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JOSÉ LEANDRO CASA NOVA ALMEIDA
PROPOSTA DE UMA METODOLOGIA PARA OBTENÇÃO DE UM GERADOR
SÍNCRONO COM ROTOR DE ÍMÃS PERMANENTES INCLINADOS
AXIALMENTE PARA MICROCENTRAIS ELÉTRICAS
A PARTIR DE MOTOR DE INDUÇÃO
Tese apresentada à Faculdade de
Engenharia do Câmpus de
Guaratinguetá, Universidade
Estadual Paulista, para a obtenção
do título de Doutor em Engenharia
Mecânica na área de Transmissão e
Conversão de Energia.
Orientador: Prof. Dr. Téofilo Miguel de Souza
Guaratinguetá – SP
2010
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A447p
Almeida, José Leandro Casa Nova
Proposta de uma metodologia para obtenção de um gerador síncrono
com rotor de ímãs permanentes inclinados axialmente para microcentrais
elétricas a partir de motor de indução / José Leandro Casa Nova Almeida
– Guaratinguetá : [s.n], 2010
106f. : il.
Bibliografia: f. 88-93
Tese (doutorado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de
Engenharia de Guaratinguetá, 2010.
Orientador: Prof. Dr. Teófilo Miguel de Souza
Co-orientador: Prof. Dr. Inácio Bianchi
1. Máquinas elétricas síncronas 2. Ímãs permanentes I. Título
CDU 621.313.32
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UNESP UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA
Faculdade de Engenharia do Câmpus de Guaratinguetá
PROPOSTA DE UMA METODOLOGIA PARA OBTENÇÃO DE UM
GERADOR SÍNCRONO COM ROTOR DE ÍMÃS PERMANENTES
INCLINADOS AXIALMENTE PARA MICROCENTRAIS ELÉTRICAS A
PARTIR DE MOTOR DE INDUÇÃO
JOSÉ LEANDRO CASA NOVA ALMEIDA
ESTA TESE FOI JULGADA ADEQUADA PARA A OBTENÇÃO DO TÍTULO DE
“DOUTOR EM ENGENHARIA MECÂNICA”
ESPECIALIDADE: ENGENHARIA MECÂNICA
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: TRANSMISSÃO E CONVERSÃO DE ENERGIA
APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
Prof. Dr. Marcelo dos Santos Pereira
Coordenador
BANCA EXAMINADORA:
Agosto – 2010
DADOS CURRICULARES
JOSÉ LEANDRO CASA NOVA ALMEIDA
(leandrocasanova@bol.com.br)
NASCIMENTO 11.09.1979 – MIGUEL PEREIRA / RJ
FILIAÇÃO Mario Sérgio Campos de Almeida
Maria Antônia Capute Casa Nova
1997/2002 Curso de Graduação em Engenharia Elétrica
Universidade Severino Sombra
Vassouras – RJ
2004/2007 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica na
área de Transmissão e Conversão de Energia, nível de
Mestrado, na Faculdade de Engenharia do Câmpus de
Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista.
2007/2010 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica na
área de Transmissão e Conversão de Energia, nível de
Doutorado, na Faculdade de Engenharia do Câmpus de
Guaratinguetá da Universidade Estadual Paulista.
2007/atual Professor da Escola de Engenharia da Universidade
Severino Sombra – Câmpus Vassouras – RJ.
2003/atual Engenheiro Eletricista na Fábrica de Máquinas
Bemfica – Paracambi – RJ.
De um modo especial, às minhas sobrinhas – Steffane e Vitória.
Com os seus sorrisos, me incentivaram. Espero que, no futuro,
elas usem o meu exemplo como motivação para o estudo.
Dedico este trabalho às pessoas que me ajudaram, não medindo
esforços, cujos nomes aparecem, com o devido respeito e
consideração, nos agradecimentos.
