostras para avaliação de propriedades
físicas de interesse como a permeabilidade relativa, coercitividade magnética, resistividade
elétrica e propriedades mecânicas.
Estudo sobre o funcionamento e projeto de máquinas síncronas trifásicas. Avaliação e
definição de um tipo de máquina a ser construída, levando-se em consideração as propriedades
físicas do material, aspectos construtivos, desempenho e propriedades eletromagnéticas.
Definição de um estator e outras partes de uma máquina com alimentação trifásica.
Projeto e construção das matrizes para compactação dos núcleos magnéticos, usinagem
destes, bem como todas as etapas inerentes a montagem da máquina. Teste de desempenho e
obtenção de parâmetros.
Finalmente há uma comparação entre o desempenho dos protótipos desenvolvidos neste
trabalho e uma máquina elétrica convencional.
XVIII
ABSTRACT
The aim of this work is study a new soft magnetic material. Those materials are often
used in electrical machine’s magnetic core. The process and materials to build an electrical
machine have not changed so much in the last 50 years, on the other hand the researches about
automation and control of these machines increased significantly.
Many factors bring to this research, such as, waste of raw material and complex assembly
system in magnetic core production. The actual assembly process of magnetic core has five main
stages: rolling, die pressing, grouping and setting of sheets, heat treatment and electrical
insulation. In the stamping process misses 40% of raw material due the stator and rotor geometry.
Trough powder metallurgy technology and soft magnetic materials research advancement
is possible to reduce the waste of raw material to less than two percent while the assembly stages
were going to be: mix, pressing and cure of devices.
To apply this technology it is necessary to find a soft magnetic material witch develop the
properties required in electrical machines (magnetic and mechanical properties). To achieve this
aim several magnetic alloys with phenolic resin were tested. From the results, the best composite
was chosen to be applied in a servomotor’s magnetic core from there the soft magnetic composite
could be tested in a real situation.
In this research, we have chosen to develop, design and build magnetic cores of a three-
phase machine, commercially fabricated by WEG Motors. In this machine the laminated cores
were replaced by a bulk part made by a soft magnetic material.
In the study of this Project, emphasis was given to:
Assessment and study about metallurgical processes to obtain sintered and cured magnetic
materials. Interesting powder alloys to machines’ core analysis. Research about compacting
pressure, temperature and sintering curves. Obtainment of samples to physical, mechanical and
electromagnetic assessment.
XIX
Study about three-phase machine operation. Electrical machine assessment and definition
taking into account material´s physical and electromagnetic properties, electrical machine´s
constructive aspects and performance. Definition of a stator, rotor and other parts from an
electrical machine.
Die design and construction to compact magnetic cores, machining as well all the
electrical machine production stages .Performance tests to parameters obtainment.
Finally there is a performance comparison between the prototype developed and a
conventional machine
1
1. INTRODUÇÃO
As máquinas elétricas rotativas existem há mais de um século, e sua estrutura básica
tem se mantido inalterada ao longo dos anos. Os avanços atingidos nas últimas décadas foram
geralmente no redimensionamento elétrico da máquina, e no acionamento, havendo poucos
registros sobre a utilização de novos materiais.
Com o advento de computadores mais modernos, foi possível a utilização de softwares
de simulação possibilitando assim o desenvolvimento de projetos otimizados, resultando em
máquinas com melhor desempenho. Como exemplo cita-se softwares que simulam a indução
magnética no entreferro para diversas configurações de chapas do conjunto estator-rotor com
variadas formas de ranhuras. Deve-se salientar que a visualização da distribuição da indução
magnética ao longo do entreferro dos motores é muito importante para avaliação teórica do
conjugado eletromagnético desenvolvido pela máquina.
Com relação ao acionamento das máquinas elétricas rotativas, este pode ser realizado
diretamente a partir de uma fonte de tensão elétrica como a própria rede de distribuição de
energia. O acionamento também pode ser realizado a partir de conversores estáticos, que são
dispositivos construídos com componentes eletrônicos a base de silício. A partir da década de
60, houve um salto tecnológico no desenvolvimento de componentes a base de
semicondutores resultando, nas últimas décadas, em um grande número de pesquisas na área
de acionamentos de máquinas por meio de conversores estáticos. Paralelamente, houve
também neste período um grande avanço nas técnicas de controle de máquinas, destacando-se
o uso de microprocessadores e a técnica de controle vetorial.
Nota-se então que, nos últimos 30 anos, as pesquisas se concentraram basicamente no
desenvolvimento de novas topologias de conversores e novas técnicas de controle. As
máquinas de indução utilizadas em acionamentos sofreram poucos avanços em relação a sua
topologia tradicional. Com relação as máquinas síncronas, constata-se um desenvolvimento
de inúmeras novas variantes para princípios já há muito estabelecidos, tais como máquinas a
ímãs, máquinas de relutância, máquinas a relutância chaveada, motores de passo e máquinas
híbridas, as quais foram impulsionadas pelo desenvolvimento de novos tipos de ímãs ou
super-ímãs a base de terras raras. O desenvolvimento e otimização destes novos tipos de
máquinas também foi em grande parte possível graças ao desenvolvimento de técnicas
numéricas avançadas de projeto e análise, entre eles o método dos elementos finitos. Estas
2
novas variantes utilizam, entretanto, em sua grande maioria, materiais convencionais como as
chapas de aço laminadas para as partes magnéticas da máquina.
Na sua grande maioria, os núcleos do estator e do rotor das máquinas elétricas,
tradicionalmente são construídas com chapas de aço baixo carbono de espessura de 0,35 a 0,5
mm. Algumas máquinas de maior rendimento são construídas com aço-silício, com um
percentual de 1 a 3% de silício. O processo global para a confecção destes núcleos, também
denominados de núcleos magnéticos, consiste basicamente em laminação, estampagem,
tratamento para isolação, empacotamento e fixação. No caso das chapas de aço baixo
carbono, o processo para isolação consiste num tratamento térmico, onde os pacotes de chapas
são colocados em fornos durante certo tempo, havendo então a oxidação da superfície das
chapas, e em conseqüência, a formação de uma camada isolante de óxido de ferro entre as
chapas adjacentes. Esta é a solução clássica para diminuir as perdas indesejáveis provocadas
por correntes induzidas. Sob o aspecto da composição das chapas, elas representam um
compromisso entre as características elétricas (resistividade) e magnéticas das chapas
(permeabilidade). Existe um número consideravelmente pequeno de trabalhos publicados
sobre a utilização de materiais fundamentalmente novos em núcleos magnéticos de máquinas
elétricas rotativas.
Um dos maiores desafios para a engenharia dos materiais se constitui atualmente no
desenvolvimento e na produção de materiais magnéticos mais baratos e com características
adequadas para o regime de trabalho imposto pelas máquinas elétricas. Graças a avanços
tecnológicos dos últimos anos, a engenharia de materiais tornou possível não apenas a
fabricação de ímãs permanentes, mas também o desenvolvimento e fabricação de materiais
magnéticos capazes de substituir os materiais tradicionais utilizadas nas partes magnéticas
ativas da máquina.
Atualmente já são disponíveis processos de obtenção de materiais que apresentam alta
permeabilidade magnética aliada à baixa condutividade elétrica, fazendo com que as perdas
por correntes induzidas e histerese diminuam significativamente. Um destes processos é a
Metalurgia do Pó (M/P), por meio da qual se pode obter peças inteiriças, sem a necessidade
de laminação. Estes blocos inteiriços, obtidos a partir de ligas de ferro magnético com outros
elementos como resinas fenólicas e epóxi podem substituir os núcleos do rotor e do estator. O
uso dos processos da M/P na fabricação destes núcleos deverá resultar nas seguintes
vantagens em relação à utilização de chapas:
3
Menor inércia;
Maior robustez;
Manutenção reduzida;
Menores perdas;
Menor tempo de fabricação;
Menor custo de produção;
Torque mais elevado para um mesmo volume de material ativo.
As máquinas desenvolvidas a partir desta tecnologia poderão substituir motores
convencionais fabricados com chapas numa série de aplicações tais como eletrodomésticos,
automóveis, motores para a indústria, onde até o momento predomina o uso de motores de
indução sem controle de velocidade ou motores CC e CA de escovas. Uma aplicação de
grande interesse é em automóveis, uma vez que, a partir de inversores, estes poderão
substituir com vantagens os tradicionais motores de corrente contínua. Outra vantagem, reside
no fato de que estas máquinas poderão ser aplicadas com vantagens em um grande número de
acionamentos elétricos a velocidade variável, tais como em geladeiras, máquinas de lavar,
bombas e ventiladores.
Um obstáculo à fabricação em escala industrial de máquinas com núcleos compósitos
magnéticos macios reside no fato de que, a partir dos processos da M/P convencional, ainda
não é viável fabricar peças de grandes dimensões, uma vez que peças, confeccionadas a partir
de ligas de ferro, são compactadas com pressão em torno de 600 MPa, o que exige prensas de
grande capacidade. Entretanto, segundo dados da ABINEE (Associação Brasileira de
Industrias Eletro – Eletrônicas [15]), os motores elétricos fabricados no Brasil até 735 W,
incluem aproximadamente 96% dos motores monofásicos e 33% dos motores trifásicos. Uma
vez que a potência dos motores elétricos está relacionado com suas dimensões, e motores até
735 W possuem dimensões relativamente pequenas dos núcleos do estator e rotor, toda esta
faixa de motores poderá ser fabricado a partir dos processos da M/P, ou seja, com núcleos
magnéticos resinados.
4
Atualmente os materiais magnéticos macios sinterizados obtidos pelos processos
tradicionais na M/P, com substanciais dados na literatura, são as ligas ferro-níquel, ferro-
fósforo, ferro-silício e ferro-cobalto. Dados bibliográficos revelam que peças sinterizadas
obtidas com estas ligas apresentam as propriedades elétricas e magnéticas que mais se
aproximam, quando comparadas ao pacote de chapas dos núcleos do rotor e do estator. O
material com o qual os núcleos do estator e do rotor são construídos deve apresentar as
seguintes propriedades:
Alta permeabilidade magnética relativa;
Baixa coercitividade magnética;
Alta resistividade elétrica;
Elevada indução de saturação.
Como exemplo, a liga sinterizada Fe-50%Ni possui altíssima permeabilidade
magnética relativa, podendo atingir até 10 vezes o valor do aço carbono, baixa coercitividade
e, por ser uma liga metálica, possui alta resistividade elétrica [17]. Assim, das quatro ligas
citadas anteriormente, a liga ferro-níquel é a mais indicada para confecção de um núcleo do
rotor ou do estator de uma máquina elétrica, tendo como inconveniente comparado as outras
três ligas, o custo elevado [16].
Neste trabalho, optou-se pelo desenvolvimento, projeto e construção, dos núcleos
magnéticos de uma máquina síncrona trifásica de 400 W comercialmente construída pela
empresa WEG. Nesta o rotor e o estator laminados foram substituídos por um rotor e um
estator obtido a partir de um bloco maciço de compósito magnético macio de ferro.
Na elaboração deste projeto, foi dado ênfase aos seguintes aspectos:
• Avaliação e estudo dos processos metalúrgicos para a obtenção de materiais
magnéticos sinterizados e curados. Análise dos pós constituintes das ligas, que
podem ser utilizados para fabricação do rotor da máquina. Pesquisas sobre
pressão de compactação, temperatura e patamares de cura destes materiais.
Obtenção de amostras para avaliação de propriedades físicas de interesse como
a permeabilidade relativa, coercitividade, resistividade elétrica e dureza.
5
• Estudo sobre o funcionamento e projeto de máquinas síncronas trifásicas.
Avaliação e definição de um tipo de máquina a ser construída, levando-se em
consideração as propriedades físicas do material, aspectos construtivos e
desempenho. Definição de um estator e outras partes de uma máquina com
alimentação trifásica, 4 pólos, específica para montagem do rotor.
• Projeto e construção das matrizes para compactação dos núcleos magnéticos,
usinagem destes, bem como todas as etapas inerentes a montagem da máquina.
• Teste de desempenho e obtenção de parâmetros.
• Finalmente há uma comparação entre o desempenho dos protótipos
desenvolvidos neste trabalho e uma máquina elétrica convencional.
6
2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1 Fundamentos Eletromagnéticos
2.1.1 Introdução
As máquinas elétricas são constituídas por circuitos elétricos e magnéticos
acoplados entre si. Por circuito magnético entende-se um caminho para o fluxo
magnético, assim como um circuito elétrico oferece um caminho para a corrente elétrica.
Nas máquinas elétricas os condutores percorridos por correntes interagem com os
campos magnéticos resultando na conversão eletromecânica de energia [1].
A maioria dos problemas de engenharia envolvendo campos magnéticos são
resolvidos utilizando as equações de Maxwell. Embora na prática soluções exatas sejam
normalmente difíceis de serem atingidas algumas simplificações quando adotadas
auxiliam na solução do problema.
ׯ
ܪ.݈݀
ൌ
ܬ.݀ܽ
ௌ
Eq 2.1
ׯ
ܤ.݀ܽ
ௌ
ൌ 0 Eq 2.2
A equação 1 define que a integral linear da componente tangencial de um campo
magnético de intensidade H em um determinado contorno C é igual a corrente total
passando através de uma superfície S conectada a este contorno. Através desta pode-se
notar que a fonte de H é a densidade de corrente J. Na equação 2.2 tem-se que a
densidade de fluxo magnético B é conservada, isto é, em uma superfície fechada o fluxo
de entrada será igual ao de saída (esta equação explica o porquê de não existir um
monopolo magnético). Através destas equações pode-se notar que valores de campos
magnéticos podem ser determinados a partir do conhecimento do valor instantâneo de
corrente elétrica e que as variações no campo magnético são diretamente relacionadas
com as alterações dos valores da fonte [1].
7
2.1.2 Permeabilidade
Através de algumas simplificações pode-se assumir que a intensidade de campo
magnético H produz uma indução magnética B em toda região onde ela existe, sendo que
B e H estão relacionadas da seguinte maneira [2]:
B= μ.H Eq 2.3
Onde μ é a permeabilidade do meio e é definida em Henries por metro (H/m).
Para um espaço livre tem-se que:
B=μ
0
.H Eq 2.4
Onde μ
0
é definido como a permeabilidade do espaço livre, tendo o valor de
4πx10
-7
H/m.
A permeabilidade dos materiais ferromagnéticos (Fe, Co, Ni e suas ligas) é
usualmente expressa pela permeabilidade relativa, equação 2.5, pois a permeabilidade
destes materiais é da ordem de 10
10
ou mais vezes a permeabilidade do ar. Para os
materiais usados em máquinas elétricas geralmente os valores de μ
r
estão na faixa de
2000 a 6000 [2].
μ
r
=μ/μ
0
Eq 2.5
Pelo fato de a permeabilidade não ser constante em um determinado material e
sim uma função de H a variação de BxH é dada pela curva de magnetização.
Para o real entendimento dos efeitos de H sobre B em uma curva de
magnetização é primeiramente necessário o conhecimento sobre os conceitos de
domínios magnéticos.
2.1.3 Domínios Magnéticos
Os domínios magnéticos são regiões onde o spin do elétron tem a mesma direção.
Cada domínio dentro da estrutura do material é delimitado por paredes de domínio. A
região de domínio magnético pode crescer ou diminuir ou ainda trocar o sentido da
direção principal [3].
Materiais magnéticos macios desmagnetizados irão apresentar múltip
domínios em diferentes direções. A soma desta rede de domínios será zero. Isto significa
que pontualmente os materiais são totalmente polarizados, porém em uma visão macro
os domínios irão cancelando
Iniciando-
se com u
ocorre quando um campo H é aplicado é que os domínios com a direção de fácil
magnetização, direção parecida com a do campo aplicado, irão crescer sobre os outros
domí
nios. Este primeiro cresciment
(b).
Figura 1 - (a)
representação dos domínios magnéticos em um material desmagnetizado
domínios magnéticos
Se a força do campo for aumentada, o crescimento do domínio continua nas
direções mais fáceis sendo capaz de mover paredes de domínio
inclusões e contornos de grão. Este cresc
Figura 2 - M
ovimentação dos domínios magnéticos através de inclusões e contornos de grãos
8
Materiais magnéticos macios desmagnetizados irão apresentar múltip
domínios em diferentes direções. A soma desta rede de domínios será zero. Isto significa
que pontualmente os materiais são totalmente polarizados, porém em uma visão macro
os domínios irão cancelando
-se e o resultado final será zero.
se com u
ma amostra desmagnetizada figura 1 (a)
, a primeira ação que
ocorre quando um campo H é aplicado é que os domínios com a direção de fácil
magnetização, direção parecida com a do campo aplicado, irão crescer sobre os outros
nios. Este primeiro cresciment
o acontece a baixos
campos e é reversível figura 2
representação dos domínios magnéticos em um material desmagnetizado
domínios magnéticos
após aplicação de um pequeno campo magnético
Se a força do campo for aumentada, o crescimento do domínio continua nas
direções mais fáceis sendo capaz de mover paredes de domínio
s
adjacentes tais como
inclusões e contornos de grão. Este cresc
imento é irreversível figura 2
ovimentação dos domínios magnéticos através de inclusões e contornos de grãos
[3]
Campo
Magnético
Materiais magnéticos macios desmagnetizados irão apresentar múltip
los
domínios em diferentes direções. A soma desta rede de domínios será zero. Isto significa
que pontualmente os materiais são totalmente polarizados, porém em uma visão macro
, a primeira ação que
ocorre quando um campo H é aplicado é que os domínios com a direção de fácil
magnetização, direção parecida com a do campo aplicado, irão crescer sobre os outros
campos e é reversível figura 2
representação dos domínios magnéticos em um material desmagnetizado
(b)
após aplicação de um pequeno campo magnético
[3].
Se a força do campo for aumentada, o crescimento do domínio continua nas
adjacentes tais como
imento é irreversível figura 2
.
ovimentação dos domínios magnéticos através de inclusões e contornos de grãos
Campo
Magnético
Magnético
Em um determinado ponto todos os domínios transformaram
domínio, com uma única direção, porém esta pode não ser igual
aplicado, figura 3.
Figura 3 - R
epresentação do alinhamento de todos os domínios magnéticos em uma única
direção devido
Então a partir de um novo
a rotação da direção do domínio ocorrendo o alinhamento entre a direção d
domínio, figura 2.4
. Neste momento não há mais como o domínio se adaptar ao aumento
do campo aplicado, resultando no
magnéticos comerciais tendem a satura
Figura 4 - R
otação do domínio magnético e saturação do material
Observando-
se a cur
constante, caso fosse ter
-
valor μ
r
considerando-
se a região linear da curva de magnetização
9
Em um determinado ponto todos os domínios transformaram
domínio, com uma única direção, porém esta pode não ser igual
epresentação do alinhamento de todos os domínios magnéticos em uma única
direção devido
à aplicação de um campo magnético
[3]
Então a partir de um novo
aumento do campo magnético aplicado, este irá forçar
a rotação da direção do domínio ocorrendo o alinhamento entre a direção d
. Neste momento não há mais como o domínio se adaptar ao aumento
do campo aplicado, resultando no
que se conhece como saturação do material. Aços
magnéticos comerciais tendem a satura
r
em densidades de fluxo de 1 a 2 Teslas.
otação do domínio magnético e saturação do material
se a cur
va de magnetização da figura 5
é evidente que
-
se-
ia uma reta. Para exercícios práticos é costume utilizar o
se a região linear da curva de magnetização
[3]
Campo
Magnético
Campo
Magnético
Em um determinado ponto todos os domínios transformaram
-se em um simples
a direção do campo
epresentação do alinhamento de todos os domínios magnéticos em uma única
[3]
.
aumento do campo magnético aplicado, este irá forçar
a rotação da direção do domínio ocorrendo o alinhamento entre a direção d
o campo e do
. Neste momento não há mais como o domínio se adaptar ao aumento
que se conhece como saturação do material. Aços
em densidades de fluxo de 1 a 2 Teslas.
otação do domínio magnético e saturação do material
[3].
é evidente que
μ não é
ia uma reta. Para exercícios práticos é costume utilizar o
[3]
.
Magnético
Magnético
Figura 5 - C
urva de magnetização de dois materiais com
2.1.4 Curva de Histerese
Como a permeabilidade dos mate
de H, a expressão B=
µ.H, n
de curvas levantadas para cada material
Todo material ferromagnético após ter sido submetido a magnetização, quando não
está mais sujeito ao campo externo não retorna
saturada
e depois o campo for removido existirá uma densidade de fluxo residual
como magnetismo residual Br
Para que se anule este Br é nece
contrário ao de magnetização, este campo é chamado de coercitividade do material, ou seja a
quantidade de energia que deve ser aplicada para que a remanescência seja nula
apresenta um exemplo
de curva de magnetização
Indução
, B (T)
10
urva de magnetização de dois materiais com
diferente
ponto de satur
Como a permeabilidade dos mate
riais
magnéticos não é constante e s
.H, n
ão pode ser calculada. Deve ser obtida experimentalmente, através
de curvas levantadas para cada material
[2].
Todo material ferromagnético após ter sido submetido a magnetização, quando não
está mais sujeito ao campo externo não retorna
ao seu estado origin
al. Se uma amostra for
e depois o campo for removido existirá uma densidade de fluxo residual
como magnetismo residual Br
, referente
ao movimento das paredes dos domínios magnéticos.
Para que se anule este Br é nece
ss
ário aplicar um campo magnético de força H no sentido
contrário ao de magnetização, este campo é chamado de coercitividade do material, ou seja a
quantidade de energia que deve ser aplicada para que a remanescência seja nula
de curva de magnetização
.
Figura 6 - Curva de magnetização.
Indução
, B (T)
Campo Magnético, H (A/m)
ponto de satur
ação [3].
magnéticos não é constante e s
im uma função
ão pode ser calculada. Deve ser obtida experimentalmente, através
Todo material ferromagnético após ter sido submetido a magnetização, quando não
al. Se uma amostra for
e depois o campo for removido existirá uma densidade de fluxo residual
conhecido
ao movimento das paredes dos domínios magnéticos.
ário aplicar um campo magnético de força H no sentido
contrário ao de magnetização, este campo é chamado de coercitividade do material, ou seja a
quantidade de energia que deve ser aplicada para que a remanescência seja nula
, figura 6
11
2.1.5 Circuitos Magnéticos
Circuitos magnéticos atuam de forma similar aos circuitos elétricos. A figura 7 e a
tabela 1 apresentam analogias entre circuitos magnéticos e circuitos elétricos
Figura 7 - Analogia entre circuito elétrico e circuito magnético [1].
Tabela 1 - Analogia entre grandezas magnéticas e elétricas [1].
Circuito Elétrico Circuito Magnético
Densidade de Corrente: J (A/m
2
) Densidade de Fluxo Magnético: B (Wb/m
2
)
Corrente: I (A) Fluxo Magnético: Ф (Wb)
Intensidade de Campo Elétrico: ε (V/m) Intensidade de Campo Magnético: H (A/m)
Tensão ou fem: U (V)
Força Magnetomotriz: mmf(A.e)
Condutividade: σ (A/V.m) Permeabilidade: µ (Wb/A.m)
Resistência: R (Ω)
Relutância: R(A.e/Wb)
Resistividade: ρ (1/ σ) Relutividade ( 1/ µ)
Condutância: G (A/V) Permeância: P (Wb/A.e)
A tensão (E) corresponde a força magnetomotriz (mmf), tem suas propriedades
relacionadas ao número de enrolamentos (N) e a corrente que passa por estes. A resistência
(R) corresponde a relutância (R), que é determinada pelo comprimento do caminho
percorrido pelo fluxo magnético (l
m
) dividido pela área da seção transversal (S) e pela
permeabilidade. As propriedades do material e a geometria do mesmo influenciam na
relutância (1).
12
A corrente (I) corresponde ao fluxo magnético (Ф) que é o valor da força
magnetomotriz (mmf) dividido pela relutância total (R). A densidade de fluxo (B) é o fluxo
(Ф) dividido pela área da seção transversal (S). O fluxo magnético (Ф) é o fluxo total que
percorre a amostra enquanto que a densidade de fluxo (B) está relacionada com a quantidade
de fluxo em determinada área.
Tabela 2 - Analogia entre equações elétricas e magnéticas [1].
Elétrico Magnético
U=R.I
mmf=N.I
R=l/σ.S R = l
m
/µ.S
Ε.l = J/σ.l = U = I.R H.l
m
= (B/µ) . l
m =
mmf
= Ф.
R
2.1.6 Indução Magnética e Indutância
Quando um campo magnético varia no tempo, um campo elétrico é criado como
determina a Lei de Faraday da equação 2.6 [1].
ׯ
ε.ds
େ
ൌ െ
ୢ
ୢ୲
B.da
ୗ
Eq 2.6
A equação 2.6 define que a integral linear da intensidade de um campo elétrico ε em
um contorno fechado C é igual a taxa de variação da indução magnética. Em situações onde
os condutores de corrente apresentam valores de condutividade elevados pode se definir que o
valor de ε no fio é zero. A equação 2.6 então pode ser simplificada como é mostrado na
equação 2.7.
ε ൌ
ௗఒ
ௗ௧
Eq. 2.7
aonde λ é o indução magnética do enrolamento e é definido pela equação 2.8.
λ = N.φ Eq. 2.8
Indução magnética é medido em unidades de webers (ou webers por voltas). O
símbolo φ é usado para indicar o valor instantâneo de fluxo magnético. Para materiais
magnéticos que apresentam permeabilidade magnética constante ou que possuam um gap de
ar dominante, a relação entre o fluxo magnético instantâneo (
φ) e a corrente (I) no
enrolamento será linear e pode ser definida como a indutância do material, equação 2.9.
13
ܮ ൌ
ఒ
ூ
Eq 2.9
Outra maneira de definir-se a indutância é através de sua relação proporcional ao
quadrado do número de voltas do enrolamento e inversamente proporcional a relutância do
circuito magnético, equação 2.10.
ܮ ൌ
ே
మ
ோ
Eq 2.10
A indutância (L) é dada em henryes (H) ou weber-enrolamentos por âmpere.
Figura 8 – Circuito magnético [1].
2.2 Máquinas Elétricas
2.2.1 Introdução
Conversões eletromagnéticas acontecem quando ocorrem mudanças da indução
magnética resultado de um movimento mecânico. Em máquinas elétricas rotativas as tensões
são geradas em bobinas ou conjuntos de enrolamentos quando gira-se estas bobinas
mecanicamente através de um campo magnético, girando mecanicamente um campo
magnético ao redor de um fio ou desenvolvendo um circuito magnético onde a relutância
varia com a rotação do rotor. Por qualquer um destes métodos a indução magnética de um
enrolamento muda ciclicamente e uma tensão alternada é gerada [1].
Um conjunto de enrolamentos conectados é tipicamente referido como enrolamento de
armadura. Em geral o termo enrolamentos de armadura é utilizado para designar uma bobina
ou um conjunto de enrolamentos em uma máquina elétrica rotacional que carregam correntes
elétricas ac. Em máquinas síncronas ou máquinas de indução os enrolamentos de armadura
são geralmente na parte estacionária do motor conhecidas como estator e nestes casos os
N espiras
enrolamentos podem
ser chamando de enrolamentos d
enrolamentos de um estator.
Figura
Em máquinas dc
(corrente continua)
parte rotativa da máquina, conhecida como rotor.
dc. Um contato é utilizado para alimentar os enrolamentos do rotor de uma
Máquinas síncronas e dc ti
de enrolamentos) para o fluxo de corrente dc. Estes enrolamentos são utilizados para produzir
o fluxo magnético de operação da máquina. Este enrolamento é conhecido como enrolamento
de campo. O
enrolamento de campo em uma
que em uma máquina síncrona ele é encontrado no rotor. Em cada caso
14
ser chamando de enrolamentos d
o estator. A figura 2.9
enrolamentos de um estator.
Figura
9 – Conjunto de enrolamentos de um
estator.
(corrente continua)
, os enr
olamentos de armadura são encontrados na
parte rotativa da máquina, conhecida como rotor.
Figura 10
mostra um rotor de uma máquina
dc. Um contato é utilizado para alimentar os enrolamentos do rotor de uma
Figura 10 - Rotor de uma máquina dc.
Máquinas síncronas e dc ti
picamente incluem um segundo enr
olamento
de enrolamentos) para o fluxo de corrente dc. Estes enrolamentos são utilizados para produzir
o fluxo magnético de operação da máquina. Este enrolamento é conhecido como enrolamento
enrolamento de campo em uma
máq
uina dc é encontrado no estator
que em uma máquina síncrona ele é encontrado no rotor. Em cada caso
Enrolamentos
do Estator
o estator. A figura 2.9
mostra os
estator.
olamentos de armadura são encontrados na
mostra um rotor de uma máquina
dc. Um contato é utilizado para alimentar os enrolamentos do rotor de uma
máquina dc.
olamento
(ou conjunto
de enrolamentos) para o fluxo de corrente dc. Estes enrolamentos são utilizados para produzir
o fluxo magnético de operação da máquina. Este enrolamento é conhecido como enrolamento
uina dc é encontrado no estator
enquanto
que em uma máquina síncrona ele é encontrado no rotor. Em cada caso
a corrente deve ser
Enrolamentos
do Estator
15
fornecida para o enrolamento de campo via contato rotacional. Materiais magnéticos
permanentes também produzem fluxo magnético dc e muitas vezes são usados para substituir
os enrolamentos de campo em determinadas máquinas [1].
Na maioria das máquinas elétricas rotativas o estator e o rotor são feitos de chapas de
aço e as bobinas são enroladas em determinados espaços destas estruturas. Sabe-se que quanto
maior a permeabilidade magnética maior a densidade de energia associada a transformação
eletromecânica. O fluxo magnético variável encontrado na armadura destas máquinas tende a
induzir correntes no material, conhecidas como correntes parasitas. Com o objetivo de
diminuir estas correntes, as quais causam perdas energéticas, as máquinas elétricas são
construídas a partir de chapas de aço. A figura 11 mostra uma máquina elétrica sendo
construída a partir de um conjunto de chapas laminadas.
Figura 11 – Estrutura de chapas laminadas em um motor [1]. Processo de fabricação de um
grande estator.
Em algumas máquinas tais como máquinas de relutância e motores de passo não
existem enrolamentos no rotor O funcionamento destas máquinas depende da não
uniformidade do entreferro de ar com as variações na posição do rotor em conjunto com a
alimentação dos enrolamentos do estator por correntes alternadas. Em tais máquinas tanto o
estator quanto o rotor estão sujeitos a fluxos magnéticos alternados resultando na necessidade
16
de terem rotor e estator construídos com chapas laminadas para diminuir as perdas por
correntes parasitas [1].
Máquinas elétricas rotativas possuem diversas formas e são conhecidas por diversos
nomes: dc, síncronas, magneto-permanentes, indução, relutância-variável, histereses,
brushless, etc. Embora estas máquinas pareçam operar através de metodologias
completamente diferentes os princípios físicos que determinam seu funcionamento são bem
similares. Um exemplo é o caso de uma máquina dc onde associado ao rotor e ao estator estão
distribuições de fluxos magnéticos que são fixos no espaço. Tais fluxos têm a tendência de se
alinharem caracterizando desta forma o torque gerado nesta máquina. Em uma máquina de
indução apesar de muitas diferenças fundamentais, o princípio de funcionamento é
exatamente o mesmo. A distribuição de fluxos magnéticos, embora nestas máquinas eles não
sejam estacionários, giram com um determinado sincronismo. Como em um motor dc eles se
encontram com uma constante separação angular e o torque é produzido na tendência destes
fluxos se alinharem [1].
2.2.2 Máquinas AC
Máquinas ac tradicionais são classificadas em duas categorias: síncronas e indução.
Em máquinas síncronas a corrente do enrolamento do rotor é suprida através de anéis
condutores e escovas. Em máquinas de indução as correntes no enrolamento do rotor são
geradas através de uma combinação de diferenças na posição do rotor e variações na corrente
do estator.
Máquinas Síncronas A figura 12 representa um motor síncrono de pólos salientes. O
enrolamento de campo desta máquina gera um par de pólos magnéticos e por isto este
máquina é chamada de motor de dois pólos [1].
Com raras exceções o enrolamento de armadura de uma máquina síncrona não é
localizado no estator e o enrolamento de campo no rotor. O enrolamento de campo é excitado
através de uma fonte de corrente continua conectada ao eixo através de um conjunto de anéis
coletores e escovas de carbono. Os enrolamentos são dispostos desta maneira por razões
práticas. É mais vantajoso ter uma única fase de baixa potência (enrolamento de campo) no
rotor enquanto no estator está localizado o enrolamento de alta potência e usualmente trifásico
(enrolamento de armadura).
17
Na figura 12 o enrolamento de armadura é representado pelas letras a e -a localizados
exatamente 180º um do outro. Neste esquema o enrolamento de armadura é apenas uma
bobina de N voltas. Os condutores que formam estas bobinas estão paralelos ao eixo e são
conectadas em série.
Figura 12 – Esquema de um motor síncrono de pólos salientes [1].
O caminho do fluxo magnético mostrado na figura 12 é para o caso onde o rotor é
movido por uma fonte mecânica a uma velocidade constante e o enrolamento de armadura
está aberto e por isto o fluxo magnético nesta máquina será apenas produzido pelo
enrolamento de campo.
Em uma situação idealizada pode-se admitir que o fluxo no entreferro desta máquina é
uma senóide. Na figura 13 é possível observar distribuição radial da densidade de fluxo
magnético no entreferro. Na prática a densidade de fluxo no entreferro pode se aproximar de
uma onda senoidal através do correto dimensionamento dos pólos salientes.
Através da rotação do rotor a indução magnética no enrolamento de armadura varia
com o tempo. Assumindo-se a distribuição senoidal da densidade de fluxo e uma velocidade
constante do rotor o resultado será uma tensão induzida nos enrolamento de armadura como
mostrado na figura 13.
A tensão no enrolamento passa por um ciclo completo a cada rotação da máquina de
dois pólos. Está freqüência em ciclos por segundo é a mesma da velocidade de rotação do
motor e é esta a razão para esta máquina ser conhecida como motor síncrono. Nesta situação a
máquina precisa girar a uma velocidade de 3600 RPM para que possa produzir uma tensão
com 60 Hz.
Eixo Magnético
Enrolamento de
Campo
Caminho do
Fluxo
N espiras
de
armadura
18
Figura 13 – (a) distribuição da densidade de fluxo no estator e (b) curva correspondente
tensão induzida no enrolamento de armadura [1].
A maioria das máquinas síncronas tem mais que dois pólos. Na figura 14 é possível
verificar o esquema para uma máquina com quatro pólos e uma única fase. Neste caso tem-se
dois ciclos de distribuição de fluxo no estator, como mostrado na figura 14. Cada enrolamento
é capaz de gerar um ciclo completo. A tensão gerada neste caso será então de 2 ciclos
completos por rotação da máquina, figura 15. A freqüência em Hz será então o dobro da
rotação da máquina.
Figura 14 – Representação de um motor síncrono monofásico com 4 pólos salientes [1].
Quando uma máquina tem mais que dois pólos é interessante concentrar-se em apenas
um par de pólos para estudos elétricos, magnéticos e mecânicos, pois os resultados para um
par de pólos irá se repetir para qualquer outro. É conveniente expressar a distribuição de fluxo
em radianos elétricos ao invés de unidades físicas. Neste caso um par de pólos em uma
máquina multipolos te um ciclo de fluxo igual a 2π radianos elétricos [1].
19
Figura 15 – Distribuição da densidade de fluxo no entreferro de uma máquina síncrona de 4
pólos [1].
A tensão induzida no enrolamento do estator completa um ciclo toda vez que um par
de pólos passa por ela (ou pólos dividido por 2 para cada rotação). A freqüência (f
e
)da tensão
elétrica pode ser representada pela equação 2.11 [1].
݂
ൌ ቀ
௦
ଶ
ቁ
Eq. 2.11
Onde n é a velocidade do eixo em rotações por minuto. A freqüência neste caso é dada
em hertz (Hz). A freqüência elétrica da tensão gerada em radianos por segundo é obtida pela
equação 2.12.
ݓ
ൌ ቀ
௦
ଶ
ቁݓ
Eq. 2.12
Onde w
m
é a velocidade de rotação em radianos por segundo.
O rotor mostrado nas figuras 12 e 14 têm pólos salientes, porém é possível também
que uma máquina síncrona tenha pólos lisos ou ainda rotor cilíndrico. A figura 16 representa
um motor de pólos lisos. O enrolamento de campo esta distribuído de forma a gerar dois pólos
e produzir aproximadamente uma onda senoidal na distribuição de fluxo no entreferro do
motor.
As relações entre freqüência elétrica e velocidade do rotor servem como base para o
entendimento, porque alguns motores síncronos têm pólos saliente e outros têm pólos lisos. A
maioria dos sistemas elétricos no mundo ou tem a freqüência de 50 Hz ou 60 Hz. Uma
máquina com pólos salientes é característica de geradores hidráulicos, pois estas turbinas
operam em relativa baixa velocidade e por isto um grande número de pólos é necessário para
produzir a freqüência desejada. Quando é necessário um grande número de pólos é mais
radianos elétricos
radianos mecânicos
20
vantajosa construção de máquinas com pólos salientes. A figura 17 mostra um rotor de pólos
salientes de um aerogerador de grande porte. Turbinas de vapor ou gás operam a altas
velocidades e normalmente são turbinas de dois ou quatro pólos lisos.
Figura 16 – Motor síncrono de pólos lisos ou rotor cilíndrico [1].
A maioria dos sistemas no mundo é trifásica e como resultado disto, com raras
exceções, geradores síncronos são máquinas trifásicas. Para a produção de um conjunto de
três fases atrasadas de 120º elétricos é necessário o uso de no mínimo três enrolamentos
afastados de 120º no estator da máquina. A figura 18 (a) mostra um esquema para uma
máquina de dois pólos e trifásica, com um enrolamento por fase. As três fases são designadas
pelas letras a, b e c. Em uma máquina síncrona trifásica se deve ter no mínimo dois
enrolamentos para cada fase como mostra a figura 18 (b). Em uma máquina multipolos o
número mínimo de enrolamentos por fase é o da metade do número de pólos.
Os dois enrolamentos para cada fase da figura 18 (b) são conectados em série e as 3
fases devem ser conectados em estrela ou triângulo (Y ou ∆). A figura 18 (c) mostra uma
conexão do tipo estrela. Embora tenha se falado apenas em ligações série entre fase uma
ligação paralela também é possível, como por exemplo (a, -a) paralelo com (a’, -a’).
Quando um gerador síncrono alimenta uma carga, as correntes nos enrolamentos de
armadura geram um fluxo magnético que gira a velocidade constante. Este fluxo interage com
o fluxo gerado pelos enrolamentos de campo e um torque eletromecânico tende a ser criado
como resultado da tendência destes dois fluxos se alinharem. Em um gerador este torque se
opõe a rotação do motor e o torque da fonte mecânica deve ser aumentado. Este torque
eletromecânico é o mecanismo responsável em um gerador síncrono pela conversão de
energia mecânica em elétrica.
Figura 17 –
Foto de um gerador eólico síncrono de pólos salientes.
Em contrapartida pode
corrente alternada é fornecida aos enrolamentos de armadura e
de campo. O campo magnético produzido pela corrente no e
movimenta-se
a uma velocidade constante
produção de um torque constante, as amplitudes dos campos magnéticos do estator e do rotor
devem ser mantidas constantes. Em um motor síncrono a velocidade constante do motor é
determinada pelo n
úmero de pó
isto significa que se
a freqüência
Figura 18 – (a)
motor síncrono trifásico com dois pólos e uma bobina para cada
motor trifásico quatro pólos e duas bobinas para cada fase e
Em um motor o torque eletromecânico está na mesma direção da rotação do eixo e se
contrapõem ao torque requerido para movimentar a carga. O flux
de armadura de um motor síncrono rotacionam a frente do campo produzido pelo enrolamento
de campo esta diferença é a responsável pela rotação do motor tendo em vista que o campo do
estator atrai o do rotor realizando o trabalho.
21
Foto de um gerador eólico síncrono de pólos salientes.
Em contrapartida pode
-
se utilizar uma máquina síncrona como um motor. Neste
corrente alternada é fornecida aos enrolamentos de armadura e
a
corrente dc ao
de campo. O campo magnético produzido pela corrente no e
nrolamento de armadura
a uma velocidade constante
“puxando” o rotor.
Para que seja poss
produção de um torque constante, as amplitudes dos campos magnéticos do estator e do rotor
devem ser mantidas constantes. Em um motor síncrono a velocidade constante do motor é
úmero de pó
los e a freqüência da corrente do enrolamento de armadura,
a freqüência
ac é constante o motor atuará em velocidades constantes.
motor síncrono trifásico com dois pólos e uma bobina para cada
motor trifásico quatro pólos e duas bobinas para cada fase e
(c)
ligação estrela entre as fases
[1].
Em um motor o torque eletromecânico está na mesma direção da rotação do eixo e se
contrapõem ao torque requerido para movimentar a carga. O flux
o produzido pelas correntes
de armadura de um motor síncrono rotacionam a frente do campo produzido pelo enrolamento
de campo esta diferença é a responsável pela rotação do motor tendo em vista que o campo do
estator atrai o do rotor realizando o trabalho.
Esta situação é oposta em um gerador, aonde o
Foto de um gerador eólico síncrono de pólos salientes.
se utilizar uma máquina síncrona como um motor. Neste
caso a
corrente dc ao
s enrolamentos
nrolamento de armadura
Para que seja poss
ível a
produção de um torque constante, as amplitudes dos campos magnéticos do estator e do rotor
devem ser mantidas constantes. Em um motor síncrono a velocidade constante do motor é
los e a freqüência da corrente do enrolamento de armadura,
ac é constante o motor atuará em velocidades constantes.
motor síncrono trifásico com dois pólos e uma bobina para cada
fase, (b)
ligação estrela entre as fases
Em um motor o torque eletromecânico está na mesma direção da rotação do eixo e se
o produzido pelas correntes
de armadura de um motor síncrono rotacionam a frente do campo produzido pelo enrolamento
de campo esta diferença é a responsável pela rotação do motor tendo em vista que o campo do
Esta situação é oposta em um gerador, aonde o
22
enrolamento de campo produz o fluxo magnético girante e o enrolamento de armadura
acompanha. Estes são os fenômenos fundamentais para conversão eletromecânica de energia.
Máquinas de Indução – o segundo tipo de máquinas ac são as máquinas de indução.
Como acontece com máquinas síncronas os enrolamentos do estator de uma máquina de
indução são alimentados com corrente alternada, porém diferentemente de máquinas
síncronas nas quais os enrolamentos de campo são alimentados com correntes dc, correntes
alternadas estão presentes no rotor de uma máquina de indução. Em máquinas de indução
correntes alternadas são aplicadas diretamente aos enrolamentos do estator as correntes do
rotor são produzidas através da indução gerada pelo estator, como em um transformador.
Máquinas de indução podem ser consideradas como transformadores nos quais potência
elétrica é transformada entre o rotor e o estator com mudanças na freqüência e um fluxo de
potência mecânica. Embora o motor de indução seja o mais usual ele é pouquíssimas vezes
utilizado como gerador, suas características como gerador na maioria das vezes são
insatisfatórias para a maioria das aplicações embora tenha sido muito utilizado em aplicações
como gerador em turbinas eólicas. A máquina de indução também pode ser utilizada como um
conversor de freqüência [1].
Em motores e indução, os enrolamentos do estator são essencialmente os mesmos de
um motor síncrono embora os enrolamentos do rotor sejam curto circuitados e freqüentemente
não tenham ligações externas correntes são induzidas no rotor.
A figura 19 mostra um corte em um motor de indução, nesta figura pode-se observar
que os enrolamentos do rotor são na verdade barras de alumínio fundido que estão em curto
através de anéis de alumínio localizados no final do rotor. Este tipo de construção de rotor
resulta em um motor de indução relativamente barato e altamente confiável fatores que
contribuem para a popularidade e larga aplicação deste tipo de máquina elétrica.
Como em motores síncronos o fluxo magnético de armadura move o rotor e produz o
torque eletromecânico, porém diferente de um motor síncrono o rotor da máquina de indução
não gira em sincronia com o fluxo de armadura existe um escorregamento o que gera um
aumento da indução no rotor e por isto um aumento também no torque na ponta de eixo.