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, agradeço a Deus, fonte da vida e da graça. Agradeço-lhe a
vida, a inteligência, a família e os amigos;
Ao orientador, Prof. Dr. Téofilo Miguel de Souza, que jamais deixou de me
incentivar. Sem sua direção, dedicação e auxílio, o estudo aqui apresentado seria
praticamente impossível. Em alguns momentos, ele foi mais que um orientador, e sim,
um grande exemplo;
Ao co-orientador, Prof. Dr. Inácio Bianchi, pela visão objetiva na orientação e
na eliminação das dúvidas sobre máquinas elétricas;
Aos professores Prof. Dr. Perrella, Prof. Dr. Petrônio , Prof. Dr. Carrocci ,
Prof. Dr. Oscar , Prof. Dr. Agnelo, Prof. Dr. José Luz e Prof. Dr. Pedro os quais, ao
longo do curso, fizeram a diferença, contribuindo de forma decisiva para a construção
sólida de meu conhecimento e formação acadêmica;
A meus pais, Mário Sérgio e Maria Antônia. Apesar das dificuldades
enfrentadas, sempre estimularam meus estudos, principalmente minha mãe;
À minha namorada, noiva e companheira, Cíntia, pela compreensão, amor e
dedicação e a seu filho Caio;
Ao meu padastro, Edson, pela apoio, determinação e contribuição nos testes e
avaliação do protótipo;
Ao meu irmão, João Paulo, por quem tenho e terei sempre grande admiração e
orgulho;
Às minhas sobrinhas, Steffane e Vitória, pelo sorriso e carinho;
Às funcionárias da Biblioteca do Câmpus de Guaratinguetá, pela dedicação,
presteza e, principalmente, pela vontade de ajudar. Em especial, à funcionária Ana
Maria Ramos Antunes pelos livros encomendados e emprestados de outras
Universidades;
Às secretárias da Pós-graduação, Cristina, Regina, Juliana e Elisa, e ao
secretário, Sidney, pela dedicação e alegria no atendimento;
À WEG S/A, pela gentileza de ter cedido os dados construtivos do motor
adquirido pela UNESP;
Aos funcionários da fábrica de máquinas Bemfica LTDA, Guaraci Antônio
Leite, Luis Geraldo Souza e Silva, Rogério, Ernane, Sebastião Lili, João Mário,
Edmundo, Hélio, Jhones, Paulo César Barbosa, pelo apoio nas adaptações realizadas
na oficina da fábrica. Sem a especial ajuda deles não teria construído o protótipo;
Ao Sebastião Lili, pelos desenhos. Sempre esteve pronto a colaborar sem
hesitação;
Ao amigo Guaraci Antonio Leite, pelas instruções e pela construção do
protótipo. Seus conselhos fizeram a diferença;
Ao Rogério, pela usinagem, fresamento e seu empenho em fazer o melhor;
Ao Geraldo Luis Silva e Souza, pelo apoio no projeto mecânico;
Ao Paulo César Barbosa, pelo auxílio na compra dos materiais;
Ao Prof. Carlos Y. Shigue, pelo empréstimo do medidor de remanência do
DEMAR – USP – Câmpus Lorena;
Ao Carlinhos, funcionário da Universidade Severino Sombra, pela ajuda;
Ao Prof. Falconi, pelas traduções;
Ao amigo e companheiro de viagem para a Universidade, Prof. José Thomaz de
Carvalho, pelos conselhos;
À fábrica de máquinas Bemfica LTDA, especialmente ao engenheiro Carlo
Costa, pela colaboração na liberação, no horário de trabalho, a fim de que eu pudesse
fazer o Programa de Pós-Graduação, bem como à sua esposa Celeste, pelas palavras
atenciosas.
"Uma palavra bem pronunciada pode economizar
não só cem palavras, mas também cem
pensamentos." (Henri Poincaré)
"Feliz aquele que transfere o que sabe e aprende o
que ensina." (Cora Coralina)
ALMEIDA, JOSÉ LEANDRO C. N. Proposta de uma Metodologia para obtenção
de um Gerador Síncrono com Rotor de Ímãs Permanentes Inclinados Axialmente
para Microcentrais Elétricas a partir de Motor de Indução. 2010. 106 f. Tese
(Doutorado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Câmpus de
Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2010.
RESUMO
As máquinas síncronas de ímãs permanentes têm a vantagem de não consumir
energia para a criação do campo magnético no rotor. O propósito específico desta Tese
é o projeto, a construção e a avaliação de uma máquina com grande número de polos,
de enrolamentos concentrados, com ímãs permanentes inseridos no interior do rotor,
com duas formas geométricas diferentes: um com ímãs alinhados e a outra com ímãs
inclinados axialmente. As justificativas para este estudo foram a possibilidade de
eliminação de multiplicadores mecânicos de velocidade e sistemas auxiliares de
excitação em centrais geradoras de energia.
O projeto usou um motor de indução trifásico com rotor gaiola de esquilo de
250W de 12 polos. Partindo dos próprios dados construtivos do estator, calculou-se a
densidade de fluxo magnético, especificando os ímãs permanentes de neodímio.
No desenvolvimento foi construído um novo rotor modular e simples.
Posteriormente, a máquina foi avaliada em laboratório com o objetivo de verificar a
quantidade e a qualidade da energia com a máquina atuando como gerador.