Motores de indução atuam em velocidades inferiores ao das máquinas síncronas. Um gráfico
representando características típicas velocidade x torque em motores de indução pode ser
visto na figura 20.
Figura 19
Figura 20 – G
ráfico do torque x velocidade em uma máquina de indução.
2.2.3 Máquinas
Síncronas com Imãs Permanentes
Motores ac com imãs permanentes são máquinas polifásicas síncronas com imãs
permanentes localizados no rotor. Estas máquinas têm seu funcionamento similar
máquinas síncronas trifásica
A figura 21 representa uma máquina ac trifásica com imas permanentes.
uma máquina com imãs permanentes pode ser analisada com as mesmas técnicas empregadas
para máquinas onde a armadura de campo é gerada por uma fonte de corrente dc assumindo
os
valores de permeabilidade de um imã permanente.
A figura 22 mostra a vista de um corte em uma típica máquina de imãs permanentes,
nesta figura também é possível verificar os sensores de posição e velocidade localizados no
eixo. Estes sensores são utilizad
utilizadas para controle de posição do eixo em uma máquina incluindo:
-
sensores de efeito Hall.
23
–
Motor trifásico de indução tipo gaiola de esquilo
ráfico do torque x velocidade em uma máquina de indução.
Síncronas com Imãs Permanentes
Motores ac com imãs permanentes são máquinas polifásicas síncronas com imãs
permanentes localizados no rotor. Estas máquinas têm seu funcionamento similar
máquinas síncronas trifásica
s de rotor bobinado.
A figura 21 representa uma máquina ac trifásica com imas permanentes.
uma máquina com imãs permanentes pode ser analisada com as mesmas técnicas empregadas
para máquinas onde a armadura de campo é gerada por uma fonte de corrente dc assumindo
valores de permeabilidade de um imã permanente.
A figura 22 mostra a vista de um corte em uma típica máquina de imãs permanentes,
nesta figura também é possível verificar os sensores de posição e velocidade localizados no
eixo. Estes sensores são utilizad
os para o controle da máquina. Inúmeras técnicas podem ser
utilizadas para controle de posição do eixo em uma máquina incluindo:
sensores de efeito Hall.
Motor trifásico de indução tipo gaiola de esquilo
.
ráfico do torque x velocidade em uma máquina de indução.
Motores ac com imãs permanentes são máquinas polifásicas síncronas com imãs
permanentes localizados no rotor. Estas máquinas têm seu funcionamento similar
com
A figura 21 representa uma máquina ac trifásica com imas permanentes.
Na prática
uma máquina com imãs permanentes pode ser analisada com as mesmas técnicas empregadas
para máquinas onde a armadura de campo é gerada por uma fonte de corrente dc assumindo
A figura 22 mostra a vista de um corte em uma típica máquina de imãs permanentes,
nesta figura também é possível verificar os sensores de posição e velocidade localizados no
os para o controle da máquina. Inúmeras técnicas podem ser
24
- diodos emissores de luz.
- foto transistores.
- Sensores indutivos.
Figura 21 – Máquina síncrona trifásica com imãs permanentes [1].
Motores com imãs permanentes são tipicamente operados com drives de freqüência
variável. Sob condições de freqüência constante e excitação polifásica senoidal uma máquina
com imãs permanentes tem o comportamento similar ao de uma máquina síncrona trifásica
com alimentação dc nos enrolamentos de campo.
Figura 22 - Corte de uma máquina síncrona trifásica com imãs permanentes [1].
Motores com imãs permanentes são normalmente referidos como motores sem escovas
ou ainda motores dc sem escovas. Esta terminologia vem do fato que estes motores são muito
similares, quando combinados com conversores de freqüência e drives de controle de tensão.
Estes motores têm também em comum as características de torque e velocidade.
Eixo magnético do
rotor
Eixo magnético da
fase a
Motor magneto permanente
25
Em condições de operação permanente, correntes polifásicas no estator produzem um
fluxo magnético girante enquanto que no estator os imãs permanentes geram um fluxo que é
estacionário em relação ao rotor. Torque constante é produzido apenas quando o rotor gira
com sincronismo em relação ao estator. Nestas condições existe um deslocamento constante
angular entre o os fluxos do estator e do rotor e o resultado disto é um torque com valor
proporcional ao seno do ângulo de deslocamento, figura 23.
Figura 23 – (a) máquina de dois polos e (b) vetor diagrama de mmf [1].
2.2.4 Máquinas Síncronas com Núcleos Magnéticos não Laminados
Diversos estudos já foram realizados na área de máquinas elétricas com núcleos
magnéticos não laminados. Alguns com resultados positivos e outros nem tanto. Pode-se
verificar, inclusive, que já existem alguns casos onde os compósitos magnéticos macios
encontram-se em produtos comercializados. O estudo de alguns casos será mostrado para que
seja possível refletir sobre as metodologias de obtenção de núcleos de máquinas elétricas
obtidas através da metalurgia do pó e mais especificamente com o uso de compósitos
magnéticos macios – SMC (soft magnetic composite).
Servomotor – neste caso um estator laminado de um servomotor comercial com
distribuição de enrolamentos do tipo full pitch, o estator desta máquina pode ser visto na
figura 24, foi redesenhada e substituída por um estator obtido através da compactação de um
compósito magnético macio [4].
Algumas alterações foram feitas para que as propriedades magnéticas do novo
material se adequassem as solicitações do motor, figura 25:
- alto fator de preenchimento com cobre,
-
bobinas foram pré
estator,
-
os cantos do estator foram arredondados.
Figura
Para aumentar-
se a concentração de cobre no espaço reservado para este no estator foi
realizado um pré-
enrolamento das bobinas e logo após fora as bobinas compactadas em uma
pressão a 450 MPa, nota-
se que o isolamento dos fios não foi rompido no processo.
seja possível a introdução destas bobinas o núcleo e a parte traseira do dente do estator foi
dividida em duas peças, permitindo a fácil inserção das bobinas que
o tamanho
exato para que se encaixem perfeitamente sobre os de
melhora o fluxo térmico na máquina
sua separação.
Figura
26
bobinas foram pré
-enrolada
s e pressionadas antes de serem adaptadas ao
os cantos do estator foram arredondados.
Figura
24 – E
stator de um servomotor comercial.
se a concentração de cobre no espaço reservado para este no estator foi
enrolamento das bobinas e logo após fora as bobinas compactadas em uma
se que o isolamento dos fios não foi rompido no processo.
seja possível a introdução destas bobinas o núcleo e a parte traseira do dente do estator foi
dividida em duas peças, permitindo a fácil inserção das bobinas que
após a compactação tem
exato para que se encaixem perfeitamente sobre os de
ntes do estator, este fato
melhora o fluxo térmico na máquina
, na figura 26 é possível observar a geometria do estator e
Figura
25 - Servomotor com estator de SMC [4]
s e pressionadas antes de serem adaptadas ao
stator de um servomotor comercial.
se a concentração de cobre no espaço reservado para este no estator foi
enrolamento das bobinas e logo após fora as bobinas compactadas em uma
se que o isolamento dos fios não foi rompido no processo.
Para que
seja possível a introdução destas bobinas o núcleo e a parte traseira do dente do estator foi
após a compactação tem
ntes do estator, este fato
, na figura 26 é possível observar a geometria do estator e
Como resultado este máquina obteve um valor de
do que o motor original (
3600Nm/m³ x 13200Nm/m³) .
Figura
Motor de bicicleta
seguintes
requisitos: baixo custo de material, baixo peso, fluxo concentrado e alto valor de
preenchimento com cobre do espaço no estator
Neste motor tem
algumas características
o motor deve ser do tipo
concentrados no estator e no rotor o fluxo é gerado por imãs permanentes.
Neste motor o rotor é localizado na parte externa e o estator no centro da máquina
como pode ser visto na figura 27.
Figura 27 – R
otor (esquerda) e estator (direita) de um motor de bicicleta
27
Como resultado este máquina obteve um valor de
densidade de torque 3.7 vezes maior
3600Nm/m³ x 13200Nm/m³) .
Figura
26 – Estator de um servomotor de SMC
[4]
Motor de bicicleta
–
o projeto deste motor para bicicleta deveria atender aos
requisitos: baixo custo de material, baixo peso, fluxo concentrado e alto valor de
preenchimento com cobre do espaço no estator
[5].
algumas características
especiais como baixa
tensão
o motor deve ser do tipo
direct drive, ou seja,
sem caixa de reduções,
concentrados no estator e no rotor o fluxo é gerado por imãs permanentes.
Neste motor o rotor é localizado na parte externa e o estator no centro da máquina
como pode ser visto na figura 27.
otor (esquerda) e estator (direita) de um motor de bicicleta
densidade de torque 3.7 vezes maior
[4]
.
o projeto deste motor para bicicleta deveria atender aos
requisitos: baixo custo de material, baixo peso, fluxo concentrado e alto valor de
tensão
de alimentação,
sem caixa de reduções,
com enrolamentos
concentrados no estator e no rotor o fluxo é gerado por imãs permanentes.
Neste motor o rotor é localizado na parte externa e o estator no centro da máquina
otor (esquerda) e estator (direita) de um motor de bicicleta
[5].
Para este motor os resultados obtidos nos testes apresentaram um valor de pico de
eficiência de 96% e um valor de torque de 2.7 Nm/Kg, sendo que o peso total do motor
3.5 kg.
Servomotor comercial BLDC
compactos e apresentam excelente densidade de torque. O motor foi reduzido em dois terços
de sua dimensão original utilizando uma nova forma de enrolamentos em co
estator feito a partir de compósito magnético macio. Apesar de seu tamanho reduzido o torque
entregue por este servomotor é o mesmo que o modelo de aço laminado. Pode
por um modelo com um encoder e dri
encontradas maiores informações, pois este é um modelo de servomotor comercial e devido as
competições empresariais os dados sobre a pesquisa neste motor são limitadas. A figura 28
apresenta este motor com e sem o encoder senoidal
Figura 28 – (a)
controle integrado
2.2.5 Testes em máquinas síncronas
Sabe-
se que é possível determinar as características de uma máquina síncrona com
diversos testes, incluindo o
circuito aberto
no qual a tensão
de curto circuito ou circuito fechado no qual o enrolamento de armadura é curto circuitado
corren
te na armadura é medida em relação com a corrente no enrolamento de campo. Estes
testes são variações de técnicas aplicadas não somente para máquinas elétricas
qualquer circuito que pode ser aproximado por um circuito equivalente linear no qual o
teoremas de Thevenin podem ser aplicados.
A partir do teorema de Thevenin um teste de circuito aberto resulta no conhecimento
da tensão interna e um teste de curto circuito mostra a impedância interna. Para o caso
28
Para este motor os resultados obtidos nos testes apresentaram um valor de pico de
eficiência de 96% e um valor de torque de 2.7 Nm/Kg, sendo que o peso total do motor
Servomotor comercial BLDC
-
os motores da BLDC são de última geração. São ultra
compactos e apresentam excelente densidade de torque. O motor foi reduzido em dois terços
de sua dimensão original utilizando uma nova forma de enrolamentos em co
estator feito a partir de compósito magnético macio. Apesar de seu tamanho reduzido o torque
entregue por este servomotor é o mesmo que o modelo de aço laminado. Pode
por um modelo com um encoder e dri
ve senoidal integrado. Para e
encontradas maiores informações, pois este é um modelo de servomotor comercial e devido as
competições empresariais os dados sobre a pesquisa neste motor são limitadas. A figura 28
apresenta este motor com e sem o encoder senoidal
[6].
controle integrado
, (b) servomotores e (c)
servomotor comercial
2.2.5 Testes em máquinas síncronas
se que é possível determinar as características de uma máquina síncrona com
diversos testes, incluindo o
teste de reatância síncrona. Estes testes são realizados com
no qual a tensão
é medida em relação ao valor da corrente de campo, e o teste
de curto circuito ou circuito fechado no qual o enrolamento de armadura é curto circuitado
te na armadura é medida em relação com a corrente no enrolamento de campo. Estes
testes são variações de técnicas aplicadas não somente para máquinas elétricas
qualquer circuito que pode ser aproximado por um circuito equivalente linear no qual o
teoremas de Thevenin podem ser aplicados.
A partir do teorema de Thevenin um teste de circuito aberto resulta no conhecimento
da tensão interna e um teste de curto circuito mostra a impedância interna. Para o caso
Para este motor os resultados obtidos nos testes apresentaram um valor de pico de
eficiência de 96% e um valor de torque de 2.7 Nm/Kg, sendo que o peso total do motor
é de
os motores da BLDC são de última geração. São ultra
compactos e apresentam excelente densidade de torque. O motor foi reduzido em dois terços
de sua dimensão original utilizando uma nova forma de enrolamentos em co
njunto com
estator feito a partir de compósito magnético macio. Apesar de seu tamanho reduzido o torque
entregue por este servomotor é o mesmo que o modelo de aço laminado. Pode
-se optar ainda
ve senoidal integrado. Para e
ste caso não foram
encontradas maiores informações, pois este é um modelo de servomotor comercial e devido as
competições empresariais os dados sobre a pesquisa neste motor são limitadas. A figura 28
servomotor comercial
[6].
se que é possível determinar as características de uma máquina síncrona com
teste de reatância síncrona. Estes testes são realizados com
é medida em relação ao valor da corrente de campo, e o teste
de curto circuito ou circuito fechado no qual o enrolamento de armadura é curto circuitado
e a
te na armadura é medida em relação com a corrente no enrolamento de campo. Estes
testes são variações de técnicas aplicadas não somente para máquinas elétricas
, mas para
qualquer circuito que pode ser aproximado por um circuito equivalente linear no qual o
s
A partir do teorema de Thevenin um teste de circuito aberto resulta no conhecimento
da tensão interna e um teste de curto circuito mostra a impedância interna. Para o caso
29
específico do teste em uma máquina rotativa elétrica com o teste de circuito aberto é possível
identificar a excitação necessária, perdas nos núcleos e perdas mecânicas por atrito. No teste
de circuito fechado pode-se verificar informações sobre as reações magnéticas da corrente
introduzida e perdas associadas a corrente tal como perdas no fio I
2
.R.
2.3 Materiais Compósitos Magnéticos Macios
2.3.1 Introdução
Compósitos magnéticos macios (SMC – da sigla em inglês soft magnetic composites)
são materiais utilizados em aplicações eletromagnéticas e podem ser descritos como partículas
de pó de ferro, ou suas ligas de ferro, circundadas por material orgânico isolante.
Componentes SMC normalmente podem ser produzidos por técnicas convencionais de
metalurgia do pó (PM – powder metallurgy) com ou sem aplicação de novas metodologias,
tais como, dupla compactação, compactação a quente, tratamentos térmicos de recozimento,
entre outras. Estes materiais compósitos na maioria das aplicações oferecem uma série de
vantagens quando comparados com as tradicionais chapas laminadas, como por exemplo [7]:
- comportamento ferro magnético isotrópico (fluxo tri-dimensional);
- baixo nível de perdas por correntes parasitas;
- baixas perdas totais no núcleo a média e alta freqüência;
- possibilidade de melhorias nas características térmicas da máquina;
- flexibilidade no formato dos núcleos magnéticos;
- possível redução de peso e dos custos de produção.
2.3.2 Metalurgia do Pó
A produção de componentes magnéticos por metalurgia do pó, além de oferecer as
vantagens típicas associadas a minimização de usinagem, permite obter características únicas
de desempenho. A metalurgia do pó é o processo de fabricação de peças metálicas ou
cerâmicas, que se distingue dos processos metalúrgicos convencionais pelos seguintes
característicos [8]:
- utilização de pós metálicos e não-metálicos como matérias-primas;
30
- ausência de fase líquida ou presença apenas parcial de fase líquida durante o
processo de fabricação;
- produção de peças com formas definitivas ou praticamente definitivas, dentro
de tolerâncias muito estreitas, geralmente sem necessidade de operações de usinagem
posteriores ou de qualquer outro tipo de acabamento;
- produção de componentes com característicos estruturais e físicos
impossíveis de se obter por qualquer outro processo metalúrgico;
- obtenção de peças em grande série, tornando o processo altamente
competitivo em relação aos processos convencionais.
A partir dos pós, obtidos através de várias técnicas de fabricação, são duas as
etapas fundamentais do processo [8]:
- moldagem ou compactação pela aplicação de pressão nos pós, à temperatura
ambiente ou a quente, no interior de matrizes, cujas cavidades correspondem normalmente à
forma e dimensões das peças finais;
- cura ou sinterização a uma temperatura abaixo da temperatura de fusão do
metal ou liga metálica considerada, sob condições de temperatura, tempo e ambiente.
Esta última operação confere a resistência mecânica e outras propriedades aos
compactados obtidos na etapa anterior, os quais, apenas compactados, não possuem as
características físicas e mecânicas que permitem seu emprego imediato.
A compactação e a sinterização são as duas operações básicas, podendo sofrer na
prática algumas modificações, sobretudo no que se refere a compactação.
Outras operações típicas da metalurgia do pó consistem na mistura dos pós, antes da
compactação, quando se trata de vários componentes, e na calibração ou calibragem, após a
sinterização. Além dessas, podem ser realizadas outras operações, tais como tratamento
térmico, tratamento superficial, além da usinagem.
As vantagens do processo podem ser resumidas [8]:
31
- possibilidade de produzir e conformar metais impossíveis ou muito difíceis de
serem obtidos pelos processos metalúrgicos convencionais. Exemplo: metais refratários
(tungstênio, molibdênio, tântalo), metal duro (carbonetos sinterizados de tungstênio, tântalo,
titânio e outros), metal pesado, etc.;
- possibilidade de obtenção de características estruturais especiais, como
porosidade controlada. Exemplo: materiais para mancais auto-lubrificantes, filtros metálicos,
etc.;
- possibilidade de obtenção de materiais caracterizados pela associação de
metais com materiais não-metálicos. Exemplos: compósitos magnéticos, discos e materiais de
fricção, escovas coletoras de corrente, combinação de materiais metálicos com materiais
cerâmicos, etc.;
- possibilidade de associarem-se metais diferentes para a obtenção de materiais
em que ficam mantidos os característicos próprios de cada componente metálico. Exemplos:
contatos elétricos de tungstênio-prata, tungstênio-cobre, etc.;
- possibilidade de ser exercido rigoroso controle do produto acabado, em vista
da capacidade de partir-se de metais extremamente puros;
- eliminação prática de rebarbas ou de qualquer excesso de material da forma
de rebarbas.
Em função do constante aperfeiçoamento da técnica de consolidação dos pós, ou seja,
da compactação e da sinterização, da aplicação de infiltração metálica e de outras técnicas de
conformação, como forjamento-sinterização, além das inovações constantes na produção dos
pós, de modo a resultarem pós com características superiores de compactação, foi possível
tornar a metalurgia do pó técnica competitiva com os processos metalúrgicos tradicionais, não
somente sob o ponto de vista econômico, como igualmente pelo fato de conseguir-se, no
produto final, propriedades mecânicas comparáveis com às dos materiais fundidos,
conformados mecanicamente ou usinados, ao mesmo tempo em que as operações de
tratamento térmico superficial podem ser aplicadas com êxito e relativa facilidade [8][9].
É necessário, contudo, que as séries a serem fabricadas na maioria dos casos sejam
grandes, dado o elevado custo do ferramental empregado como matrizes e componentes de
compactação, principalmente quando as peças apresentam formas complexas.
32
Há, portanto, limitações para a técnica de metalurgia do pó, uma das quais é
exatamente a quantidade de peças a serem produzidas, para que o processo seja competitivo
com as técnicas convencionais [10].
Outra limitação importante é quanto a dimensão e ao formato da peça, porém este
problema está sendo superada pela aplicação de técnicas de compactação isostática e
compactação a quente. De qualquer forma, à medida que as dimensões das peças aumentam,
torna-se necessário o emprego de prensas de compactação de capacidade cada vez maior,
resultando em equipamentos que oferecem dificuldades técnicas muito grandes, custo
elevado, podendo tornar o processo antieconômico.
Contudo, já tem sido possível fabricar peças com pesos superiores a cinco quilos, o
que demonstra que até mesmo a dificuldade dimensional está sendo ultrapassada. Em resumo,
está se tornando comum a substituição de processos tais como fundição sob pressão,
forjamento, fundição de precisão, estampagem, usinagem e outros, pela técnica de metalurgia
do pó [8].
A produção de milhares de peças por hora, de formas complexas, com forma definitiva
ou próxima da final, com tolerâncias estreitas, combinada com a eliminação de operações de
acabamento e, portanto, com economia de matéria-prima, tempo e energia, tem levado a essa
tendência.
Além disso, a fabricação do ferramental necessário, assim como o suprimento de
matéria-prima, não constitui mais um problema. Por esse motivo, as aplicações de peças
sinterizadas vêm se estendendo aos mais diversos campos industriais e avançando para áreas
tecnológicas cada vez mais sofisticadas.
Na produção de materiais magnéticos, tanto magneticamente macios para aplicações
em máquinas elétricas, como magneticamente duros para ímãs permanentes, tem sido
empregada a técnica de metalurgia do pó, porque ela permite que sejam obtidas peças com
forma definitiva de usinagem e retificação, além de conseguir-se as propriedades magnéticas
desejadas.
A figura 29 mostra, esquematicamente, as várias etapas da técnica de metalurgia do
pó.
33
Figura 29 - Fluxograma das etapas do processo de M/P.
Para obtenção dos pós foi desenvolvido uma série de processos, em função das
propriedades do material (fragilidade, ponto de fusão, comportamento químico), e das
características que a aplicação pretendida requer do pó. Há processos mecânicos como a
quebra e moagem, processos de atomização (pulverização), processos físicos, processos
químicos e termoquímicos. Cada processo de produção do pó leva a um pó com um conjunto
de propriedades distintas e a escolha do método de fabricação do pó depende de característi-
cas, tais como, tamanho e distribuição de tamanho de partícula, superfície específica,
compressibilidade, escoabilidade e densidade aparente do pó necessárias à obtenção do
sinterizado com as propriedades mais adequadas a cada aplicação específica.
Pós de Metais e Ligas
Met
álicas
Lubrificantes
Mistura
Compactação a Quente
-Isostática
-Extrusão
-
Matriz
Compactação a Frio
-Isostática
-Injeção
-
Matriz
Sinterização
Etapas Opcionais
Usinagem
Tratamento Térmico
Recompressão
Produto Acabado
34
Características dos Pós Metálicos [9]:
- a pureza e a composição química são muito importantes, pois um nível muito
elevado de impurezas pode alterar as propriedades do produto final levando a resultados
indesejáveis;
- a forma e o tamanho da partícula são as duas características mais importantes
no pó metálico devido às influências que causam como densidade aparente, densidade verde,
velocidade de escoamento, compressibilidade e superfície aparente. A resistência dos
compactados decresce com o aumento do tamanho de partícula do pó, ao passo que a
densidade verde cresce.
A figura 30 apresenta um processo de obtenção de pós por atomização com água, onde
o material fundido é submetido a um jato de água, solidificando-se em partículas e a figura
31(a-c) mostram algumas formas de partículas de pó [10].
Figura 30 - Processo de obtenção de pós por atomização.
Figura 31 - Formato de algumas partículas (a) atomizado, (b) esponja e (c) eletrolítico [3].
A composição química desejada para o produto final é bastante controlável na M/P.
Basicamente, pós de diferentes metais podem ser misturados nas proporções especificadas,
podendo-se partir diretamente de pós pré-ligados ou podendo-se, ainda, misturar pós pré-
ligados a pós de metais, para se chegar à composição química desejada.
a
b
c
35
Em sistemas de um só componente, como no caso da produção de peças com ferro
puro, a etapa de mistura tem função de promover uma distribuição uniforme do lubrificante na
liga desejada. O lubrificante é utilizado para reduzir o atrito entre as partículas de pó e a
parede da matriz, bem como entre as próprias partículas. O lubrificante serve também para
reduzir a força de extração da peça após a compactação, evitando danos ao compactado.
Quando da produção de componentes ligados ou materiais compósitos, a etapa de
mistura torna-se igualmente necessária para promover a distribuição homogênea das
partículas dos diversos componentes na massa do pó, além do lubrificante [11].
O lubrificante adicionado na etapa de mistura é removido dos compactados durante a
etapa de aquecimento por volatilização, ou em uma operação isolada, chamada dewaxing,
antes da sinterização.
Quando a mistura é perfeita, não ocorre a formação de aglomerados de partículas de
um mesmo tamanho ou de um só tipo de metal (no caso em que se deseja a formação de uma
liga).
Deve-se ter muito cuidado nesta etapa do processo, pois quando se utiliza altas
velocidades de mistura dos pós, cria-se uma força centrífuga maior que o peso das partículas,
fazendo com que o pó misturado fique nas paredes do misturador, não sofrendo a atuação
desejada. O tempo de mistura do material também é crítico, pois este deve ser controlado de
forma a promover a máxima homogeneidade da mistura. Um tempo excessivo de operação
pode ter como conseqüência uma mistura inadequada. A figura 32 mostra algumas formas
geométricas comuns de equipamentos para mistura de pós [8].
Figura 32 - Misturadores (a) cilíndrico, (b) rotacional cúbico, (c) cone duplo e (d) dupla
concha [8].
A compactação a operação que consiste na aplicação de pressão sobre determinada
quantidade de pó, ou mistura de pós, até sua consolidação, conforme visualização
simplificada da figura 33. As dimensões da matriz são geralmente a do produto final. As
pressões variam de 30 até 3000 MPa dependendo do tipo de pó.
Figura 33 - Estágios de
compactação
e
(5 e 6)
Densidade verde é a densidade da peça comp
da pressão, matéria-
prima, distribuição das partículas, tamanho e forma das partículas, uso ou
não de lubrifi
cantes e da geometria da matriz.
compactação, pois [9][11]:
- d
iminui a carga de compactação;
-
aumenta a densidade verde do compactado;
-
aumenta a uniformidade da densidade;
-
reduz o desgaste da matriz;
-
facilita a ejeção.
A compactação convencional é sempre executada em prensas mecânicas ou
hidráulicas. Uma q
uantidade pré
e machos, e é então compactada por uma série de deslocamentos dos punções superior e
inferior, a temperatura ambiente.
36
compactação
(1 e 2)
preenchimento da cavidade,
(5 e 6)
extração e remoção do compactado verde
[8]
Densidade verde é a densidade da peça comp
actada antes de ser sinterizada
prima, distribuição das partículas, tamanho e forma das partículas, uso ou
cantes e da geometria da matriz.
O lubrificante influencia no momento da
iminui a carga de compactação;
aumenta a densidade verde do compactado;
aumenta a uniformidade da densidade;
reduz o desgaste da matriz;
facilita a ejeção.
A compactação convencional é sempre executada em prensas mecânicas ou
uantidade pré
-
determinada é colocada numa cavidade formada pela matriz
e machos, e é então compactada por uma série de deslocamentos dos punções superior e
inferior, a temperatura ambiente.
preenchimento da cavidade,
(3 e 4) compactação
[8]
.
actada antes de ser sinterizada
e é função
prima, distribuição das partículas, tamanho e forma das partículas, uso ou
O lubrificante influencia no momento da
A compactação convencional é sempre executada em prensas mecânicas ou
determinada é colocada numa cavidade formada pela matriz
e machos, e é então compactada por uma série de deslocamentos dos punções superior e
37
No caso de utilizar pressões de compactação elevadas existe um desgaste prematuro da
matriz, causado por deformação plástica entre as partículas e as paredes da matriz, elevando o
atrito interno e aumentando o desgaste.
A região onde as partículas de pó sofrem menos influência do processo de
compactação é denominada zona neutra. Em muitos casos, a localização da zona neutra
inviabiliza a produção de uma peça sinterizada.
Os tipos de compactação mais utilizados são:
- compactação unidirecional de ação simples;
- compactação unidirecional de dupla ação;
- compactação isostática;
- laminação de pós;
- extrusão de pós;
- forjamento de pré-formas sinterizadas.
Para solucionar o problema de zona neutra citado anteriormente, utiliza-se
compactação unidirecional de dupla ação, pois há uma melhora na distribuição de densidade;
o punção superior e inferior neste tipo de compactação sofrem deslocamento.
As principais funções na compactação de pós metálicos são:
- consolidar o pó no formato desejado;
- atingir, tanto quanto possível, as dimensões finais, levando-se em
consideração as variações dimensionais após a sinterização;
- atingir o nível e o tipo de porosidade desejada;
- atingir a resistência adequada para o manuseio.
Os métodos de compactação para técnicas com pressão podem ser divididos em:
- matriz;
38
- isostática;
- alta velocidade;
- forjamento;
- extrusão.
O método mais usual é a compactação em matriz, representando a técnica de
consolidação mais largamente utilizada, dividindo-se em:
Compactação em efeito simples: Este sistema de compactação ocorre com ação apenas
do punção superior ou inferior.
Compactação de duplo efeito: Este sistema é utilizado para peças de um ou dois níveis
que devem ser pressionados com forças a partir de duas direções; produz peças com
densidade mais uniformes do que na prensagem com movimento simples
Compactação de efeito simples com matriz flutuante: este sistema, o punção inferior
permanece estacionário durante a compactação e a matriz é mantida em sua posição original
pela ação hidráulica, pneumática ou mecânica usando molas. Durante a fase de compressão
surge uma força de atrito entre os pós e as paredes da matriz que, quando supera a força que a
suporta, provoca sua movimentação para baixo. Este movimento simula um deslocamento do
punção para cima
Compactação de múltipla movimentação com matriz flutuante: Neste sistema, em
geral há dois ou mais punções inferiores e superiores e estes são posicionados de tal forma
que produzem vários níveis na peça.
O comportamento do pó durante a etapa de compactação é de importância
fundamental na metalurgia do pó e dois mecanismos básicos ocorrem durante a compactação
sob pressão:
- movimento das partículas;
- deformação e fraturas das partículas.
39
O movimento de rearranjo das partículas irá resultar em um empacotamento mais
eficiente do pó ou densificação. Tal movimento é limitado pelas forças de atrito
desenvolvidas entre as partículas vizinhas e os pontos de contato com a matriz, punções e
machos.
Na produção de peças de alta densidade, os principais mecanismos de densificação são
as deformações plásticas e elásticas, contudo a elástica é recuperada em virtude da remoção
do esforço de conformação e ejeção.
A resistência a verde do compactado resulta principalmente do entrelaçamento
mecânico das irregularidades das partículas. Isto é provido por deformação plástica durante a
conformação superficial. A resistência a verde pode aumentar por:
- aumento da rugosidade superficial das partículas;
- aumento da área superficial do pó;
- decréscimo da densidade aparente;
- decréscimo da oxidação e contaminação do pó;
- aumento da densidade a verde ou da pressão de compactação;
- decréscimo do teor de certos aditivos interferentes (elementos de ligas,
lubrificantes).
Após a compactação as peças estão prontas para o processo de sinterização que é um
processo termicamente ativado que consiste na consolidação, densificação (em alguns casos),
recristalização e ligação obtidas por tratamento térmico de pós (durante ou após a
compactação). A temperatura no processo de sinterização está abaixo da temperatura de fusão
dos componentes, e envolve o transporte de matéria em escala atômica. É o passo na
fabricação que consome maior parcela de energia, e por isto tem forte influência nos custos de
produção.
Nesta operação, obtém-se a ligação final entre as partículas do pó. O aquecimento é da
ordem de 2/3 a 5/4 da temperatura de fusão do metal considerado. Esta operação deve ser
realizada na presença de uma atmosfera protetora para evitar fenômenos como oxidação,
40
descarbonetação, entre outros. A figura 34 mostra a formação de pescoço entre duas partículas
de pó esféricas.
Figura 34 - Formação de pescoço entre duas partículas esféricas [8].
O objetivo é o alcance do equilíbrio das fases dadas pelos diagramas de equilíbrio, e a
diminuição dos defeitos cristalinos. Os principais parâmetros a serem controlados nesta etapa
são [8][12]:
- temperatura;
- tempo;
- atmosfera do forno.
A sinterização em escala industrial é comumente processada em fornos contínuos,
caracterizados em três zonas de operação:
- pré-aquecimento;
- zona de aquecimento;
- resfriamento.
Fatores que afetam a operação de sinterização [8][10]:
- tamanho e forma da partícula;
- estrutura da partícula;
41
- densidade verde;
- temperatura;
- tempo;
- composição da partícula.
O cuidado com a atmosfera de sinterização é fundamental para prevenir qualquer
reação química entre o compactado a verde e o ambiente. A oxidação é o fenômeno mais
importante a ser evitado pela atmosfera. É também função da atmosfera de sinterização
remover impurezas presentes, principalmente películas de óxidos superficiais ou contidas nos
poros.
Quanto mais rugosidade possuir a partícula de pó metálico, maior sua área superficial.
Assim a sinterização será mais eficiente, devido a maior área de contato entre as partículas.
O processo de sinterização é influenciado por diversos parâmetros [9]:
- parâmetro de geometria do sistema;
- parâmetros inerentes do material;
- parâmetros de influência externa tais como pressão aplicada, temperatura,
presença de gases, impurezas e oxidação superficial.
Com o decorrer do tempo de sinterização a geometria do sistema sofre constantes
alterações. Estas alterações são conhecidas como estágios, que são os seguintes:
- estágio 1 (adesão): simples contato inicial e instantâneo entre as partículas;
- estágio 2 (crescimento do pescoço): Ocorre arredondamento dos poros, mas
os mesmos mantém-se ainda interligados;
- estágio 3 (individualização e esferoidização dos poros): neste estágio, ocorre
migração dos contornos de grãos entre as partículas originais pelo crescimento de grão. Por
outro lado, os poros continuam a formar uma fase mais ou menos contínua através do
agregado.
42
Após este processo, usualmente, se tem a peça acabada porém pode se ainda recorrer a
processos posteriores para beneficiamento, se necessário da peça final.
2.3.3 Características
O conhecimento das propriedades dos compósitos magnéticos macios é de
fundamental importância para que se possa entender as vantagens e diminuir as desvantagens
deste tipo de material. Quanto as suas características os compósitos magnéticos apresentam
diferenças tanto mecânicas como eletromagnéticas quando comparado com os materiais
ferromagnéticos convencionais [13].
Resistência Mecânica - como os materiais SMC não podem ser sinterizados a
resistência mecânica apresentada por estes materiais estão abaixo dos valores atingidos por
ações laminados e ferro sinterizado. As solicitações mecânicas em uma máquina elétrica
variam com os peso e a velocidade do rotor. Tipicamente o rotor sofre solicitações de duas
fontes, movimento de rotação e do conjugado magnético entre os fluxos do estator e o do
rotor. O estator sofre a mesma solicitação de força eletromagnética do conjugado, porém não
está girando. Em motores pequenos e girando a baixas rotações nenhuma destas forças será
grande As maiores solicitações nestes casos são concentradas nas condições de produção do
motor (bobinagem dos enrolamentos e montagem da máquina). Tipicamente materiais SMC
podem atingir valores de 50 a 150 MPa para tensão de ruptura transversal. Estes valores
podem ser melhorados dependendo das técnicas utilizadas para obtenção da peça final.
Fluxo Magnético Isotrópico – as características isotrópicas dos materiais SMC
devem ser utilizadas na fase de projeto da máquina desejada, assim será possível alcançar
melhores resultados e poder decidir o sucesso ou não da pesquisa. Como o fluxo magnético é
igual nas três dimensões existe um grande grau de liberdade para posicionar o núcleo
magnético onde ele é mais necessitado.
Permeabilidade – a máxima permeabilidade relativa em materiais SMC é
significantemente baixa comparada com as dos materiais de aço laminado. A figura 35 mostra
um gráfico comparativo entre a permeabilidade relativa de um aço laminado com 3% Si e um
SMC Somaloy® da Höganäs em função do campo magnético. No gráfico pode-se notar que a
máxima permeabilidade do material laminado é no mínimo dez vezes maior que a do
compósito.
Figura 35 – P
ermeabilidade relativa x campo magnético para um aço
Em materiais SMC o fluxo magnético deve passar por materiais orgânicos e poros
quais não são ferromagnéticos e por isto diminuem o valor da permeabilidade do compósito.
Pelo mesmo motivo a permeabilidade
pacote de chapas laminadas é menor que a de um material SMC.
permeabilidade
do material compósito
aplicação para este material. Portanto deve
altos valores de permeabilidade ou o fluxo magnético tridimensional seja importante.
Em máquinas com imãs permanentes, onde os imãs podem ser considerados parte do
entreferro devido a sua baixíssima permeabil
alta não são fundamentais. Devido ao grande entreferro o fluxo magnético ficará concentrado
nesta região.
Motores universais são outro tipo de máquina onde a permeabilidade não é um fator de
decisiva importância.
Uma vez que estas máquinas operam sobre altos campos magnéticos é
possível o uso de SMC neste tipo de motor
magnéticos em um compósito magnéticos macio é parecida com a permeabilidade de aços
laminados.
Máqu
inas de indução por terem um entreferro com dimensões bem reduzidas
necessitam de um material com alta permeabilidade para manter a corrente de indução baixa.
A baixa permeabilidade dos materiais SMC neste caso arbitrariam uma alta relutância ao
caminho do
fluxo magnético o que faria necessário o aumento das correntes de armadura. Por
este motivo para máquinas de indução os atuais materiais disponíveis não seriam uma boa
solução.
µ
r
43
ermeabilidade relativa x campo magnético para um aço
3% Si
material SMC [3].
Em materiais SMC o fluxo magnético deve passar por materiais orgânicos e poros
quais não são ferromagnéticos e por isto diminuem o valor da permeabilidade do compósito.
Pelo mesmo motivo a permeabilidade
perpendicular ao plano das lâ
minas, eixo
pacote de chapas laminadas é menor que a de um material SMC.
do material compósito
deve ser levada em conta quando projeta
aplicação para este material. Portanto deve
se escolher aplicações onde não seja necessário
altos valores de permeabilidade ou o fluxo magnético tridimensional seja importante.
Em máquinas com imãs permanentes, onde os imãs podem ser considerados parte do
entreferro devido a sua baixíssima permeabil
idade, características de permeabilidade relativa
alta não são fundamentais. Devido ao grande entreferro o fluxo magnético ficará concentrado
Motores universais são outro tipo de máquina onde a permeabilidade não é um fator de
Uma vez que estas máquinas operam sobre altos campos magnéticos é
possível o uso de SMC neste tipo de motor
, pois
a permeabilidade para altos campos
magnéticos em um compósito magnéticos macio é parecida com a permeabilidade de aços
inas de indução por terem um entreferro com dimensões bem reduzidas
necessitam de um material com alta permeabilidade para manter a corrente de indução baixa.
A baixa permeabilidade dos materiais SMC neste caso arbitrariam uma alta relutância ao
fluxo magnético o que faria necessário o aumento das correntes de armadura. Por
este motivo para máquinas de indução os atuais materiais disponíveis não seriam uma boa
Permeabilidade Magnética Relativa
Laminado e SMC
H (A/m)
3% Si
laminado e um
Em materiais SMC o fluxo magnético deve passar por materiais orgânicos e poros
, os
quais não são ferromagnéticos e por isto diminuem o valor da permeabilidade do compósito.
minas, eixo
-z, em um
pacote de chapas laminadas é menor que a de um material SMC.
O baixo valor de
deve ser levada em conta quando projeta
-se uma
se escolher aplicações onde não seja necessário
altos valores de permeabilidade ou o fluxo magnético tridimensional seja importante.
Em máquinas com imãs permanentes, onde os imãs podem ser considerados parte do
idade, características de permeabilidade relativa
alta não são fundamentais. Devido ao grande entreferro o fluxo magnético ficará concentrado
Motores universais são outro tipo de máquina onde a permeabilidade não é um fator de
Uma vez que estas máquinas operam sobre altos campos magnéticos é
a permeabilidade para altos campos
magnéticos em um compósito magnéticos macio é parecida com a permeabilidade de aços
inas de indução por terem um entreferro com dimensões bem reduzidas
necessitam de um material com alta permeabilidade para manter a corrente de indução baixa.
A baixa permeabilidade dos materiais SMC neste caso arbitrariam uma alta relutância ao
fluxo magnético o que faria necessário o aumento das correntes de armadura. Por
este motivo para máquinas de indução os atuais materiais disponíveis não seriam uma boa
44
Perdas – em máquinas tem-se perdas nos enrolamentos (I².R) e perdas no material
magnético macio. As perdas nos materiais magnéticos macios consistem em perdas por ciclo
de histerese e perdas dinâmicas devido ao campo alternado (perdas por correntes parasitas).
Comparados com materiais SMC, aços laminados tem baixas perdas por ciclo de histerese,
porém apresentam altos valores para perdas por correntes parasitas.
As perdas por curva de histerese aumentam linearmente com o aumento da freqüência
enquanto que as perdas dinâmicas apresentam uma dependência quadrática. Isto significa que
em um determinado momento devido ao aumento da freqüência as perdas totais e um material
laminado será maior que em um núcleo SMC. Este ponto onde os materiais compósitos
apresentam melhores resultados dependem das propriedades magnéticas do material SMC,
porém sabe-se que até a algumas centenas de Hz os materiais laminados apresentam melhores
resultados que os compósitos magnéticos macios.
Indução Magnética – a saturação magnética dos materiais SMC é diretamente
relacionada com a densidade destes compósitos. Em campos magnéticos baixos a indução
depende da microestrutura do material (permeabilidade) e pode diferir dependendo da técnica
de obtenção do núcleo magnéticos ou do tamanho de grão utilizado.A saturação de materiais
SMC de alta densidade pode atingir valores bem próximos aos dos aços laminados. Porém é
importante salientar que a maioria das máquinas são projetadas para atuarem em níveis abaixo
do ponto de saturação.
2.3.4 Classificação
Materiais magnéticos macios produzidos por metalurgia do pó podem ser divididos em
dois grandes grupos [14]:
- Materiais magnéticos macios sinterizados e
- Compósitos magnéticos macios curados.
Materiais magnéticos macios sinterizados – as propriedades magnéticas dos
materiais magnéticos macios sinterizados são determinadas pela composição química do
material, da densidade e do tamanho do grão do sinterizado. Estes materiais apresentam altos
valores de densidade de fluxo magnético. Em geral, a densidade de fluxo magnético do
material é fortemente relacionada com a pureza do material e a densidade da peça.
45
Conseqüentemente, altas densidades de fluxo podem ser obtidas utilizando-se pós de
ferro de alta pureza e realizando processos de compactação a quente que tem como resultado
materiais de alta densidade.
Em materiais magnéticos sinterizados a adição de uma pequena quantidade de fósforo
(P) na matriz de ferro puro tem a propriedade de aumentar o crescimento de grão, o que
aumenta a permeabilidade do material.
Em aplicações onde o campo seja variável no tempo os materiais sinterizados
apresentam grande perda no núcleo, quase que impossibilitando sua aplicação. A tabela 3
apresenta as propriedades eletromagnéticas de materiais sinterizados.
Tabela 3 - Propriedades eletromagnéticas típicas de ligas por metalurgia do pó [21].
Liga
Resistividade
[µΩ.m]
Magnetização
máxima
Bmáx
[T]
Magnetização
remanente Br
[T]
Força
coerciva
[Oe]
Máxima
permeabilidade
410L 0,9 1,2 4,1 3,5 960
430L 0,93 1,1 4,8 2,7 630
434L 1,04 1,1 5,7 2,3 1300
Fe 0,2 1,6 1,2 1,4 4000
Fe-49Co-2V 0,4 2,0 5,6 3,0 3000
Fe-50Co 0,6 1,7 0,56 2,0 2000
Fe-5Mo - 1,6 1,3 1,8 2900
Fe-2Ni 0,15 1,5 1,2 1,0 -
Fe-50Ni 0,4 1,3 0,9 0,3 25000
Fe-0,45P 0,21 1,4 1,2 1,1 4000
Fe-0,8P 0,23 1,8 1,3 0,4 6100
Fe-3Si 0,45 1,4 1,3 0,9 4500
Fe-6,5Si 0,81 1,3 1,2 0,3 4000
Materiais magnéticos macios curados – ou ainda materiais compósitos magnéticos
macios são materiais utilizados em aplicações eletromagnéticas e podem ser descritos como
partículas de pó de ferro, ou suas ligas de ferro, circundadas por material orgânico ou
inorgânico isolante. Componentes SMC normalmente podem ser produzidos por técnicas
convencionais de metalurgia do pó com ou sem aplicação de novas metodologias, tais como,
dupla compactação, compactação a quente, tratamentos térmicos de recozimento, entre outras.