Por último, os resultados encontrados na avaliação da máquina funcionando como
gerador com ímãs alinhados revelaram distorção harmônica total (DHT) 16%,
capacidade de geração 475W a 221V – 60Hz e como aspecto desfavorável o alto
torque de travamento. Com ímãs inclinados, DHT de 7 a 8%, capacidade de geração
de 236W a 195V – 60Hz e baixo torque de travamento.
Este trabalho mostra que os ímãs inclinados modularmente são uma opção de
máquinas elétricas com satisfatório desempenho da máquina como gerador de energia
com razoável qualidade no contexto de geração distribuída de pequena potência. Além
das condições técnicas têm-se o baixo custo e a manutenção reduzida do gerador com
ímãs inclinados em relação aos geradores síncronos convencionais.
PALAVRAS-CHAVE: Máquina síncrona de ímãs permanentes, inclinação dos ímãs
permanentes, método analítico.
ALMEIDA, JOSÉ LEANDRO C. N. Proposal of a Methodology for the
Development of a Synchronous Generator with Skewed Permanent Magnets
Rotor for Micro Electrical Powerplants. 2010. 106 f. Thesis (Doctorate in
Mechanical Engineering) - Faculdade de Engenharia do Câmpus de Guaratinguetá,
Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2010.
ABSTRACT
Synchronous machines of permanent magnets present the advantage of no power
consumption for the creation of the magnetic field in the rotor. The specific purpose of
this thesis is the project, its construction and the evaluation of a multi-pole of
concentrated coils with permanent magnets inserted in the rotor by two different
geometrical forms: aligned and skewed magnets. The vindications for this study were
the possibility of eliminating both the mechanical speed reducers and the excitation
energy systems in electrical powerplants.
The project used a three-phase induction motor (squirrel cage rotor type) of
250W and 12 poles. Starting from the original stator constructive data, we proceeded
the calculi of the magnetic flux density to determine the remanent flux of the
neodymium permanent magnets.
In the development of the work, a new simple and modular rotor was constructed.
Subsequently, the machine was evaluated in a laboratory with the purpose of checking
the quantity and quality of energy produced operating as a generator.
The results obtained in the evaluation of the motor operating as a generator
equipped with aligned magnets were 16% of total harmonic distortion (THD), with a
generating capacity of 475W at 221V – 60 Hz, though with an adverse aspect of
needing a high inertial torque (cogging torque). The machine working with skewed
magnets produced 7 and 8% of total harmonic distortion (THD), with a generating
capacity of 236W at 195V – 60 Hz and a low cogging torque.
This work demonstrated that the modular skewed magnet is an option of
electrical machines presenting satisfactory performance as a generator with a
reasonable quality in the context of small distributed power generation. Besides the
technical conditions, it should also be considered the low cost and reduced
maintenance of skewed magnets in relation to the conventional synchronous
generators.
KEYWORDS: Electrical machine, skewed permanent magnet machine, neodymium
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Configurações para a redução do torque de travamento com (a) inclinação
dos ímãs (b) diferentes comprimento de arco de circunferência dos ímãs (c)
geometria do dente da ranhura do estator (d) desvio rotacional dos ímãs
permanentes – Fonte: Bianchi (2002) .................................................................26
Figura 2 – Construção modular do rotor com ímãs na superfície – Fonte: Elosegui et al
(2007).................................................................................................................27
Figura 3 – Classificação básica das máquinas de ímãs permanentes – Fonte: Gieras et
al (1997); Hendershot e Miller (1994) ................................................................33
Figura 4 – Vista em corte dos ímãs permanentes na superfície do rotor – Fonte: Gieras
et al, 1997 e Hendershot e Miller (1994).............................................................34
Figura 5 – Vista em corte transversal dos ímãs permanentes no interior do rotor Fonte:
Gieras et al (1997)..............................................................................................35
Figura 6 – Vista em corte transversal dos ímãs permanentes embutidos no interior do
rotor – distribuído simetricamente – Fonte: Gieras et al (1997) ..........................35
Figura 7 – Vista em corte transversal dos ímãs permanentes embutidos no interior do
rotor – distribuído assimetricamente – Fonte: Gieras et al (1997) .......................36
Figura 8 – Curva de magnetização: (1) laço de histerese, (2) curva original...............37
Figura 9 – Rotor de polos salientes de um motor de relutância – Fonte: Ferraz (2002)
...........................................................................................................................41
Figura 10 – Torque resultante para máquinas síncronas de polos salientes com X
d
> X
q
...........................................................................................................................41
Figura 11 – Bobinado de passo inteiro (a) e bobinado de passo fracionário (b) ..........42
Figura 12 – Rotor com os ímãs inclinados .................................................................44
Figura 13 – Fluxograma para a especificação dos ímãs..............................................45