Estes materiais compósitos na maioria das aplicações oferecem uma série de vantagens
quando comparados com as tradicionais chapas laminadas, como por exemplo:
comportamento ferro magnético isotrópico (fluxo tri-dimensional), baixo nível de perdas por
correntes parasitas, baixas perdas totais no núcleo a média e alta freqüência, possibilidade de
melhorias nas características térmicas da máquina
magnéticos
e possível redução de
Existem dois tipos básicos de materiais SMC:
-
Compósitos magnéticos revestido
médio de 100
µm revestidas por materiais org
mostra uma partíc
ula de ferro recoberta com isolante orgânico.
-
Compósitos magnéticos não revestidos
ligas misturada
s com uma determinada quantidade de resinas que podem ser termofixas ou
termoplásticas.
A principal diferença dest
casos não ocorre o processo de sinterização
agre
gar as partículas de ferro
mecânicas da peça
. Além das propriedades mecânicas as resinas servem como material
isolante elétrico diminuindo drasticamente as perdas por correntes parasitas no núcleo do
motor
o que possibilita o uso destes materiais em máquinas de fluxo e campo alternado.
Figura 36 – P
artícula de ferro
2.3.5 Ligas Ferromagnéticas
A escolha correta do pó metálico é um quesito
comum que as propriedades magnéticas dos pós seja
química da liga e o tratamento térmico realizado na peça
46
melhorias nas características térmicas da máquina
,
flexibilidade no formato dos núcleos
e possível redução de
peso e dos custos de produção.
Existem dois tipos básicos de materiais SMC:
Compósitos magnéticos revestido
s –
são partículas de ferro com tamanho
m revestidas por materiais org
ânicos ou inorgânicos isolantes.
ula de ferro recoberta com isolante orgânico.
Compósitos magnéticos não revestidos
–
são partículas de pó de ferro ou suas
s com uma determinada quantidade de resinas que podem ser termofixas ou
A principal diferença dest
es compósitos para o material sinterizado é que para estes
casos não ocorre o processo de sinterização
e sim a cura das resi
nas que tem como finalidade
gar as partículas de ferro
. O
material orgânico é o responsável pelas propriedades
. Além das propriedades mecânicas as resinas servem como material
isolante elétrico diminuindo drasticamente as perdas por correntes parasitas no núcleo do
o que possibilita o uso destes materiais em máquinas de fluxo e campo alternado.
artícula de ferro
com revestimento de material orgânico, Somaloy® Höganäs
[3].
2.3.5 Ligas Ferromagnéticas
A escolha correta do pó metálico é um quesito
importante para o sucesso do projeto. É
comum que as propriedades magnéticas dos pós seja
m
relacionadas com a composição
química da liga e o tratamento térmico realizado na peça
.
Isolante
Partícula de
pó de ferro
Partícula
de pó de
ferro
flexibilidade no formato dos núcleos
são partículas de ferro com tamanho
ânicos ou inorgânicos isolantes.
A figura 36
são partículas de pó de ferro ou suas
s com uma determinada quantidade de resinas que podem ser termofixas ou
es compósitos para o material sinterizado é que para estes
nas que tem como finalidade
material orgânico é o responsável pelas propriedades
. Além das propriedades mecânicas as resinas servem como material
isolante elétrico diminuindo drasticamente as perdas por correntes parasitas no núcleo do
o que possibilita o uso destes materiais em máquinas de fluxo e campo alternado.
com revestimento de material orgânico, Somaloy® Höganäs
importante para o sucesso do projeto. É
relacionadas com a composição
47
As ligas magnéticas macias devem combinar o máximo das propriedades listadas a
seguir:
Baixas perdas por ciclo de histerese;
Baixas perdas por correntes parasitas;
Alta permeabilidade a baixos campos;
Alto valor de saturação e
Características magnéticas uniformes.
Ferro Puro - os ferros elétricos são ligas baixo carbono que oferecem um pouco mais
de permeabilidade magnética do que ligas de ferro cobalto. É usado largamente em relés,
solenóides e como material magnético em equipamentos a vácuo, particularmente em
equipamento de alimentação de corrente continua.
Para aplicações como material magnético macio é importante levar em conta a pureza
do ferro. Materiais com níveis de pureza de 0,01% em peso de carbono, menos de 0,01% em
peso de enxofre e oxigênio bem como hidrogênio em proporções menores que 0,06% são
produzidos pela Höganäs. A figura 37 apresenta resultados de uma curva de magnetização
para dois ferros com diferentes tipos de pureza.
Figura 37 – Curva de magnetização de partículas de ferro com diferente pureza [3].
Ligas Fe-Ni – de todas as ligas ferromagnéticos as de ferro níquel são as que
apresentam o maior valor de permeabilidade. Apresentam também os menores valores de
48
densidade de fluxo. Conseqüentemente são utilizadas em aplicações onde seja de interesse
estas duas propriedades. Variando-se a proporção de ferro e níquel na liga obtêm-se
propriedades diferentes. Ligas com grande quantidade de níquel têm uma alta permeabilidade
enquanto que ligas com baixo valor de níquel apresentam alta resistência elétrica. Ligas de
Fe-Ni são usualmente chamadas de permalloys. Existem três variações básicas das ligas ferro
níquel. 78%Ni permalloys apresentam altíssima permeabilidade. 65% Ni permaloy
apresentam excelente resposta a variações no campo magnético. 50% Ni permalloy
apresentam altos valores de fluxo magnético e de saturação magnética (B
s
= 1,6 Tesla).
Ligas Fe-Si - esta liga possui excelente resistividade elétrica e dureza. A melhor
aplicação para este tipo de material é em relés e solenóides. Esta liga oferece uma baixíssima
perda por ciclo de histerese, alta permeabilidade e baixo magnetismo residual.
Usualmente utiliza-se uma liga com 6.5% de silício em peso por causa das excelentes
propriedades magnéticas desta liga.
Ligas Fe – Co – as ligas ferro cobalto apresentam os maiores valores de saturação
magnética. Estas ligas geralmente não apresentam bons valores de permeabilidade magnética
e são utilizados em situações onde existe a necessidade de alta saturação magnética e alto
valor da densidade do fluxo magnético. Estas ligas são normalmente utilizadas em motores,
geradores e transformadores laminados de alta performance.
Influências de uma terceira liga também pode ocorrer. Alguns outros autores citaram
misturas com titânio, vanádio, cromo, níquel e cobre, porém nenhum ganho foi encontrado
com o uso destas ligas.
49
3 MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Materiais Compósitos Magnéticos Macios
3.1.1 Introdução
Para que seja possível a substituição das lâminas eletromagnéticas dos núcleos de
máquinas elétricas rotativas por núcleos maciços de compósitos magnéticos macios estes
devem atender as seguintes características:
• Alta permeabilidade magnética relativa;
• Baixa coercitividade magnética;
• Alta resistividade elétrica;
• Elevada indução de saturação.
• Dureza e Resistência Mecânica
Para que a partir do processo de metalurgia do pó se obtenha estas características é
proposto o estudo de ligas ferro magnéticas combinadas a resinas fenólicas [18].
A obtenção de materiais compósitos magnéticos a partir da metalurgia do pó requer a
análise de algumas particularidades. No material que será misturado com o material resinado
é necessário material metálico puro ou uma liga pré-ligada. Isto se deve ao fato de que no
processo em questão a cura da mistura não iria difundir os metais no caso de se utilizar dois
ou mais pós metálicos diferentes na mistura além da resina [19][20] A escolha correta do pó é
quesito importante para a pesquisa. É comum que as propriedades magnéticas dos pós sejam
relacionadas com a composição química da liga e posterior tratamento térmico.
Os materiais sinterizados de ferro puro são caracterizados por altas perdas e
propriedades magnéticas médias. Seu uso é aconselhável principalmente para corrente
contínua ou circuitos de excitação magnética permanente, com fluxos magnéticos de médio a
alto, devido a sua baixa resistividade elétrica. O ferro puro sinterizado de alta densidade
possui saturação magnética e permeabilidades altas, baixa coercitividade, propriedades
essenciais para aplicação de corrente contínua [21].
50
3.1.2 Resinas Termofixas
Segundo dados de fabricantes, existem centenas de tipos de resinas para estas
aplicações, ou seja, misturadas a pós metálicos ou cerâmicos e após, curadas, onde existem as
seguintes variações:
• Temperatura de cura
• Temperatura de utilização
• Dureza
• Ductilidade
• Resistividade elétrica
• Resistência a vibração
Entre os materiais poliméricos utilizados temos resinas termofixas fenólicas adquiridas
por fornecedores sendo estas descritas.
Resina Fenólica HRJ-10236
Esta é uma resina fenólica modificada em pó, tipo Novolaca, que contém
hexametileno-tetramina. É indicada principalmente para fabricação de pastilhas de freios,
lonas pesadas ou leves e discos de embreagem. A resina HRJ-10236 proporciona médio
coeficiente de atrito ao material de fricção, com boa estabilidade térmica e baixo “fading”
(perda de atrito por acréscimo de temperatura). Os demais itens, como resistência mecânica,
desgaste e recuperação de atrito, são considerados bons. Na área de materiais abrasivos, a
HRJ-10236 é utilizada em discos de corte e rebolos em geral. Outra aplicação para esta resina
é na área de confecção do disco de alumínio em pó prensado para discos diamantados.
Quadro 1 - Especificações técnicas da resina HRJ-10236.
Fluxo à 125ºC 20 - 45 mm
Cura à 154ºC 50 - 90 s
Teor de Hexa 7,5 - 8,5 %
Granulometria (M#20) mín. 97%
Resina Fenólica SBP
SBP-
128 é uma resina fenólica em pó, tipo Novolaca, que contém hexametileno
tetramina. É indicada principalmente para promover dureza, resistência mecânica e melhoria
na resistência à abrasão em diversos tipos de elastômeros sintéticos e naturais, utilizad
compostos de cilindros, correias, protetores de borracha para barcos, amortecedores para
absorver impacto de pontes na área da construção civil e outros tipos de artefatos de borracha.
SBP-
128 é recomendada ainda na produção de coletores de motores,
amianto, como pastilhas de freio e lonas pesadas. Na fabricação de coletores de motores a
SBP-
128 pode ser aplicada por via úmida, devendo ser dissolvida em
de materiais de fricção ou coletores pode ser aplic
homogeneizar a resina, fibras em gerais e cargas inorgânicas.
Quadro 2-
Especificações técnicas da resina SBP
Fluxo à 125ºC
Cura à 154ºC
Teor de Hexa
Granulometria (M#20)
51
Figura 38 – Resina HRJ 10236
Resina Fenólica SBP
-128
128 é uma resina fenólica em pó, tipo Novolaca, que contém hexametileno
tetramina. É indicada principalmente para promover dureza, resistência mecânica e melhoria
na resistência à abrasão em diversos tipos de elastômeros sintéticos e naturais, utilizad
compostos de cilindros, correias, protetores de borracha para barcos, amortecedores para
absorver impacto de pontes na área da construção civil e outros tipos de artefatos de borracha.
128 é recomendada ainda na produção de coletores de motores,
materiais de fricção com
amianto, como pastilhas de freio e lonas pesadas. Na fabricação de coletores de motores a
128 pode ser aplicada por via úmida, devendo ser dissolvida em
alcoóis
de materiais de fricção ou coletores pode ser aplic
ada por via seca
em um
homogeneizar a resina, fibras em gerais e cargas inorgânicas.
Especificações técnicas da resina SBP
-128.
Fluxo à 125ºC
15 -
40 mm
Cura à 154ºC
30 -
65 s
Teor de Hexa
8,5 -
9,5 %
Granulometria (M#20)
mín.
97%
Figura 39 – Resina SBP 128
128 é uma resina fenólica em pó, tipo Novolaca, que contém hexametileno
-
tetramina. É indicada principalmente para promover dureza, resistência mecânica e melhoria
na resistência à abrasão em diversos tipos de elastômeros sintéticos e naturais, utilizad
os em
compostos de cilindros, correias, protetores de borracha para barcos, amortecedores para
absorver impacto de pontes na área da construção civil e outros tipos de artefatos de borracha.
materiais de fricção com
amianto, como pastilhas de freio e lonas pesadas. Na fabricação de coletores de motores a
alcoóis
. Na fabricação
em um
misturador para
40 mm
65 s
9,5 %
97%
3.1.3 Ligas Resinadas
Para caracterização das propriedades eletromagn
elétricas
foram criadas misturas para a
sendo que esta preparação parte da mistura de pó metálico com resina, compactação da
mistura e em seguida a cura do material compactado.
Para obtenção das amostras, os pós foram misturados nas devidas proporções das
resinas em percentuais com a
nome comercial das resinas, onde xx representa os percentuais em peso de 0,5%; 1,0%; 1,5%;
2,0%; 2,5% e 3,0%
3.1.4 Projeto de Matrizes
Para avaliação das propriedades físicas de interesse, foram constr
obtenção dos corpos de prova, onde a geometria e a utilidade estão relacionadas a seguir:
Corpo de prova na forma de
ensaios de dureza e
obtenção da cu
Figura 40 – (a)
corpo de prova em forma de cilindro e
Corpo de prova na fo
área da seção transversal. Este corpo de prova foi utilizad
52
Para caracterização das propriedades eletromagn
éticas, propriedades mecânicas e
foram criadas misturas para a
con
fecção de corpos de prova submetidos a
sendo que esta preparação parte da mistura de pó metálico com resina, compactação da
mistura e em seguida a cura do material compactado.
Para obtenção das amostras, os pós foram misturados nas devidas proporções das
resinas em percentuais com a
nomenclatura Fe-HRJxx, Fe-SBPxx,
todas de acordo com o
nome comercial das resinas, onde xx representa os percentuais em peso de 0,5%; 1,0%; 1,5%;
Para avaliação das propriedades físicas de interesse, foram constr
obtenção dos corpos de prova, onde a geometria e a utilidade estão relacionadas a seguir:
Corpo de prova na forma de
cilindro, figura 40
. Este corpo de prova foi u
obtenção da cu
rva de escoamento.
a
corpo de prova em forma de cilindro e
(b)
matriz para obtenção do corpo de
prova
Corpo de prova na fo
rma de paralélepipedo, figura 41,
com comprimento
área da seção transversal. Este corpo de prova foi utilizad
o para medir a
a
éticas, propriedades mecânicas e
fecção de corpos de prova submetidos a
ensaios,
sendo que esta preparação parte da mistura de pó metálico com resina, compactação da
Para obtenção das amostras, os pós foram misturados nas devidas proporções das
todas de acordo com o
nome comercial das resinas, onde xx representa os percentuais em peso de 0,5%; 1,0%; 1,5%;
Para avaliação das propriedades físicas de interesse, foram constr
uídas matrizes para
obtenção dos corpos de prova, onde a geometria e a utilidade estão relacionadas a seguir:
. Este corpo de prova foi u
tilizado para
b
matriz para obtenção do corpo de
com comprimento
maior que a
resistividade elétrica.
b
Figura 41 – (a)
corpo de prova em forma de paralelepípedo e
Corpo de
prova na forma de
medição das perdas magnéti
histerese elementar.
Figura 42 – (a)
corpo de prova em forma de
3.1.5 Obtenção dos Corpos de Prova
3.1.5.1 Mistura e Compactação
Para obtenção dos corpos de prov
misturados juntamente
com a
resina.
Foi utilizado um misturador convencional tipo cone com esferas, em um tempo de
mistura
de 20 minutos. A figura
Figura 43 –
(a)
53
corpo de prova em forma de paralelepípedo e
(b)
matriz para obtenção do
corpo de prova.
prova na forma de
toróide, figura 42
. Este corpo de prova foi utilizado para
medição das perdas magnéti
cas totais por unidade de massa
e para obtenção da curva de
a
corpo de prova em forma de
toróide e (b)
matriz para obtenção do corpo de
prova.
3.1.5 Obtenção dos Corpos de Prova
3.1.5.1 Mistura e Compactação
Para obtenção dos corpos de prov
a, os pós fo
ram pesados nas devidas proporções, e
com a
s resinas em percentuais de 0,5, 1,0
, 1,5 , 2,0 , 2,5 e 3,0%
Foi utilizado um misturador convencional tipo cone com esferas, em um tempo de
de 20 minutos. A figura
43 mostra
fotografias do misturador utilizado.
(a)
Máquina de mistura de pós e (b)
Misturador utilizado
a
matriz para obtenção do
. Este corpo de prova foi utilizado para
e para obtenção da curva de
b
matriz para obtenção do corpo de
ram pesados nas devidas proporções, e
, 1,5 , 2,0 , 2,5 e 3,0%
de
Foi utilizado um misturador convencional tipo cone com esferas, em um tempo de
fotografias do misturador utilizado.
Misturador utilizado
b
Os corpos de prova foram compactados a uma pressão de 600 MPa
áreas das matrizes, resulta
nos valores apresentados pela tabela
Tabela 4 –
Valores da pressão de compactação para cada corpo de prova
Forma
Área [cm2]
Cilindro
0,41
Paralelepípedo
1,45
Toróide
3,93
A compactação dos corpos de prova
realizadas em uma máquina universal de ensaios mecânicos marca KRATOS, com capac
de 100 kN. A figura 44
mostra
carga
, a qual informa no painel, mostrada na figura
Figura
A figura 46
mostra a fotografia da matriz para confecção do c
de paralelepípedo montada
peça reduz-
se a metade do volume inicial.
54
Os corpos de prova foram compactados a uma pressão de 600 MPa
nos valores apresentados pela tabela
4.
Valores da pressão de compactação para cada corpo de prova
Área [cm2]
Pressão [ton]
0,41
2,46
1,45
8,70
3,93
23,58
A compactação dos corpos de prova
na forma de cilindros e
paralelepípedos
realizadas em uma máquina universal de ensaios mecânicos marca KRATOS, com capac
mostra
fotografias desta prensa. Esta prensa
, a qual informa no painel, mostrada na figura
45, a f
orça que está sendo aplicada.
Figura 44 – Prensa Kratos
Figura
45 – Painel de controle da prensa Kratos
mostra a fotografia da matriz para confecção do c
orpos de prova na forma
na prensa Kratos. No processo de compactação, o volume final da
se a metade do volume inicial.
Os corpos de prova foram compactados a uma pressão de 600 MPa
.Considerando as
Valores da pressão de compactação para cada corpo de prova
paralelepípedos
foram
realizadas em uma máquina universal de ensaios mecânicos marca KRATOS, com capac
idade
possui uma célula de
orça que está sendo aplicada.
orpos de prova na forma
na prensa Kratos. No processo de compactação, o volume final da
Figura 46 –
A compactação dos corpos de prova na forma de
prensa mecânica marca EKA, com capacidade de 40 toneladas.
desta prensa. O controle de pressão foi realizado através de uma célula de carga conecta
data logger
da HBM Spyder, utilizando
Figura 47
–
3.1.5.2 Sinterização
dos Corpos de Prova
Como o experimento previa a comparação do motor com núcleos magnéticos feitos de
material resinado com um motor convencional e outro obtido através da metalurgia do pó de
ferro puro, foi realizada a sinterização destes como segue a seguir, para compactação
utilizados os mesmos parâmetros das amostras resinadas.
forno tubular tipo mufla, com atmosfera controlada (pressão atmosférica) e gás marrom (
Hidrogênio e 75% Nitrogênio
de 15ºC por minuto, até
a temperatura de 500 graus, onde as peças permanecem por 40
minutos para retirada do lubrificante sólido (estearato de zinco). A seguir a temperatura é
55
Fotografia de uma matriz montada na prensa Kratos
A compactação dos corpos de prova na forma de
toróide
foram realizadas em uma
prensa mecânica marca EKA, com capacidade de 40 toneladas.
A fig
ura
desta prensa. O controle de pressão foi realizado através de uma célula de carga conecta
da HBM Spyder, utilizando
-
se o software Catmann para monitoramento.
–
Prensa Eka
utilizada na compactação dos toróides
dos Corpos de Prova
Como o experimento previa a comparação do motor com núcleos magnéticos feitos de
material resinado com um motor convencional e outro obtido através da metalurgia do pó de
ferro puro, foi realizada a sinterização destes como segue a seguir, para compactação
utilizados os mesmos parâmetros das amostras resinadas.
A sinterização foi realizada em
forno tubular tipo mufla, com atmosfera controlada (pressão atmosférica) e gás marrom (
Hidrogênio e 75% Nitrogênio
). Para uma boa sinterização utiliza-
se uma
a temperatura de 500 graus, onde as peças permanecem por 40
minutos para retirada do lubrificante sólido (estearato de zinco). A seguir a temperatura é
Fotografia de uma matriz montada na prensa Kratos
.
foram realizadas em uma
ura
47 mostra fotografias
desta prensa. O controle de pressão foi realizado através de uma célula de carga conecta
da ao
se o software Catmann para monitoramento.
utilizada na compactação dos toróides
.
Como o experimento previa a comparação do motor com núcleos magnéticos feitos de
material resinado com um motor convencional e outro obtido através da metalurgia do pó de
ferro puro, foi realizada a sinterização destes como segue a seguir, para compactação
foram
A sinterização foi realizada em
forno tubular tipo mufla, com atmosfera controlada (pressão atmosférica) e gás marrom (
25%
se uma
taxa de aquecimento
a temperatura de 500 graus, onde as peças permanecem por 40
minutos para retirada do lubrificante sólido (estearato de zinco). A seguir a temperatura é
elevada para 1.120º
C onde ocorre de fato a sinterização, p
30 minutos. Após as peças permanecem no forno para resfriamento lento ate a temperatura
ambiente. A figura 48
mostra
A figura 49 -
mostra
Figura 49 - (a)
Forno tubular com atmosfera controlada e
3.1.5.3 Cura dos
Corpos de Prova
A cura da resina dos corpos de prova foi realizada em um forno sem atmosfera
controlada, (atmosfera ambiente). De acordo com o fabricante, para uma boa cura das resinas,
este processo deve seguir o ciclo com base nas especificações das resi
ciclo é ilustrado na
figura
posterior aquecimento a 155°C com patamar de 2 minutos e aquecimento final a 220°C
mantendo-
se por 2 minutos.
A figura 51 mostra
em (a) câmara, (b) vista frontal e (c) painel de controle.
Temperatura [ºC]
56
C onde ocorre de fato a sinterização, p
ermanecendo nesta temperatura por
30 minutos. Após as peças permanecem no forno para resfriamento lento ate a temperatura
mostra
a curva de temperatura da sinterização.
Figura 48 – Patamares de sinterização.
mostra
fotografias do forno utilizado.
Forno tubular com atmosfera controlada e
(b)
controlador do forno.
Corpos de Prova
A cura da resina dos corpos de prova foi realizada em um forno sem atmosfera
controlada, (atmosfera ambiente). De acordo com o fabricante, para uma boa cura das resinas,
este processo deve seguir o ciclo com base nas especificações das resi
figura
50
, ou seja, aquecimento até 90°C em patamar por 2 minutos,
posterior aquecimento a 155°C com patamar de 2 minutos e aquecimento final a 220°C
se por 2 minutos.
fotografias do fo
rno para cura das resinas, onde pode
em (a) câmara, (b) vista frontal e (c) painel de controle.
a
Tempo [min]
ermanecendo nesta temperatura por
30 minutos. Após as peças permanecem no forno para resfriamento lento ate a temperatura
controlador do forno.
A cura da resina dos corpos de prova foi realizada em um forno sem atmosfera
controlada, (atmosfera ambiente). De acordo com o fabricante, para uma boa cura das resinas,
este processo deve seguir o ciclo com base nas especificações das resi
nas testadas, onde o
, ou seja, aquecimento até 90°C em patamar por 2 minutos,
posterior aquecimento a 155°C com patamar de 2 minutos e aquecimento final a 220°C
rno para cura das resinas, onde pode
-se visualizar
b
Figura
Figura 51 -
Forno para cura das resinas
3.1.6
Análise das Propriedades dos Materiais
3.1.6.1.Propriedades Mecânicas
Os ensaios mecânicos são realizados pela aplicação, em um material, de um dos tipos
de esforços
possíveis (tração, compressão, flexão, torção, cisalhamento e pressão interna),
para determinar a resistência do material a cada um desses esforços.
A escolha do ensaio mecânico mais interessante ou mais adequado para cada produto
metálico depende da final
idade do material, dos tipos de esforços que esse material vai sofrer
e das propriedades mecânicas que se deseja medir. Em geral, existem especificações para todo
o tipo de produto fabricado e nestas especificações constam os ensaios mecânicos que devem
se
r realizados para saber se tal produto está em conformidade com a finalidade proposta.
Além de propriedades eletromagnéticas, para serem utilizadas em núcleo de motores
elétricos, as ligas devem ser analisadas segundo suas propriedades mecânicas em virtude
57
Figura
50 – Ciclo de cura dos corpos de prova.
Forno para cura das resinas
(a) câmara (b) vista frontal
(c)
Análise das Propriedades dos Materiais
3.1.6.1.Propriedades Mecânicas
Os ensaios mecânicos são realizados pela aplicação, em um material, de um dos tipos
possíveis (tração, compressão, flexão, torção, cisalhamento e pressão interna),
para determinar a resistência do material a cada um desses esforços.
A escolha do ensaio mecânico mais interessante ou mais adequado para cada produto
idade do material, dos tipos de esforços que esse material vai sofrer
e das propriedades mecânicas que se deseja medir. Em geral, existem especificações para todo
o tipo de produto fabricado e nestas especificações constam os ensaios mecânicos que devem
r realizados para saber se tal produto está em conformidade com a finalidade proposta.
Além de propriedades eletromagnéticas, para serem utilizadas em núcleo de motores
elétricos, as ligas devem ser analisadas segundo suas propriedades mecânicas em virtude
b
a
(c)
painel de controle.
Os ensaios mecânicos são realizados pela aplicação, em um material, de um dos tipos
possíveis (tração, compressão, flexão, torção, cisalhamento e pressão interna),
A escolha do ensaio mecânico mais interessante ou mais adequado para cada produto
idade do material, dos tipos de esforços que esse material vai sofrer
e das propriedades mecânicas que se deseja medir. Em geral, existem especificações para todo
o tipo de produto fabricado e nestas especificações constam os ensaios mecânicos que devem
r realizados para saber se tal produto está em conformidade com a finalidade proposta.
Além de propriedades eletromagnéticas, para serem utilizadas em núcleo de motores
elétricos, as ligas devem ser analisadas segundo suas propriedades mecânicas em virtude
de
c
sua aplicação e a necessidade de suportar os esforços gerados quando a máquina estiver
operando.
Nesta etapa as amostras foram submetidas a ensaios de Dureza Brinell e Compressão.
O ensaio de Dureza Brinell foi submetido em um durômetro, utilizando en
de 2,5 mm
de diâmetro e carga de 30 kN
Fundição da UFRGS).
Este ensaio segue a norma ASTM E 10 (
Brinell Hardness of Metallic Materials
Figura 52 –
Durômetro do
Os ensaios de compressão foram realizados em um Equipamento Universal de Ensaios
Mecânicos, marca INSTRON, localizado no LAMEF (Laboratório de Metalurgia Física da
UFRGS), figura 53.
Como parâmetro de controle do ensaio, a velocidade utilizada foi 1,5
mm/min.
A norma referência é ASTM E9 (
Metallic Materials at Room Temperature
Figura 53 –
Máquina Universal de Ensaios Mecânicos INSTRON
captação de dados
58
sua aplicação e a necessidade de suportar os esforços gerados quando a máquina estiver
Nesta etapa as amostras foram submetidas a ensaios de Dureza Brinell e Compressão.
O ensaio de Dureza Brinell foi submetido em um durômetro, utilizando en
de diâmetro e carga de 30 kN
, figura 52
, localizado no LAFUN (Laboratório de
Este ensaio segue a norma ASTM E 10 (
Standard Test Methods for
Brinell Hardness of Metallic Materials
).
Durômetro do
LAFUN (
Laboratório de Fundição da UFRGS).
Os ensaios de compressão foram realizados em um Equipamento Universal de Ensaios
Mecânicos, marca INSTRON, localizado no LAMEF (Laboratório de Metalurgia Física da
Como parâmetro de controle do ensaio, a velocidade utilizada foi 1,5
A norma referência é ASTM E9 (
Standard Test Metthods of Compression Testing of
Metallic Materials at Room Temperature
).
Máquina Universal de Ensaios Mecânicos INSTRON
(a)
captação de dados
(b)
detalhe do dispositivo de ensaios.
a
sua aplicação e a necessidade de suportar os esforços gerados quando a máquina estiver
Nesta etapa as amostras foram submetidas a ensaios de Dureza Brinell e Compressão.
O ensaio de Dureza Brinell foi submetido em um durômetro, utilizando en
dentador tipo esfera
, localizado no LAFUN (Laboratório de
Standard Test Methods for
Laboratório de Fundição da UFRGS).
Os ensaios de compressão foram realizados em um Equipamento Universal de Ensaios
Mecânicos, marca INSTRON, localizado no LAMEF (Laboratório de Metalurgia Física da
Como parâmetro de controle do ensaio, a velocidade utilizada foi 1,5
Standard Test Metthods of Compression Testing of
(a)
Equipamento de
detalhe do dispositivo de ensaios.
b
3.1.6.2
Propriedades Elétricas
A determinação da resistividade das ligas resinadas
medição da res
istência elétrica dos corpos de prova na forma de barras, a partir de um
multiteste de alta sensibilidade. Importante salientar que, em última análise, um multiteste ou
multímetro mede a resistência elétrica de um corpo a partir da aplicação de uma tensão
medição da corrente pelo próprio dispositivo.
Figura
Para calcular o valor da resistividade utiliza
Onde, ρ
, resistividade elétrica [
transversal da barra [m²].
3.1.6.3
Propriedades Eletromagnéticas
O objetivo final deste trabalho é a
da
avaliação das propriedades físicas de diversas ligas, possíveis de serem utilizadas em
núcleos magnéticos de
máquinas elétricas trifásicas (motores e/ou geradores elétricos). As
propriedades físicas m
ais importantes são as propriedades magnéticas, obtidas a partir da
curva de histerese.
A curva de
histerese ou laço de histerese, apresentada na
relaciona Indução Magnética B, com Campo Magnético H.
indução de saturação, permeabilidade magnética relativa, coercitividade e retentividade são
analisadas a partir da curva de histerese
amostra
59
Propriedades Elétricas
A determinação da resistividade das ligas resinadas
foi
realizada a partir da simples
istência elétrica dos corpos de prova na forma de barras, a partir de um
multiteste de alta sensibilidade. Importante salientar que, em última análise, um multiteste ou
multímetro mede a resistência elétrica de um corpo a partir da aplicação de uma tensão
medição da corrente pelo próprio dispositivo.
A figura 54 apresenta
o multiteste utilizado.
Figura
54 – Desenho esquemático e Multiteste
.
Para calcular o valor da resistividade utiliza
-se a equação 3.1.
, resistividade elétrica [
µΩ.m], l, comprimento da barra [m] e A,
Propriedades Eletromagnéticas
O objetivo final deste trabalho é a
construção de uma máquina elétrica rotativa a partir
avaliação das propriedades físicas de diversas ligas, possíveis de serem utilizadas em
máquinas elétricas trifásicas (motores e/ou geradores elétricos). As
ais importantes são as propriedades magnéticas, obtidas a partir da
histerese ou laço de histerese, apresentada na
fig
ura
relaciona Indução Magnética B, com Campo Magnético H.
As propriedades magnéticas d
indução de saturação, permeabilidade magnética relativa, coercitividade e retentividade são
analisadas a partir da curva de histerese
realizada a partir da simples
istência elétrica dos corpos de prova na forma de barras, a partir de um
multiteste de alta sensibilidade. Importante salientar que, em última análise, um multiteste ou
multímetro mede a resistência elétrica de um corpo a partir da aplicação de uma tensão
e
o multiteste utilizado.
.
Eq. 3.1
.m], l, comprimento da barra [m] e A,
área da seção
construção de uma máquina elétrica rotativa a partir
avaliação das propriedades físicas de diversas ligas, possíveis de serem utilizadas em
máquinas elétricas trifásicas (motores e/ou geradores elétricos). As
ais importantes são as propriedades magnéticas, obtidas a partir da
ura
55, é um gráfico que
As propriedades magnéticas d
e
indução de saturação, permeabilidade magnética relativa, coercitividade e retentividade são
Amostra
60
Figura 55 – Curva de Histerese de um material magnético
Esta etapa de caracterização das propriedades magnéticas foi realizada pela obtenção
de curvas de histerese das amostras estudadas e da referência (ferro puro sinterizado). O
método utilizado segue a norma ASTM A773 (Standard Test Method for dc Magnetic
Properties of Materials Using Ring and Permeameter Procedures with dc Electronic
Hysteresigraphs). Este método fornece o procedimento de obtenção de curvas de histerese
através de um Traçador de Curvas de Histerese Magnética, modelo TLMP-TCH-14, para
determinação de propriedades magnéticas básicas dos materiais na forma de anel.
Para aplicação deste método é necessária a preparação de amostras, que consiste na
bobinagem (enrolamento de fios de cobre) de espiras primárias e secundárias no anel,
conhecido como Anel de Roland, figura 56. O procedimento consiste em: isolar o anel com
filme plástico; enrolamento de espiras secundárias; novo isolamento seguido do enrolamento
das espiras primárias.
Entre os parâmetros de controle para as medições das propriedades magnéticas, são
necessárias algumas medidas da amostra durante sua preparação, que constam nas tabelas a
seguir onde estão relacionados os parâmetros das amostras medidas. Entre estes é preciso
calcular a densidades de espiras no enrolamento primário, sendo obtido pela equação 3.1. Os
enrolamentos foram padronizados para 270 espiras no secundário e 160 espiras no primário.
(a)
Figura 56 -
Etapas de preparação das amostras:
(c)
Onde, Np é o
número de espiras no enrolamento primário, L
circuito magnético [mm], d
interno do anel [mm].
Tabela 5 - Parâmetros
de medida das amostras da liga Fe
histerese.
Amostra
Área da seção
x10
Fe-HRJ0,5
A
1,95
B
1,99
C
1,88
Fe-HRJ1,0
A
1,85
B
1,92
C
2,02
Fe-HRJ1,5
A
2,05
B
2,11
C
2,11
Fe-HRJ2,0
A
1,74
B
1,93
C
1,80
Fe-HRJ2,5
A
1,87
B
1,99
C
1,85
Fe-HRJ3,0
A
1,60
B
2,01
C
1,97
61
(b)
(c)
Etapas de preparação das amostras:
(a) isolamento, (b)
enrolamento secundário,
isolamento e (d) enrolamento do primário.
2
)(
..
int
dd
Np
L
Np
espirasDensidade
ext
+
==
π
número de espiras no enrolamento primário, L
circuito magnético [mm], d
ext
é o diâmetro externo do anel [mm] e d
int
de medida das amostras da liga Fe
-
HRJ para ensaio da curva de
Área da seção
x10
-5
[m²]
Densidade
[kg/m³]
Densidade de
espiras no
primário
1,95
1106
1,99
66200 1108
1,88
1107
1,85
1106
1,92
66500 1106
2,02
1105
2,05
1105
2,11
66300 1105
2,11
1105
1,74
1107
1,93
65000 1108
1,80
1107
1,87
1108
1,99
63300 1107
1,85
1107
1,60
1105
2,01
62900 1105
1,97
1106
(d)
enrolamento secundário,
Eq. 3.1
número de espiras no enrolamento primário, L
é o comprimento do
representa o diâmetro
HRJ para ensaio da curva de
Espiras no
secundário
270
270
270
270
270
270
62
Tabela 6
- Parâmetros de medida das amostras da liga Fe-SBP para ensaio da curva de
histerese.
Amostra
Área da seção
x10
-5
[m²]
Densidade
[kg/m³]
Densidade de
espiras no
primário
Espiras no
secundário
Fe-SBP0,5
A 2,04 1106
B 1,94 67600 1107 270
C 2,00 1106
Fe-SBP1,0
A 2,03 1106
B 2,01 67000 1106 270
C 2,07 1107
Fe-SBP1,5
A 2,03 1106
B 1,97 65800 1107 270
C 1,85 1106
Fe-SBP2,0
A 1,93 1107
B 1,97 64800 1106 270
C 1,89 1106
Fe-SBP2,5
A 2,01 1106
B 1,91 64200 1106 270
C 1,84 1106
Fe-SBP3,0
A 1,67 1106
B 1,93 62700 1104 270
C 1,94 1106
O TCH é constituído por um amplificador de corrente capaz de magnetizar pequenas
amostras mantendo o campo magnetizante senoidal. Um resistor shunt fornece uma tensão
proporcional à corrente elétrica no enrolamento primário que permite estimar o campo
magnetizante H. Um circuito integrador permite gerar um sinal proporcional à indução
magnética B. O TCH também permite o registro da curva de histerese, da curva de
magnetização CA e estimativa das perdas magnéticas de amostras maiores utilizando fontes
externas de magnetização. Um enrolamento secundário isolado deve ser providenciado para
realizar a medida da indução magnética.
A obtenção da curva de histerese e as propriedades magnéticas pelo método do TCH
são feitas através de um software de aquisição de dados GLB-BH 3.0. Sua interface de
obtenção de dados e curvas necessita de parâmetros de controle e medição das propriedades
(Tabela 5 e 6). Na figura 58 é demonstrada a interface do software com os parâmetros do
ensaio.
Figura 57
-
Traçador de Curvas de Histerese (TLMP
conector AC/DC, (3) conexão do enrolamento
Figura 58
-
Software de aquisição de dados GLB
de ensaio. (1) Densidade de espiras no
transversal, (4) densidade da amostra, (5) corrente aplicada e (6) freqüência de medição.
Os parâmetros de controle, resistência no secundário, corrente máxima e freqüência
são pré-
determinadas para ca
cada amostra, a corrente aplicada é 3A e a freqüência é de 60 Hz (freqüência da rede elétrica).
1
2
3
4
3
63
Traçador de Curvas de Histerese (TLMP
-TCH-
14). (1) interruptor on/off, (2)
conector AC/DC, (3) conexão do enrolamento
primário e (4) conexão do enrolamento
secundário.
Software de aquisição de dados GLB
-
BH 3.0 com identificação dos parâmetros
de ensaio. (1) Densidade de espiras no
primário, (2) espiras no secundário, (3) área da seção
transversal, (4) densidade da amostra, (5) corrente aplicada e (6) freqüência de medição.
Os parâmetros de controle, resistência no secundário, corrente máxima e freqüência
determinadas para ca
da ensaio. A resistência é medida através de um multiteste para
cada amostra, a corrente aplicada é 3A e a freqüência é de 60 Hz (freqüência da rede elétrica).
4
3
14). (1) interruptor on/off, (2)
primário e (4) conexão do enrolamento
BH 3.0 com identificação dos parâmetros
primário, (2) espiras no secundário, (3) área da seção
transversal, (4) densidade da amostra, (5) corrente aplicada e (6) freqüência de medição.
Os parâmetros de controle, resistência no secundário, corrente máxima e freqüência
da ensaio. A resistência é medida através de um multiteste para
cada amostra, a corrente aplicada é 3A e a freqüência é de 60 Hz (freqüência da rede elétrica).
5
6
1
2
64
3.2 Máquinas Elétricas
Para o conhecimento das propriedades do material magnético macio em um motor foi
projetada e construída uma máquina elétrica, na qual o estator e o rotor laminados foram
substituídos por blocos maciços de material compósito magnético macio.
Para obtenção dos núcleos magnéticos do servomotor, estator e rotor, foi escolhido o
compósito magnético macio que apresentou os melhores resultados nas análises das
propriedades dos materiais.
A partir da escolha do material magnético macio que será utilizado, foram pesados os
pós, misturados, compactados e curados.
O motor escolhido para os testes comparativos foi o servomotor SWA – 40 da WEG.
Os dados deste motor estão no quadro 3.
Quadro 3
– Propriedades do Servomotor SWA – 40 da WEG Motores.
Rotação Nominal 3000
RPM
Torque 1,6
Nm
Pólos 8
Potência 400
W
Tensão 230
V
Corrente 2
A
Corrente máxima 7,2
A
Fio do estator 1 x 0.45
mm
Espiras por bobina 42
Camada Dupla
Grupos por fase 8
Ligação Série
Comprimento do Estator 40
mm
Entreferro 0,4
mm
Imã Nd-Fe-B 25
UH
3.2.1 Projeto de Matrizes
Para que a proposta inicial do trabalho fosse atingida é necessária a confecção de
matrizes que através de apenas um processo de fabricação entregasse o núcleo magnético em
seu formato final.
Para tal foram projetadas e construídas duas matrizes (rotor e e
geometria necessária para atender as solicitações eletromagnéticas do servomotor.
Devido a complexidade da seção transversal da matriz do estator, esta exigiu um
processo custoso e demorado para sua confecção, a eletroerosão a fio.
Por
este motivo o uso das tecnologias da metalurgia do pó para fabricação de motores
só é viável economicamente quando existe um alto volume de produção e uma significante
diminuição dos custos
de produção.
A figura 59 apresenta a seção transversal do estator
Figura 59
–
As unidades apresentadas nas figuras estão em milímetros
A figura 60 a
presenta
uma geometria menos complexa, tal fato torna fácil o processo de produção da mesma.
65
Para tal foram projetadas e construídas duas matrizes (rotor e e
geometria necessária para atender as solicitações eletromagnéticas do servomotor.
Devido a complexidade da seção transversal da matriz do estator, esta exigiu um
processo custoso e demorado para sua confecção, a eletroerosão a fio.
este motivo o uso das tecnologias da metalurgia do pó para fabricação de motores
só é viável economicamente quando existe um alto volume de produção e uma significante
de produção.
A figura 59 apresenta a seção transversal do estator
e rotor.
–
Secção transversal do estator e rotor
do servomotor
As unidades apresentadas nas figuras estão em milímetros
presenta
as matrizes para obtenção do rotor e estator
uma geometria menos complexa, tal fato torna fácil o processo de produção da mesma.
(a) (b)
Para tal foram projetadas e construídas duas matrizes (rotor e e
stator) conforme a
geometria necessária para atender as solicitações eletromagnéticas do servomotor.
Devido a complexidade da seção transversal da matriz do estator, esta exigiu um
este motivo o uso das tecnologias da metalurgia do pó para fabricação de motores
só é viável economicamente quando existe um alto volume de produção e uma significante
do servomotor
as matrizes para obtenção do rotor e estator
. O rotor apresenta
uma geometria menos complexa, tal fato torna fácil o processo de produção da mesma.
Figura 60 –
Matriz para obtenção
3.2.2
Obtenção dos Núcleo
Conforme os resultados
mecânicas, a liga que apresenta o melhor conjunto de características é a Fe HRJ 0,5 %
(capítulo 4).
Para a confecção dos núcleos magnéticos os pós de Fe e da resina fen
pesados, mistu
rados, compactados e
magné
tico macio no formato a ser aplicado no servomotor.
proporções apresentadas na tabela 7, em uma balança da marca Ohaus e misturado em um
misturador de
dupla concha, mostrado na figura 61, por 20 minutos.
Tabela 7 –
Porcentagem de material utilizado na mistura do SMC do servomotor.
Ferro
% 99,5
Massa (g) 4.975
66
(c) (d)
Matriz para obtenção
do
(a) (b)
estator e do
(c) (d)
rotor
Obtenção dos Núcleo
s Magnéticos
Conforme os resultados
apresentados nas análises das propriedades eletromagnéticas e
mecânicas, a liga que apresenta o melhor conjunto de características é a Fe HRJ 0,5 %
Para a confecção dos núcleos magnéticos os pós de Fe e da resina fen
rados, compactados e
curados formando bolachas maci
tico macio no formato a ser aplicado no servomotor.
O material foi pesado conforme as
proporções apresentadas na tabela 7, em uma balança da marca Ohaus e misturado em um
dupla concha, mostrado na figura 61, por 20 minutos.
Porcentagem de material utilizado na mistura do SMC do servomotor.