Figura 14 – Vista do estator e do rotor de 12 polos ....................................................46
Figura 15 – Vista planificada do esquema de enrolamento do motor de 12 polos.......47
Figura 16 – Curva de magnetização típica do neodímio e seu ponto de operação.......53
Figura 17 – Lacuna (entreferro) entre o estator e os ímãs do rotor..............................54
Figura 18 – Distribuição dos 12 polos de ímãs no rotor..............................................57
Figura 19 – Rotor com os ímãs fixados com inclinação axial.....................................59
Figura 20 – Relação dos números de módulos com o torque de travamento – Fonte:
Bianchi (2002)....................................................................................................61
Figura 21 – Perdas no ferro para diversos tipos de aço para fins elétricos (Perda
anômala “Pa”, Perda por correntes parasitas “Pp”, Perda por histerese “Ph”) –
Fonte: Landgraf (2008).......................................................................................63
Figura 22 – Projeto detalhado do eixo........................................................................64
Figura 23 – Desenho dos blocos do rotor sobre o eixo ...............................................65
Figura 24 – Eixo e rotor usinados ..............................................................................65
Figura 25 – Fresa em marcha (vista lateral e radial)...................................................66
Figura 26 – Rotor com os canais alinhados ................................................................66
Figura 27 – Rotor com os canais inclinados ...............................................................67
Figura 28 – Processo de fixação dos ímãs nos blocos.................................................67
Figura 29 – Verificação do sentido de magnetização com a bússola...........................67
Figura 30 – Blocos prontos ........................................................................................68
Figura 31 – Protótipo com os ímãs alinhados.............................................................68
Figura 32 – Protótipo com os ímãs inclinados............................................................68
Figura 33 – Montagem da bancada de teste do laboratório de máquinas elétricas.......70
Figura 34 – Rotação versus tensão: sem carga para ímãs alinhados............................71
Figura 35 – Formas de onda das tensões nas três fases do gerador com ímãs alinhados
sem carga ...........................................................................................................72
Figura 36 – Formas de onda das tensões nas três fases do gerador com ímãs alinhados
com carga de 475W............................................................................................73
Figura 37 – Rotação versus tensão: sem carga para ímãs inclinados...........................73
Figura 38 – Formas das ondas das tensões do gerador com ímãs inclinados com
fechamento das bobinas em triângulo sem carga.................................................74
Figura 39 – Formas das ondas das tensões e correntes do gerador com ímãs inclinados
com carga e com bobinas fechadas em triângulo.................................................74
Figura 40 – Formas das ondas das tensões do gerador com ímãs inclinados com
fechamento das bobinas em estrela sem carga.....................................................75
Figura 41 – Formas das ondas das tensões e correntes do gerador com ímãs inclinados
com carga e com bobinas fechadas em estrela ....................................................75
Figura 42 – Curva tensão versus fator de potência do gerador com rotor de ímãs.......78
Figura 43 – Análise comparativa entre as etapas com retorno de investimento por valor
presente líquido ..................................................................................................84
Figura 44 – Aparelho Lakeshore 421 – Fonte: Manual gaussmeter Lakeshore 421 ....95
Figura 45 – Ponta de prova – Fonte: Manual gaussmeter Lakeshore 421 ...................95
Figura 46 – Simuladora de cargas na ponta do eixo do motor ....................................97
Figura 47 – Torque versus corrente............................................................................99
Figura 48 – Rendimento versus torque.......................................................................99
Figura 49 – Fator de potência versus torque.............................................................100
Figura 50 – Curva extrapolada com torque constante (rotor com ímãs inclinados)...102
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Propriedades básicas dos principais ímãs e do aço silício .........................37
Tabela 2 – Especificações técnicas do motor .............................................................46
Tabela 3 – Especificações do enrolamento do estator.................................................47
Tabela 4 – Cálculo da densidade de fluxo do estator por polo e por fase....................48
Tabela 5 – Especificações dos ímãs de neodímio .......................................................52
Tabela 6 – Determinação do entreferro ......................................................................55
Tabela 7 – Variação do entreferro sobre os ímãs........................................................56
Tabela 8 – Comparação entre ângulos de inclinação dos ímãs....................................60