Resina HRJ Total
0,5 100
25 5.000
Figura 61-
Misturador de dupla concha
rotor
do servomotor.
apresentados nas análises das propriedades eletromagnéticas e
mecânicas, a liga que apresenta o melhor conjunto de características é a Fe HRJ 0,5 %
Para a confecção dos núcleos magnéticos os pós de Fe e da resina fen
ólica foram
curados formando bolachas maci
ças de material
O material foi pesado conforme as
proporções apresentadas na tabela 7, em uma balança da marca Ohaus e misturado em um
Porcentagem de material utilizado na mistura do SMC do servomotor.
67
Após a mistura, assim como na confecção dos corpos de prova, o material foi
compactado a uma pressão de 600 MPa e após isto as peças foram curadas em um forno sem
atmosfera controlada conforme o patamar de temperatura da figura 62.
Figura 62 –
Ciclo de cura da resina HRJ
3.2.3 Montagem do Servomotor
Para a montagem do servomotor foram seguidos os seguintes passos:
Colagem das bolachas do estator e rotor;
Fixação dos imãs de Nd-Fe-B do rotor;
Magnetização dos imãs do rotor;
Bobinagem do estator;
Inserção do estator na carcaça do servomotor e do rotor no eixo;
Montagem de rolamentos, borrachas isolantes, tampas, conectores e ajustes
finais do servomotor.
As bolachas de material magnético macio, após curadas, apresentam a altura de 10
mm. Portanto foi necessário agrupar quatro bolachas para que se atingisse a altura desejada do
rotor e estator, 40 mm. A figura 63 mostra as bolachas na forma prontas para o processo de
cura.
0
30
60
90
120
150
180
210
240
0 10 12 22 24 34 36 40 45 50 55 60
Temperatura [°C]
Tempo [min]
Figura 63 –
Bolachas do estator e rotor com 10 mm de altura antes do processo de cura.
As bolachas foram fixadas umas as outras utilizando
Após a fixação foram colocados os imãs no rotor para posterior magnetização,
visto na figura 64.
Figura 64 – (a)
processo de m
Para a magnetização dos imãs do rotor foi projetado e
tem como princípio de funcionamento um conjunto de espiras na qual é aplicada uma fonte de
corrente contínua que fornecerá ao imã um fluxo magnético suficiente para saturar este
material e magnetizá-
lo. Para diferenciar pólos n
68
Bolachas do estator e rotor com 10 mm de altura antes do processo de cura.
As bolachas foram fixadas umas as outras utilizando
-se
um adesivo bicomponente.
Após a fixação foram colocados os imãs no rotor para posterior magnetização,
processo de m
ontagem dos imãs de Nd-Fe-
B no rotor do sermotor
do rotor após montagem dos imãs.
Para a magnetização dos imãs do rotor foi projetado e
montado um magnetizador este
tem como princípio de funcionamento um conjunto de espiras na qual é aplicada uma fonte de
corrente contínua que fornecerá ao imã um fluxo magnético suficiente para saturar este
lo. Para diferenciar pólos n
orte e sul é somente necess
a
Bolachas do estator e rotor com 10 mm de altura antes do processo de cura.
um adesivo bicomponente.
Após a fixação foram colocados os imãs no rotor para posterior magnetização,
como pode ser
B no rotor do sermotor
e
(b)
perfil
montado um magnetizador este
tem como princípio de funcionamento um conjunto de espiras na qual é aplicada uma fonte de
corrente contínua que fornecerá ao imã um fluxo magnético suficiente para saturar este
orte e sul é somente necess
ária a inversão do
b
sentido da corrente nas bobinas do magnetizador.
rotor com imãs sendo magnetizados.
Figura
Após a montagem do estator é necessário a bobinagem, este processo é feito seguindo
o esquema de bobinagem apresentado na figura
nas bobinas e no estator uma resina protetora a qual fornecerá para a estrutura proteção
mecânica e isolamento elétrico.
carcaça do motor.
Figura 66 –
Esquemátic
Concentrador
de fluxo
magnético
69
sentido da corrente nas bobinas do magnetizador.
A figura 65 apresenta o magnetizador e o
rotor com imãs sendo magnetizados.
Figura
65 –
Magnetizador de imãs do servomotor.
Após a montagem do estator é necessário a bobinagem, este processo é feito seguindo
o esquema de bobinagem apresentado na figura
66. Após a bobinagem
nas bobinas e no estator uma resina protetora a qual fornecerá para a estrutura proteção
mecânica e isolamento elétrico.
A figura 68 mostra o processo de montagem do estator na
Esquemátic
o para bobinagem do estator, fornecido pela WEG motores.
Rotor
Bobina
Concentrador
de fluxo
magnético
A figura 65 apresenta o magnetizador e o
Magnetizador de imãs do servomotor.
Após a montagem do estator é necessário a bobinagem, este processo é feito seguindo
66. Após a bobinagem
, figura 67, é aplicado
nas bobinas e no estator uma resina protetora a qual fornecerá para a estrutura proteção
A figura 68 mostra o processo de montagem do estator na
o para bobinagem do estator, fornecido pela WEG motores.
Figura
Com os núcleos magnéticos prontos deve se proceder a montagem de todas as partes
do motor. A figura 69
apresenta a fotografia do motor desmontado com todas as partes
constituintes.
Figura
70
Figura 67 –
Estator bobinado.
Figura
68 –
Montagem do estator na carcaça.
Com os núcleos magnéticos prontos deve se proceder a montagem de todas as partes
apresenta a fotografia do motor desmontado com todas as partes
Figura
69 – Componentes do servomotor SWA-
40.
Com os núcleos magnéticos prontos deve se proceder a montagem de todas as partes
apresenta a fotografia do motor desmontado com todas as partes
40.
71
3.2.4 Bancada de testes de máquinas elétricas
Para atingir o objetivo final deste trabalho, que é a comparação entre a máquina
elétrica com núcleos magnéticos resinados e uma máquina elétrica convencional (as quais
chamaremos respectivamente servomotor resinado e servomotor convencional) foi
desenvolvida uma bancada de testes que permite a avaliação da tensão induzida nas bobinas
do estator das máquinas elétricas.
Para que fosse possível a realização deste teste, as máquinas elétricas foram testadas
como geradores elétricos. Apesar do teste da máquina elétrica ter sido elaborado como um
teste de gerador o objetivo final deste trabalho é o desenvolvimento de um servomotor. O
objetivo de propor o teste das máquinas elétricas como geradores elétricos era o de facilitar a
obtenção dos resultados e a análise sobre as principais características desejadas do material
magnético macio desenvolvido, as perdas magnéticas e a influência da baixa permeabilidade
magnética. Para tal, um torque mecânico foi aplicado ao eixo do servomotor, o qual está
ligado ao rotor com imãs permanentes e a tensão induzida de linha nas bobinas do estator foi
lida.
Um motor trifásico de indução alimentado através de um inversor de freqüência foi o
responsável pelo fornecimento do torque mecânico na ponta de eixo do servomotor Estes
foram conectados através de um acoplamento. O inversor de freqüência foi utilizado por dois
motivos:
- garantir que os mesmos parâmetros fossem utilizados nos testes dos dois
servomotores (servomotor convencional e resinado).
- gerar diferentes rotações no eixo dos servomotores para que fosse possível verificar o
resultado para diferentes freqüências de operação.
Em um primeiro momento os testes foram realizados com os enrolamentos do estator
em aberto para verificar o comportamento de ambas as máquinas sem carga.
Neste teste a freqüência de saída do inversor que controla a máquina de indução
trifásica variou de 20 a 60 Hz com incrementos de 10 Hz e o valor da tensão induzida na saída
dos servomotores foi lida.
No seg
undo teste, no qual foi conectado uma carga trifásica
servomotor, ajustou-
se o inversor para 60 Hz e os valores de tensão em cima de uma das
cargas foi medido.
O quadro 4 apresenta as propriedades dos equipamentos utilizados nos
máquinas elétricas.
Para que fosse possível a leitura dos valores e a visualização da senoide de saída foi
conectado aos enrolamentos do estator do servomotor um osciloscópio.
Quadro 4 –
Especificações dos equipamentos constituintes da bancada d
Equipamento
Inversor de
Freqüência Siemens
Motor de Indução
Trifásico WEG
Osciloscópio Agilent
A figura 70 apresenta a bancada de testes montada no Laboratório de Conversão
Eletromecânica de Energia da Pontifícia Universidade Católica.
Figura
Inversor de Freqüência
72
undo teste, no qual foi conectado uma carga trifásica
de 40W
se o inversor para 60 Hz e os valores de tensão em cima de uma das
O quadro 4 apresenta as propriedades dos equipamentos utilizados nos
Para que fosse possível a leitura dos valores e a visualização da senoide de saída foi
conectado aos enrolamentos do estator do servomotor um osciloscópio.
Especificações dos equipamentos constituintes da bancada d
Especificação Valor
Tensão de entrada 208 – 240
Freqüência de entrada 47 – 63
Corrente 8,3 – 14,4
Tensão de Saída 0 –
tensão de entrada
Freqüência de Saída 0 – 400
Corrente de Saída 7,4
Potência Nominal 370
Rotações 1680
Tensão de Entrada 220(
∆
)/380(Y)
Corrente Nominal 2.04/1.18
cos
φ
0,70
Freqüência máxima 100
Leitura da entrada 2000
Tensão máxima 300
Canais 2
A figura 70 apresenta a bancada de testes montada no Laboratório de Conversão
Eletromecânica de Energia da Pontifícia Universidade Católica.
Figura
70 – Bancada de testes do servomotor.
Servomotor
Osciloscópio
Inversor de Freqüência
de 40W
nas saídas do
se o inversor para 60 Hz e os valores de tensão em cima de uma das
O quadro 4 apresenta as propriedades dos equipamentos utilizados nos
testes das
Para que fosse possível a leitura dos valores e a visualização da senoide de saída foi
Especificações dos equipamentos constituintes da bancada d
e testes.
Unidade
V
Hz
A
tensão de entrada
V
Hz
A
W
RPM
)/380(Y)
V
A
MHz
1/s
V
A figura 70 apresenta a bancada de testes montada no Laboratório de Conversão
Motor de Indução
Acoplamento
73
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Materiais Compósitos Magnéticos Macios
O trabalho realizado é a caracterização de um material desenvolvido para aplicação
como núcleo de máquinas elétricas. No desenvolvimento deste material foram utilizadas
várias técnicas para avaliação do mesmo. Com base em referências bibliográficas, além dos
materiais a serem desenvolvidos, os resultados obtidos da caracterização das ligas resinadas
são comparados com as propriedades de ferro sinterizado, sendo estas descritas na tabela 8
para propriedades eletromagnéticas [22] e na tabela 9 para propriedades mecânicas, estas
medidas foram realizadas pelo mesmo procedimento utilizado para a caracterização das ligas
resinadas [23].
Tabela 8 -
Propriedades eletromagnéticas de interesse de ferro sinterizado.
Liga
B
max
B
r
H
c
µ
r
Resistividade
[µΩ.m] [T] [kG] [T] [kG] [A/m] [Oe]
Ferro
sinterizado
1,14 11,4 0,96 9,6 131 1,65 2900 0,14
1,36 13,6 1,18 11,8 127 1,6 3700 0,12
1,47 14,7 1,29 12,9 119 1,5 4700 0,11
Tabela 9-
Medidas das propriedades mecânicas do ferro sinterizado.
Liga
Densidade [g/cm³] Dureza
Brinell
Tensão de
Compressão
[MPa]
Deformação
[mm/mm]
Módulo
Elástico
[MPa] verde sinterizado
Ferro
sinterizado
6,84 6,87 65 639,12 0,4796 2316
4.1.1 Propriedades Mecânicas
As máquinas elétricas em uso são submetidas a cargas, que além de exercer um torque
resistivo contrário, podem resultar em vibração no sistema carga-máquina. Estas ligas
estudadas devem apresentar comportamentos mecânicos compatíveis e necessários aos
esforços quando a máquina estiver operando.
Entre as propriedades mecânicas analisadas, foram obtidos dados de Dureza Brinell,
tabela 10 e resistência a compressão, tabela 11 e tabela 12. Estas medidas são comparadas
com ensaios feitos em amostras de ferro puro sinterizado, sendo estas confeccionadas e
caracterizadas da mesma forma que as ligas resinadas. Estes ensaios mecânicos foram
74
realizados com três amostras para cada liga visando obter um desvio de medidas para cada
resultado.
Tabela 10
- Medidas de Dureza Brinell das amostras estudadas.
Liga
Dureza Brinell de acordo com o teor de resina
0,5% 1,0% 1,5% 2,0% 2,5% 3,0%
Fe-HRJ 101 97 97 97 95 81
Fe-SBP 103 104 97 95 109 84
Tabela 11
- Medidas do ensaio de compressão das amostras da liga Fe-HRJ.
Propriedades
Teor de resina
0,5 % 1,0 % 1,5 % 2,0 % 2,5 % 3,0 %
Força máxima [N] 9209
9896
5004
11319
10382
10920
Módulo Elástico [MPa] 7452
7085
5254
10124
11533
9321
Tensão de Compressão [MPa] 227
245
123
280
257
243
Deformação [mm/mm] 0,0639
0,0624
0,0564
0,0730
0,0575
0,0667
Tabela 12
- Medidas do ensaio de compressão das amostras da liga Fe-SBP.
Propriedades
Teor de resina
0,5 % 1,0 % 1,5 % 2,0 % 2,5 % 3,0 %
Força máxima [N] 10146
10291
9942
10056
10374
9899
Módulo Elástico [MPa] 10196
9690
15603
16364
9284
9265
Tensão de Compressão [MPa] 250
254
205
208
257
244
Deformação [mm/mm] 0,0450
0,0449
0,0312
0,0314
0,0466
0,0441
A aplicação de um material como componente do núcleo de máquinas elétricas exige
que este apresente propriedades compatíveis como dureza e ductilidade apropriadas. Para
avaliação das propriedades mecânicas, o ensaio de compressão é realizado com a finalidade
de caracterizar seu comportamento em relação ao tipo de fratura e mensurar sua resistência
mecânica.
Os dados apresentados nas tabelas mostram os valores de resistência a compressão e
modulo elástico do material, sendo estas propriedades relevantes para caracterizar um
material com comportamento frágil. Este comportamento é considerado pelo fato de estar
sendo utilizado um material resinado como base mecânica e os resultados comprovam seu
comportamento, tanto em valores como no aspecto de fratura apresentado.
75
O gráfico da figura 71 faz uma relação do módulo de elasticidade do material em
relação ao teor de resina, e o gráfico da figura 72 relaciona a deformação sofrida pelo material
em função do teor de resina.
Figura 71 -
Gráfico relacionando o módulo elástico em função do teor de resina.
Figura 72 -
Gráfico relacionando deformação à compressão em função do teor de resina.
Também é feita uma relação de dureza do material em função do teor de resina, figura
73, caracterizando o comportamento mecânico pelo comportamento elástico do material, onde
todos os valores de dureza são maiores que do material referência, ferro puro sinterizado.
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
0 1 2 3 4
Módulo de Elasticidade (MPa)
Teor de Resina %
HRJ
SBP
Fe sinterizado
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0 1 2 3 4
Deformação (mm/mm)
Teor de Resina %
SBP
HRJ
Fe sinterizado
76
Figura 73
- Gráfico relacionando Dureza Brinell em função do teor de resina.
Para materiais onde a ductilidade é muito pequena, a propriedade mais importante é o
limite de resistência à compressão, que difere em valor do limite de resistência à tração, sendo
geralmente maior que esse. O limite de resistência à compressão é calculado pela carga
máxima dividida pela secção original do corpo de prova. No caso de materiais frágeis, o
ensaio de compressão pode ser efetuado numa própria peça acabada, obtendo-se assim apenas
a carga de ruptura, desde que a peça caiba entre as placas da máquina. A figura 74(a) mostra
um corpo de prova de um material dúctil (cobre, por exemplo) completamente deformado. Por
outro lado, um material frágil, como ferro fundido cinzento, não tem deformação lateral
apreciável e a ruptura ocorre por cisalhamento e escorregamento, ao longo de um plano
inclinado de aproximadamente 45º, conforme mostra a figura 74(b).
Figura 74
- Ensaio de compressão em
(a)
material dúctil, deformação sem ruptura, e
(b)
material frágil, ruptura sem deformação lateral [24].
0
20
40
60
80
100
120
0 1 2 3 4
Dureza Brinell
Teor de Resina %
Fe-HRJ
Fe
-
SBP
Fe sinterizado
Para caracterizar o material de comportamento frágil, utilizou
sofrida no ensaio de compressão
características frágeis.
Figura 75 -
Amostra resinada após ensaio de compressão identificando o comportamento da
Como bases de informação das propriedades mecânicas utilizam
resina fenólica do tipo
Novolaca (como a utilizada neste trabalho). Através destes dados,
constata-
se que este tipo de resina apresenta módulo elástico com valores na faixa de 5,3GPa
a 8,0GPa [25
] e sua tensão de compressão fica na faixa de 117 a 179MPa [
possível
afirmar que o material estudado é característico de um material frágil pelo fato de
que neste caso o agente mecânico é a resina e não a parte metálica do compósito. Sendo
assim, a resina é considerada a matriz do compósito em estudo, onde é o responsável p
características mecânicas de estabilidade dimensional e geométrica.
Como os materiais resinados não são sinterizados a resistência mecânica apresentada
por estes materiais está abaixo de valores atingidos por aços laminados e ferro sinterizado. As
sol
icitações mecânicas em uma máquina elétrica variam com o peso e a velocidade do rotor.
Tipicamente o rotor sofre solicitações de duas fontes, movimento de rotação e do conjugado
magnético entre os fluxos do estator e do rotor. O estator sofre a mesma solic
eletromagnética do conjugado, porém não está em movimento. Em motores pequenos e
girando a baixas rotações nenhuma destas forças será grande. As maiores solicitações nestes
casos são concentradas nas condições de produção do motor (bobinage
montagem da máquina). Geralmente os SMC’s podem atingir valores de 50 a 150
tensão de ruptura transversal. Estes valores podem ser melhorados dependendo das técnicas
utilizadas para obtenção da peça final.
77
Para caracterizar o material de comportamento frágil, utilizou
sofrida no ensaio de compressão
, figura 75,
sendo este um comportamento de materiais de
Amostra resinada após ensaio de compressão identificando o comportamento da
fratura.
Como bases de informação das propriedades mecânicas utilizam
Novolaca (como a utilizada neste trabalho). Através destes dados,
se que este tipo de resina apresenta módulo elástico com valores na faixa de 5,3GPa
] e sua tensão de compressão fica na faixa de 117 a 179MPa [
afirmar que o material estudado é característico de um material frágil pelo fato de
que neste caso o agente mecânico é a resina e não a parte metálica do compósito. Sendo
assim, a resina é considerada a matriz do compósito em estudo, onde é o responsável p
características mecânicas de estabilidade dimensional e geométrica.
Como os materiais resinados não são sinterizados a resistência mecânica apresentada
por estes materiais está abaixo de valores atingidos por aços laminados e ferro sinterizado. As
icitações mecânicas em uma máquina elétrica variam com o peso e a velocidade do rotor.
Tipicamente o rotor sofre solicitações de duas fontes, movimento de rotação e do conjugado
magnético entre os fluxos do estator e do rotor. O estator sofre a mesma solic
eletromagnética do conjugado, porém não está em movimento. Em motores pequenos e
girando a baixas rotações nenhuma destas forças será grande. As maiores solicitações nestes
casos são concentradas nas condições de produção do motor (bobinage
montagem da máquina). Geralmente os SMC’s podem atingir valores de 50 a 150
tensão de ruptura transversal. Estes valores podem ser melhorados dependendo das técnicas
utilizadas para obtenção da peça final.
linha de fratura
Para caracterizar o material de comportamento frágil, utilizou
-se a foto da fratura
sendo este um comportamento de materiais de
Amostra resinada após ensaio de compressão identificando o comportamento da
Como bases de informação das propriedades mecânicas utilizam
-se dados literários de
Novolaca (como a utilizada neste trabalho). Através destes dados,
se que este tipo de resina apresenta módulo elástico com valores na faixa de 5,3GPa
] e sua tensão de compressão fica na faixa de 117 a 179MPa [
26]. Portanto é
afirmar que o material estudado é característico de um material frágil pelo fato de
que neste caso o agente mecânico é a resina e não a parte metálica do compósito. Sendo
assim, a resina é considerada a matriz do compósito em estudo, onde é o responsável p
elas
Como os materiais resinados não são sinterizados a resistência mecânica apresentada
por estes materiais está abaixo de valores atingidos por aços laminados e ferro sinterizado. As
icitações mecânicas em uma máquina elétrica variam com o peso e a velocidade do rotor.
Tipicamente o rotor sofre solicitações de duas fontes, movimento de rotação e do conjugado
magnético entre os fluxos do estator e do rotor. O estator sofre a mesma solic
itação de força
eletromagnética do conjugado, porém não está em movimento. Em motores pequenos e
girando a baixas rotações nenhuma destas forças será grande. As maiores solicitações nestes
casos são concentradas nas condições de produção do motor (bobinage
m dos enrolamentos e
montagem da máquina). Geralmente os SMC’s podem atingir valores de 50 a 150
MPa de
tensão de ruptura transversal. Estes valores podem ser melhorados dependendo das técnicas
78
4.1.2 Propriedades Elétricas
A determinação da resistividade das ligas resinadas foi realizada a partir da simples
medição da resistência elétrica das amostras na forma de barras, a partir de um multiteste de
alta sensibilidade. A
Error! Reference source not found.
13 mostra os valores medidos de
resistência elétrica e os parâmetros para o cálculo da resistividade a partir da equação 3.1.
Para obtenção destes valores foram feitas medições de três amostras para cada liga obtendo
uma média para demonstração dos resultados.
Tabela 13
- Valores de resistência elétrica, parâmetros dimensionais e resistividade elétrica
das ligas resinadas.