Tabela 9 – Número de períodos da onda de torque de travamento..............................62
Tabela 10 – Ensaio do gerador com os ímãs alinhados e com carga ...........................72
Tabela 11 – Ensaio do gerador com os ímãs inclinados sob carga em triângulo .........76
Tabela 12 – Ensaio do gerador com carga resistiva em triângulo ...............................77
Tabela 13 – Ensaio do gerador com carga indutiva em triângulo................................77
Tabela 14 – Ensaio do gerador com carga capacitiva em triângulo.............................78
Tabela 15 – Custo de fabricação do protótipo ............................................................80
Tabela 16 – Custo dos geradores síncronos e sistemas auxiliares ...............................81
Tabela 17 – Receita anual pela energia gerada e o retorno de investimento................82
Tabela 18 – Retorno de investimento pela análise por valor presente líquido.............83
Tabela 19 – Faixas de ajustes e medição do campo magnético pelo aparelho Lakeshore
...........................................................................................................................96
Tabela 20 – Resultado do ensaio do motor com rotor gaiola de esquilo ...................101
Tabela 21 – Resultado do ensaio do motor com rotor com ímãs inclinados..............101
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CA -
Corrente alternada
Br -
Remanência
cv -
Cavalo-vapor
CC -
Corrente contínua
Hc -
Força coercitiva
PC -
Coeficiente de permeância
PM -
Ímã permanente
VPL -
Valor presente líquido
UNESP -
Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”
IEE -
Instituto de Eletrotécnica e Energia
UFF -
Universidade Federal Fluminense
USP -
Universidade de São Paulo
ONS -
Operador Nacional do Sistema
SIN -
Sistema Interligado Nacional
PWM -
Modulação por largura de pulsos
IEEE -
Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos
DHT -
Distorção harmônica total
LISTA DE SÍMBOLOS
Ag Área do corte transversal por polo do entreferro m²
Am Área do corte transversal por polo do ímã m²
Be Remanência ou Indução magnética do estator
Wb/m²
Bm Remanência ou Indução magnética do ímãs
Wb/m²
Cm Comprimento total dos ímã por polo m
Cɸ Fator de fluxo concentrado adimensional
Dint est Diâmetro interno do estator m
e Espessura do ímã m
E
A
Tensão induzida pelo fluxo de excitação do rotor V
f Frequência Hz
fd Fator de distribuição adimensional
fe Fator de enrolamento ou passo adimensional
FP Fator de potência adimensional
g Entreferro adimensional
ferro
g
Entreferro entre o estator e as bordas de ferro do rotor m
Hc Força Coercitiva A/m
I Corrente A
n Rotação rpm
Nf Número de espiras por fase adimensional
Nt Número de espiras totais adimensional
Ng Número de espiras por grupo adimensional
L Comprimento do estator m
Lint est Comprimento interno do estator m
Lm Largura do ímã m
p Polos adimensional
P Potência W
q Número de ranhuras por polo por fase adimensional
Q Ranhuras do estator adimensional
R
A
Resistência de armadura
Ω
rp Passo polar em número de ranhuras m
Td Torque resultante N.m
Tdrel Torque de relutância N.m
Tdsyn Torque fundamental N.m
Te Temperatura de trabalho do ímã ºC
φ
V
Tensão aplicada aos terminais da máquina V
X
d
Reatância de eixo direto
Ω
X
q
Reatância de eixo em quadratura
Ω
Yp Passo polar m
LISTA DE SÍMBOLOS – LETRAS GREGAS
α
Coeficiente do arco polar adimensional
β Passo das ranhuras adimensional
ɳ Rendimento adimensional
m
ω
Velocidade angular rad/s
δ Ângulo de carga graus
Φ Densidade de fluxo do estator por polo por fase Wb
m
Φ
Densidade de fluxo por polo do ímã Wb
ρ
Resistividade Ω.m
inclinação
θ
Ângulo de inclinação dos blocos dos ímãs graus
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................24
1.1 BREVE HISTÓRICO DAS MÁQUINAS ELÉTRICAS DE ÍMÃS
PERMANENTES ..................................................................................................24
1.2 MOTIVAÇÃO .................................................................................................27
1.3 JUSTIFICATIVAS...........................................................................................28
1.4 OBJETIVO DA PESQUISA.............................................................................29
1.4.1 Objetivo geral ............................................................................................29
1.4.2 Objetivo específico ....................................................................................29
1.5 ESTRUTURA DA TESE..................................................................................29
2. CONCEITOS PRELIMINARES DE MÁQUINAS ELÉTRICAS....................31
2.1 O ESTADO DA ARTE: AS MÁQUINAS DE ÍMÃS PERMANENTES ...........31
2.1.1 A classificação básica das máquinas de ímãs permanentes.........................32
2.1.2 As máquinas síncronas de ímãs permanentes .............................................34
2.1.2.1 Superfície............................................................................................34
2.1.2.2 Interior ................................................................................................34
2.1.2.3 Ímã oculto no rotor simetricamente .....................................................35
2.1.2.4 Ímã oculto no rotor assimetricamente ..................................................35
2.1.3 Aplicações .................................................................................................36