Amostra Resistência
[
Ω
]
Área da
seção
[mm²]
Comprimento
[mm]
Resistividade
[µ
Ω
.m]
Fe-HRJ0,5 3,3 12,0 25,0 1608
Fe-HRJ1,0 2,6 12,0 25,0 1248
Fe-HRJ1,5 3,6 12,0 25,0 1728
Fe-HRJ2,0 8,0 12,0 25,0 3864
Fe-HRJ2,5 6,4 12,0 25,0 3072
Fe-HRJ3,0 16,7 12,0 25,0 8040
Fe-SBP0,5 4,2 20,1 21,0 4048
Fe-SBP1,0 2,2 12,0 25,0 1056
Fe-SBP1,5 6,0 12,0 25,0 2880
Fe-SBP2,0 5,8 12,0 25,0 2784
Fe-SBP2,5 9,2 12,0 25,0 4416
Fe-SBP3,0 13,7 12,0 25,0 6576
O gráfico da figura 76 mostra o comportamento da resistividade elétrica das ligas em
função do teor de resina para cada liga. Estes dados são comparados com a referência, ferro
puro sinterizado, que apresenta valores de resistividade elétrica entre 0,11 e 0,2µ
Ω
.m
[21][22].
Os resultados são comparados com as características do ferro puro sinterizado, sendo
que suas propriedades eletromagnéticas são obtidas da mesma forma descrita para este
trabalho e a amostra é confeccionada através do processo de compactação e posterior
sinterização.
Neste trabalho é visada a obtenção de um material adequado para uso como núcleo
magnético. Portanto, é essencial a medição das propriedades físicas de interesse. Através dos
79
resultados obtidos observa-se o comportamento da resistividade elétrica em função do teor de
resina, onde esse aumenta com o aumento deste teor.
Figura 76
- Gráfico comparativo da resistividade elétrica em função do teor de resina.
Na maioria dos casos, a resistividade de um elemento metálico aumenta quando são
adicionadas impurezas, uma vez que estas impurezas provocam distorções no reticulado
cristalino. Por esta razão, as maiores resistividades são obtidas em ligas compostas de dois ou
mais materiais. O material resinado tem função de revestimento orgânico nas partículas de pó
de ferro, que produz também elevada resistividade elétrica [27].
Tanto o estator como o rotor são construídos usualmente com chapas laminadas e
isoladas, uma vez que, este isolamento entre chapas restringe a circulação de correntes
induzidas. As perdas por correntes induzidas ou parasitas em um núcleo maciço são
consideravelmente maiores que as perdas em núcleos obtidos a partir de chapas isoladas
eletricamente. Mas a redução das correntes induzidas pode ser obtida pelo aumento da
resistividade elétrica do material, uma vez que, resistividade elétrica e corrente elétrica são
grandezas físicas inversamente proporcionais, sendo neste caso possível de obter máquinas
elétricas de alto rendimento. Outra questão a ser relacionada com a influência da alta
resistividade elétrica é o fato de estas ligas estudadas apresentarem grande redução de perdas
magnéticas, onde pode ser observado na relação da figura 77.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Rsistividade µΩ.m
Teor de Resina %
HRJ
SBP
80
Figura 77 –
Gráfico comparativo das perdas magnéticas em função da resistividade elétrica.
É importante salientar que parâmetros de preparação das amostras influenciam nos
resultados em questão, como granulometria da matéria-prima, pressão de compactação e ciclo
de cura.
4.1.3 Propriedades Magnéticas
A caracterização das propriedades magnéticas de interesse parte da obtenção das
curvas de histerese para cada liga resinada em comparação com os dados de ferro puro
sinterizado. Como dados relevantes, constam permeabilidade magnética, indução de saturação
e perdas magnéticas, estas relacionadas com retentividade e coercitividade. Nas figuras de
número 79 a 90 seguem as curvas de histerese de cada grupo de liga resinada em comparação
com a curva de ferro sinterizado, figura 78, considerando a variação no teor de resina. Nas
curvas das figursa 78 a 90 o eixo y representa a indução magnética em Tesla e o eixo x a
intensidade de campo magnético em Ampêres por metro
Ferro sinterizado
Figura 78 –
Curvas de Magnetização e histerese do ferro sinterizado.
0
2000
4000
6000
8000
10000
0,36 0,38 0,4 0,42 0,44 0,46
Resitividade µΩ.m
Perdas Magnéticas W/kg
SBP
HRJ
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
-4000 -2000 0 2000 4000
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0,75
0,80
0 1000 2000 3000 4000
81
Fe HRJ 0,5
Figura 79 -
Curvas de Magnetização e histerese da liga HRJ 0,5.
Ferro HRJ 1,0
Figura 80-
Curvas de Magnetização e histerese da liga HRJ 1,0.
Ferro HRJ 1,5
Figura 81-
Curvas de Magnetização e histerese da liga HRJ 1,5.
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
-1E-15
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-4000 -2000 0 2000 4000
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0 1000 2000 3000 4000
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-4000 -2000 0 2000 4000
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0 1000 2000 3000 4000
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-4000 -2000 0 2000 4000
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0 1000 2000 3000 4000
82
Fe HRJ 2,0
Figura 82-
Curvas de Magnetização e histerese da liga HRJ 2,0.
Fe HRJ 2,5
Figura 83-
Curvas de Magnetização e histerese da liga HRJ 2,5.
Fe HRJ 3,0
Figura 84-
Curvas de Magnetização e histerese da liga HRJ 3,0.
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-4000 -2000 0 2000 4000
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0 1000 2000 3000 4000
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-4000 -2000 0 2000 4000
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0 1000 2000 3000 4000
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
-1E-15
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-4000 -2000 0 2000 4000
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0 1000 2000 3000 4000
83
Ferro SBP 0,5
Figura 85-
Curvas de Magnetização e histerese da liga SBP 0,5.
Ferro SBP 1,0
Figura 86
Curvas de Magnetização e histerese da liga SBP 1,0.
Fe SBP 1,5
Figura 87
Curvas de Magnetização e histerese da liga SBP 1,5.
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-4000 -2000 0 2000 4000
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0 1000 2000 3000 4000
-0,7
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
-4000 -2000 0 2000 4000
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0 1000 2000 3000 4000
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
-1E-15
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-4000 -2000 0 2000 4000
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0 1000 2000 3000 4000
84
Fe SBP 2,0
Figura 88 -
Curvas de Magnetização e histerese da liga SBP 2,0.
Fe SBP 2,5
Figura 89
Curvas de Magnetização e histerese da liga SBP 2,5.
Ferro SBP 3,0
Figura 90 –
Curvas de Magnetização e histerese da liga SBP 3,0.
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-4000 -2000 0 2000 4000
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0 1000 2000 3000 4000
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
-1E-15
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-4000 -2000 0 2000 4000
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0 1000 2000 3000 4000
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
-4000 -2000 0 2000 4000
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0 1000 2000 3000 4000
85
Tabela 14 – Propriedades Magnéticas das Ligas estudadas
Amostra H
c
(B=0) B
r
(H =0) B
s
Campo Magnético
para o valor B
s
Perdas
Magnéticas
Permeabilidade
Relativa
(A/m) (T) (T) (A/m) (W/kg)
Fe sinterizado
2178 0,74 0,86 2480 5,87 468
Fe-HRJ 0,5
258 0,090 0,58 3612 0,45
187
Fe-HRJ 1,0
240 0,087 0,54 3525 0,40
180
Fe-HRJ 1,5
220 0,056 0,47 3319 0,31
144
Fe-HRJ 2,0
235 0,062 0,51 3494 0,37 149
Fe-HRJ 2,5
249 0,052 0,47 3582 0,34 129
Fe-HRJ 3,0
227 0,042 0,428 3586 0,29 114
Fe-SBP 0,5
250 0,095 0,57 3509 0,44 176
Fe-SBP 1,0
247 0,092 0,60 3458 0,44 199
Fe-SBP 1,5
236 0,072 0,57 3537 0,39 179
Fe-SBP 2,0
230 0,062 0,49 3497 0,35 145
Fe-SBP 2,5
382 0,060 0,41 3544 0,42 103
Fe-SBP 3,0
225 0,044 0,43 3498 0,29 91
Como observado, as ligas desenvolvidas apresentam um comportamento semelhante e
uma diferença significativa em relação à referência. Estas têm baixa indução de saturação e
baixas perdas magnéticas.
Como a maioria destas aplicações se dá em máquinas excitadas em corrente alternada,
surge um segundo parâmetro de seleção desses materiais: as perdas magnéticas. Como a
magnetização não é um fenômeno reversível, o processo cíclico de magnetizar e
desmagnetizar a cada 1/120 de segundo leva à ocorrência de histerese. Devido à existência da
histerese magnética e da circulação de correntes elétricas parasitas induzidas pela variação do
86
fluxo magnético no interior do material, o processo de inversão da magnetização ocorre com
dissipação de energia, ou seja, com perdas magnéticas, também conhecidas como perdas no
ferro. Dada a importância do rendimento energético das máquinas, e como as perdas no ferro
costumam ser muito maiores que as perdas no cobre, as perdas magnéticas são o principal
parâmetro técnico de seleção e controle desses materiais. A figura 91 mostra curvas de
histerese obtidas para ferro sinterizado e uma liga resinada, quando excitada a 60 Hz. A área
interna dessa curva é a energia dissipada por ciclo, em W/kg. Conforme se reduz a freqüência,
a energia dissipada diminui, ou seja, a curva se estreita, mas a área nunca vai a zero. A curva
de histerese mais estreita, nas mesmas figuras, foi traçada em 20s, ou seja, numa freqüência
da ordem de 0,05 Hz. Isso mostra que, mesmo em condições quase-estáticas, existe uma
histerese e energia dissipada no processo. Essa é a chamada parcela histerética das perdas
magnéticas.
(a) (b)
Figura 91 -
Comparação de curvas de histerese determinadas na condição quase estática e a
60 Hz, para
(a)
ferro puro sinterizado e
(b)
liga resinada Fe-SBP1,5.
As figuras 92, 93, e 94 apresentam relações entre o teor de resina e as propriedades
magnéticas mais importantes para os materiais, as quais se desejam aplicar em núcleos de
máquinas elétricas.
Elevada Permeabilidade Magnética, quanto maior a permeabilidade magnética das
ligas, menor o campo magnético no núcleo e maior o campo no entreferro (espaço localizado
entre o estator e rotor em um motor). Em uma máquina elétrica rotativa o entreferro deve
apresentar o maior campo magnético possível, isto porque o torque desenvolvido pela
máquina elétrica é proporcional ao fluxo magnético no entreferro. Pode-se notar através dos
valores apresentados pelos testes que a cada um por cento de resina que se adiciona a liga a
permeabilidade diminui em torno de 27% para as ligas SBP e 23% para as ligas HRJ. A
permeabilidade apresentada pelas ligas resinadas (SMC) ficou em torno de 10 vezes menor do
que os valores apresentadas como referência na tabela 8, porém para o ferro sinterizado
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
-4000 -2000 0 2000 4000
B [T]
H [A/m]
60 Hz
0,05 Hz
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
-4000 -2000 0 2000 4000
B [T]
H [A/m]
60 Hz
0,05 Hz
87
operando nas mesmas condições das ligas resinadas o valor apresentado da permeabilidade
relativa é de 468, aproximadamente duas vezes maior que os valores das ligas desenvolvidas
neste estudo. O uso de materiais como o Permallloy com permeabilidade de até 25000, tabela
3, poderia resolver o problema na baixa permeabilidade relativa dos compósitos magnéticos
macios. O estudo de obtenção de materiais pré ligados na forma de pó ou a possibilidade de
aquisição de partículas de ligas ferromagnéticas conhecidas facilitaria a pesquisa de materiais
magnéticos macios.
Figura 92 – Gráfico comparativo do teor de resina e da permeabilidade
Valores de baixa coercitividade e retentividade magnética dão ao material uma baixa
perda por ciclo de histerese. Sendo que máquinas elétricas trabalham sobre fluxos alternados
de campo magnético as perdas por ciclo de histerese devem ser os mais baixos possíveis, pois
estes são inversamente proporcionais ao rendimento da máquina. As perdas por ciclo de
histerese são calculadas pela área interna da curva de histerese. Conforme a curva da Figura
93 pode se notar que com o aumento no valor de resina ocorre a queda no valor de perdas
magnéticas. As perdas magnéticas estão relacionadas as perdas por correntes parasitas e por
perdas de histerese, tendo em vista que o material apresenta uma baixa indução fato que
contribui para a formação de uma menor área no laço de histerese e também a alta
resistividade o que contribui para a dificuldade do surgimento de correntes parasitas era
previsível que as perdas magnéticas estariam bem abaixo dos valores apresentados por
materiais sem a presença de resina, da tabela 14, ferro sinterizado apresenta um valor de
5,87W/kg aproximadamente 25 vezes maior do que as perdas magnéticas em compostos
magnéticos macios.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 1 2 3 4
Permeabilidade Relativa
Teor de resina %
HRJ
SBP
Fe sinterizado
88
Figura 93 - Gráfico comparativo teor de resina e perdas magnéticas
Quanto maior a indução de saturação maior será o fluxo no entreferro. A saturação
magnética limita a indução, ou seja, aquela região da curva de histerese do material onde
mesmo com o aumento do campo magnético o fluxo magnético não se altera. Notou-se que
com o acréscimo de resina ocorria a diminuição do valor de indução de saturação. Assim
como para a permeabilidade o desenvolvimento de ligas com valores nominais maiores de
indução de saturação podem auxiliar na melhoria dos resultados. Verificando-se o gráfico da
figura 94, pode-se notar que o valor da máxima indução ficou em torno de 42% abaixo do
valor do ferro sinterizado, o que indica que com a escolha de Fe Co V como liga a ser
misturada a resina os valores de indução de saturação poderiam ser bem maiores,
aproximadamente 1,2 T (tabela 3).
Figura 94 – Gráfico Comparativo teor de resina e indução de saturação.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Perdas Magnéticas W/kg
Teor de resina %
HRJ
SBP
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 1 2 3 4
Indução de Saturação (T)
Teor de resina %
HRJ
SBP
Fe sinterizado
89
4.2 Servomotor
Esta pesquisa tem como objetivo final o desenvolvimento de uma liga para aplicação
em máquinas elétricas com capacidade de substituir o atual pacote de chapas laminadas.
Através dos testes do servomotor onde foi aplicada a liga Fe HRJ 0,5 como material
constituinte do rotor e estator inteiriços pode se concluir sobre a aplicabilidade destes
materiais magnéticos macios em larga escala para produção comercial.
As figuras 95 a 99 apresentam as curvas do servomotor resinado e do servomotor
convencional.
Teste a 20 Hz
Figura 95
Valores de tensão induzida para o servomotor convencional e resinado a 20 Hz.
Teste a 30 Hz
Figura 96
Valores de tensão induzida para o servomotor convencional e resinado a 30 Hz.
Resinado Convencional
Resinado Convencional
Tensão Induzida Tensão Induzida
Tensão Induzida Tensão Induzida
90
Teste a 40 Hz
Figura 97
Valores de tensão induzida para o servomotor convencional e resinado a 40 Hz.
Teste a 50 Hz
Figura 98
Valores de tensão induzida para o servomotor convencional e resinado a 50 Hz.
Teste a 60 Hz
Figura 99-
Valores de tensão induzida para o servomotor convencional e resinado.
Nestes testes o valor de saída nas bobinas do estator é a tensão induzida pelo
movimento do rotor, o qual através da movimentação de seus imãs permanentes e campo
magnético geram um fluxo magnético alternado o qual flui pelo estator gerando uma tensão
Convencional
Convencional
Resinado
Resinado
Tensão Induzida Tensão Induzida
Tensão Induzida Tensão Induzida
Tensão Induzida
Tensão Induzida
91
induzida nos três enrolamentos da máquina, o que significa que quanto mais alto o valor da
tensão induzida maior foi a transferência de energia.
A tabela 15 apresenta os valores de tensão induzida para cada freqüência de
acionamento do motor que gerou o torque na ponta de eixo do servomotor.
Tabela 15 –
Tensão induzida nas bobinas do servomotor
Freqüência de acionamento
(Hz)
Tensão Induzida no
Servomotor Resinado
(V)
Tensão Induzida no
Servomotor Convencional
(V)
20 12 4
30 17 6
40 23 8
50 29 10
60 35 12
Com a carga de 40 W conectada nas saídas dos enrolamentos de armadura, os valores
de tensão induzida lidos são os apresentados pela tabela 16.
Tabela 16 –
Valores de tensão induzida para o teste do servomotor com carga.
Freqüência de acionamento
(Hz)
Tensão Induzida no
Servomotor Resinado
(V)
Tensão Induzida no
Servomotor Convencional
(V)
60 20 7
A tensão induzida que é gerada nos enrolamentos do estator do servomotor é
proporcional ao máximo fluxo magnético
φ
max, como mostra a equação 4.1.
݁
ሺ
ݐ
ሻ
ൌ ߮
௫
.ݓ.ݏ݁݊ሺݓݐሻ Eq 4.1
Analisando a equação para ambos os casos, servomotor convencional e resinado,
pode-se verificar que a única variável que pode efetivamente distinguir os resultados para a
mesma freqüência é o fluxo magnético φmax. Deve se considerar a velocidade do rotor
constante.
O fluxo magnético é dependente da força magnetomotriz dividida pela soma das
relutâncias (gap + ferro). Considerando-se a equação 4.2, 4.3 e 4.4 pode se ter duas soluções
para os resultados encontrados.
߮ ൌ
୫୫
ୖ
ౝ
ାୖ
Eq 4.2
92
Onde, mmf é a força magnetomotriz e R
g
R
f
são respectivamente a relutância do
entreferro e do material magnético.
݂݉݉ ൌ ܰܫ ൌ ܪ
.݈
ܪ
.݈
Eq 4.3
Onde, N é o número de espiras, I corrente nos enrolamentos, H e l são o campo
magnético e o caminho percorrido pelo fluxo no entreferro (subscrito g) e no material
magnético macio (subscrito f).
ܴ ൌ
ఓ
బ
.ఓ
ೝ
.
Eq. 4.4
A relutância R é proporcional ao caminho percorrido pelo fluxo magnético l
m
e
inversamente proporcional a permeabilidade do material (µ
0
. µ
r
) e a área da seção transversal
do caminho.
Considerando-se que os valores de permeabilidade relativa, permeabilidade no vácuo e
a área da seção transversal por qual o fluxo magnético atravessa sejam os mesmos nos dois
servomotores, resinado e convencional, a justificativa que explicaria o fato de porque a tensão
induzida ser três vezes maior no servomotor resinado é de que neste caso o entreferro é menor
do que no motor convencional. E como foi visto nas equações 4.3 e 4.4 o valor do caminho
magnético percorrido pelo fluxo é inversamente proporcional ao valor da tensão de indução.
A diferença no entreferro ocorre devido a dificuldade de obtenção do estator da
máquina elétrica pela complexidade de sua forma. A existência de ranhuras de formato
complexo e os valores de compressão e dilatação diferentes de cada material impedem que
todas as peças testadas apresentem as mesmas dimensões finais, o que prejudica os resultados
finais, porém não impossibilita a avaliação e o estudo destes.
93
5 CONCLUSÕES
Através do desenvolvimento deste trabalho foi possível apresentar conclusões quanto
ao processo de obtenção do ferramental, propriedades magnéticas e mecânicas dos
compósitos magnéticos macios estudados, processo de obtenção dos núcleos magnéticos e por
fim montagem da máquina elétrica em um nível industrial.
Quanto ao processo de metalurgia do pó, a qual foi a metodologia escolhida por
atender as especificações de redução de etapas de produção, desperdício de material e
possibilidade de desenvolvimento de geometrias complexas, pode-se concluir que:
- Deve ser relacionar o custo da aquisição do ferramental com o volume de
produção para verificar se é válido o investimento.
- A dificuldade na obtenção de pós pré-ligados dificulta a produção de
compósitos magnéticos macios que tenham diferentes metais além do ferro.
- A peça final após processo de cura apresenta estrutura frágil devido a não
ocorrência da difusão atômica, que ocorre no processo de sinterização.
- A metodologia de metalurgia do pó é um excelente processo para obtenção de
materiais compósitos magnéticos macios, devido a possibilidade da composição de dois
componentes com propriedades completamente diferentes.
- Apesar do processo de desenvolvimento do ferramental ser conhecido, o
ajuste dimensional final dos núcleos magnéticos exige grande trabalho para ser alcançado.
As análises e os testes eletromagnéticos apresentaram resultados que permitem as
seguintes conclusões:
- O acréscimo da resina ao ferro diminui consideravelmente os valores de
resistividade do material.
- Os compósitos magnéticos macios apresentam valores de permeabilidade
bem abaixo dos núcleos magnéticos laminados e sinterizados.
- As perdas magnéticas nos núcleos magnéticos resinados é aproximadamente
dez vezes menor que em núcleos laminados.
94
- Outra propriedade importante é na redução de 20% dos valores de máxima
indução para cada 1% adicional de resina na composição final do núcleo magnético.
A fragilidade do material gerou algumas mudanças no processo de montagem da
máquina elétrica, nesta etapa tem-se:
- A bobinagem do motor ocorreu com maior delicadeza do que o usual e o
tempo para esta atividade foi maior.
- Não é possível expandir a carcaça com aquecimento para a inserção do
estator pois a carcaça ao retornar ao seu tamanho original Pode fraturar o estator devido a
ausência da deformação plásticas nos compósitos magnéticos macios.
- O processo de produção dos núcleos magnéticos teve apenas 3 etapas: mistura
dos pós, compactação e cura.
Dentre os diversos fatores apresentados, a tecnologia demonstrou capacidade em, se
aperfeiçoada, ser uma provável alternativa aos sistemas atuais de produção de máquinas
elétricas rotativas.
95
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
- Dimensionamento de um motor respeitando as propriedades eletromagnéticas
específicas dos compósitos magnéticos macios.
- Obtenção de pós pré ligados de Fe - Ni, Fe - Si e Fe – Co - V.
- Projeto e desenvolvimento de motores utilizando as ligas acima apresentadas
misturadas a resinas fenólicas ou acrílicas.
- Simulação computacional do comportamento de diferentes ligas em máquinas
elétricas.
- Estudo dos micro constituintes dos materiais magnéticos macios e análise da
influência destes na magnetização do material.
- Desenvolvimento de um material magnético macio com:
- melhores propriedades mecânicas.
- maior indução de saturação
- maior permeabilidade.
- Realizar um estudo de viabilidade econômica da implementação de servomotores
comercialmente.
96
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