2.2 MATERIAIS MAGNÉTICOS..........................................................................36
2.2.1 Conceitos básicos sobre magnetismo .........................................................36
2.2.2 As ferritas ..................................................................................................38
2.2.3 O neodímio................................................................................................38
2.2.4 O alnico .....................................................................................................39
2.2.5 O samário-cobalto......................................................................................39
2.3 EFEITOS INDESEJÁVEIS NA TENSÃO E NO TORQUE PRODUZIDOS NAS
MÁQUINAS SÍNCRONAS ...................................................................................39
2.3.1 A teoria das duas reatâncias de eixo direto e em quadratura .......................39
2.3.2 O efeito do enrolamento sobre a tensão e o torque .....................................42
2.3.3 O efeito da inclinação dos ímãs para a redução dos harmônicos na tensão e
no torque de travamento .....................................................................................43
3. METODOLOGIA PARA O PROJETO E A CONSTRUÇÃO DA MÁQUINA
SÍNCRONA DE ÍMÃS PERMANENTES NO INTERIOR DO ROTOR ............44
3.1 CONDIÇÃO INICIAL PARA O PROJETO .....................................................44
3.2 DESENVOLVIMENTO DO MÉTODO PARA O PROJETO...........................46
3.2.1 Cálculos da densidade de fluxo do estator..................................................48
3.2.2 Determinação das dimensões e do tipo de ímãs permanentes .....................51
3.2.3 Entreferro ..................................................................................................54
3.2.4 O ângulo de inclinação...............................................................................56
3.3 A CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO...............................................................62
3.3.1 Escolha do material para o rotor.................................................................62
3.3.2 Usinagem, fresamento e fixação dos ímãs no rotor.....................................63
3.3.2.1 Confecção do eixo...............................................................................63
3.3.2.2 Confecção dos blocos que constituem o suporte dos ímãs no rotor ......65
3.3.2.3 Abertura dos canais para a fixação dos ímãs no tambor do rotor..........66
3.3.2.4 Deslocamento angular dos canais ........................................................66
3.3.2.5 Fixação dos ímãs .................................................................................67
3.3.2.6 Montagem ...........................................................................................68
4. AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DO PROTÓTIPO.......................................69
4.1 A MÁQUINA FUNCIONANDO COMO GERADOR......................................69
4.1.1 Ensaios como gerador................................................................................69
4.1.2 Os materiais para ensaio como gerador ......................................................70
4.1.3 Levantamento dos dados experimentais do gerador....................................70
4.1.3.1 Gerador com ímãs alinhados ...............................................................71
4.1.3.2 Gerador com ímãs inclinados ..............................................................73
4.1.3.3 A análise do gerador com ímãs inclinados para cargas lineares e não-
lineares sob o aspecto de regulação de tensão..................................................76
4.1.4 Resultados obtidos com o gerador..............................................................79
5. ANÁLISE ECONÔMICA DO PROTÓTIPO COM RELAÇÃO AOS
GERADORES SÍNCRONOS CONVENCIONAIS ...............................................80
5.1 O CUSTO ESTIMADO DO PROTÓTIPO E DOS OUTROS DOIS
GERADORES SÍNCRONOS.................................................................................80
5.2 A ENERGIA COMERCIALIZADA E O RETORNO DO INVESTIMENTO ...81
5.3 RESULTADOS DO RETORNO DE INVESTIMENTO...................................84
6. CONCLUSÕES....................................................................................................85
7. PESQUISAS FUTURAS......................................................................................87
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................88
APÊNDICE A – DOCUMENTO COM DADOS FORNECIDOS PELA WEG...94
APÊNDICE B – MEDIDOR DE REMANÊNCIA.................................................95
APÊNDICE C – ENSAIOS DO PROTÓTIPO COMO MOTOR.........................97
APÊNDICE D – ARTIGO E SEUS RESPECTIVOS ACEITES ........................104
24
1. INTRODUÇÃO
1.1 BREVE HISTÓRICO DAS MÁQUINAS ELÉTRICAS DE ÍMÃS
PERMANENTES
Os motores de indução com rotor gaiola de esquilo têm sido os mais populares
motores elétricos com um aumento expressivo ao longo do último século. Devido aos
recentes progressos no campo da eletrônica de potência, a sua aplicação a
acionamentos elétricos tem aumentado, possibilitando o uso desses motores em um
grande leque de velocidades mantendo boa eficiência. As principais vantagens dos
motores de indução de gaiola são: construção simples, fácil manutenção, sem
comutação no rotor por anéis e escovas, preço baixo e alta confiabilidade.
Sob alguns aspectos o uso de máquinas de corrente alternada de ímãs
permanentes tornou-se uma opção mais atraente do que máquinas de indução e os
preços desses ímãs de terras raras também estão caindo, beneficiando a sua
popularidade (GIERAS et al, 1997). Os ímãs permanentes de terras raras podem, não
apenas, melhorar o desempenho, mas também a razão entre a potência de saída e o
tamanho físico, o desempenho dinâmico, a redução nas perdas no ferro, o aumento no
fator de potência e a confiabilidade (CHABBAN, 1994).
A utilização de ímãs permanentes na construção de máquinas elétricas traz os
seguintes benefícios:
• não é absorvida energia elétrica para a criação do campo magnético, assim, não há
perdas por excitação, o que significa aumento substancial na eficiência;
• maior torque ou potência de saída por volume do que quando se usam máquinas
síncronas convencionais com excitação independente;
• simplificação da construção e da manutenção;
• redução de preços para alguns tipos de máquinas.
As máquinas de ímãs permanentes têm crescente popularidade graças a uma
progressão de geometrias e projetos inovadores (STUMBERGER et al, 2006;
25
STUMBERGER et al, 2007; ENOKIZONO et al, 2007). Essas máquinas têm-se
mostrado mais adequadas para o controle de posição, geração de energia para
pequenas centrais descentralizadas, motores de alto rendimento aplicados em unidades
industriais devido à sua excelente capacidade dinâmica, redução das perdas e alta
relação torque/peso (HANITSCH, 1989). Os progressos registrados no domínio dos
novos materiais magnéticos reincentivaram um grande desenvolvimento das máquinas
síncronas a ímãs permanentes. Com os modernos materiais à base de terras raras, entre
os quais se destacam os de samário-cobalto e os de neodímio-ferro-boro, o fluxo de
excitação pode ser criado com grande coercitividade, através de magnetos com
dimensão pequena. O elevado custo inicial dos ímãs permanentes de neodímio é um
fator crucial na sua aplicação, mas pode ser ressarcido rapidamente em função do seu
alto rendimento, levando-se em conta a economia de energia (ALNAEMI et al, 2006).
Jahns (1996) apresenta uma revisão no tipo de acionamento e técnicas na
fabricação de motores de ímãs permanentes para a mitigação do torque pulsante,
flutuações de torque e torque de travamento
1
e é relatada uma tendência no uso de
formas de onda trapezoidal para o acionamento de motores com os ímãs permanentes
dispostos sobre a superfície do rotor com os enrolamentos concentrados e no uso da
forma de onda senoidal para enrolamentos distribuídos, finalmente, indicam-se as
técnicas de fabricação como a melhor solução, sempre que possível, para a eliminação
de torques indesejáveis, ao invés de depender do tipo de acionamento. Recentemente,
os enrolamentos concentrados estão em evidência devido a menor perda no cobre e
tamanho reduzido em comparação aos enrolamentos distribuídos (YAMADA, 2007).
Com relação a inclinação das barras de alumínio para os motores de indução com
rotor gaiola de esquilo atuando como geradores, com excitação através de capacitores,
Sawetsakulanond (2007) analisa a influência da variação do ângulo de inclinação das
barras da gaiola de esquilo com 0º, 5º e 10º sobre os parâmetros elétricos em ensaios
experimentais, respectivamente, 9%, 4,7% e 3,9% de distorção harmônica total (DHT)
na forma de onda gerada sem carga, esses resultados demonstram que inclinando-se as
barras de alumínio ocorre a redução do índice de DHT de tensão.
1
Torque de travamento – Traduzido da língua inglesa de cogging torque, este fenômeno é semelhante ao eixo
travado de um motor de passo.
26
Na máquina de ímãs permanentes distribuídos na superfície do rotor, Islam et al
(2009) faz a correlação entre o efeito da combinação entre as ranhuras e os números de
polos do rotor versus o ângulo de inclinação dos blocos de ímãs. O ótimo ângulo de
inclinação dos ímãs permanentes, em formato de arco, é calculado segundo fórmulas
analíticas (BIANCHI, 2002) e a construção, feita pelo fatiamento do rotor em três
partes iguais, com o objetivo de facilitar a fabricação, sem interferir no desempenho.
As análises, em elementos finitos, abordaram outras três técnicas para a mitigação do
torque de travamento, sendo realizada a construção de quatro diferentes configurações
contemplando além do ângulo de inclinação axial dos ímãs permanentes, diferentes
comprimento de arco de circunferência para ímãs inseridos na superfície do mesmo
rotor, a geometria do dente da ranhura do estator, e o desvio rotacional dos ímãs
permanentes sobre a superfície do rotor ocasionando um efeito similar à inclinação,
conforme Figura 1.
Figura 1 – Configurações para a redução do torque de travamento com (a) inclinação
dos ímãs (b) diferentes comprimento de arco de circunferência dos ímãs (c) geometria
do dente da ranhura do estator (d) desvio rotacional dos ímãs permanentes – Fonte:
Bianchi (2002)
27
A Figura 2 apresenta uma máquina síncrona de relutância com ímãs permanentes
de neodímio, colados na superfície do rotor de construção modular por intermédio do
fatiamento do rotor em três partes iguais, possibilitando a inclinação dos ímãs e a
redução do seu custo. Foi construído, portanto, um novo rotor, mantendo os dados
construtivos de estator de um motor assíncrono de quatro polos e potência de 750W. O
método analítico, desenvolvido por Elosegui (2007), especifica os ímãs permanentes,
mas não é abordado o ângulo de inclinação dos ímãs permanentes.
Figura 2 – Construção modular do rotor com ímãs na superfície – Fonte: Elosegui et al
(2007)
Os resultados satisfatórios de Bianchi (2002) e Elosegui (2007), sinalizam a
possibilidade para o desenvolvimento de um modelo analítico para a especificação dos
ímãs permanentes retangulares, abrangendo a técnica de inclinação axial dos ímãs
permanentes, com boa probabilidade de sucesso.
1.2 MOTIVAÇÃO
De acordo com trabalho realizado anteriormente (ALMEIDA, 2007) no qual se
fez avaliação do desempenho de uma microcentral hidrelétrica do Centro de Energias
Renováveis, no câmpus da UNESP em Guaratinguetá, os resultados revelaram uma
capacidade de geração de energia de boa qualidade, menores, contudo, 2,7 a 3,7 vezes
do que os cálculos teóricos previam. Concluiu-se que o problema é justificado pelo
fato do baixo rendimento da turbina, do gerador e do acoplamento por polias e correias
entre a turbina Pelton e o gerador. Esse último equipamento é confeccionado
28
artesanalmente com seu rotor de ímãs permanentes de ferrita, sendo uma máquina de
baixo rendimento.
Segundo Guo et al (2001), os pequenos motores elétricos monofásicos de
corrente alternada de ímãs permanentes aplicados em acionamentos domésticos, em
geral, apresentam baixa eficiência entre 30 e 50 %, e seus estudos apresentam uma
máquina de alto desempenho com os custos de manufatura reduzidos, isto leva a crer
que existe a possibilidade de se desenvolver um gerador melhor do que foi utilizado
nos estudos anteriormente. Nesse contexto, os estudos motivaram o desenvolvimento
de um gerador de bom rendimento e boa relação potência/peso, com o objetivo geral
do aumento da capacidade de geração das microcentrais hidrelétricas onde se tenham
pequenos potenciais tais como pequenas quedas ou baixa vazão d’água em riachos.
Podendo-se estender o uso deste tipo de máquina em diversas outras aplicações, tais
como parques eólicos de pequeno porte e grupos geradores com motores a combustão.
1.3 JUSTIFICATIVAS
O estudo consistirá na obtenção de um gerador síncrono de 12 polos a partir de
um motor de indução trifásico com rotor gaiola de esquilo e para tal é construído um
novo rotor com ímãs permanentes.
A aplicação do gerador com grande número de pólos permitirá a eliminação do
multiplicador de rotação para o acoplamento entre a turbina e o gerador, com a
intenção de aumentar o rendimento global nas micro centrais hidrelétricas e nas
estações de geração de energia eólica.
Os geradores de rotor com ímãs permanentes têm um fluxo magnético fixo,
constante e sem escovas, portanto, sua escolha é justificada pela eliminação dos
sistemas de excitação e consequentemente a redução na manutenção. Segundo
Eskander (2002) um outro benefício adquirido pelo uso dos geradores de rotor com
ímãs permanentes é o custo adequado para a sua aquisição.
29
1.4 OBJETIVO DA PESQUISA
1.4.1 Objetivo geral
O objetivo geral consistirá em converter um motor de indução trifásico gaiola de
esquilo, 12 polos e 250W (⅓ CV), numa máquina síncrona com um novo rotor
recoberto com ímãs permanentes de neodímio.
1.4.2 Objetivo específico
Primeiramente apresentar uma revisão sobre máquinas de ímãs permanentes,
principalmente as máquinas síncronas de ímãs permanentes. Posteriormente, os
formulários e a metodologia para a realização do projeto de modificação do motor de
indução trifásico. É dada atenção especial para a construção do protótipo como os
materiais usados e a tecnologia aplicada para facilitar a montagem. Por último, o
protótipo é avaliado experimentalmente no laboratório e é feita uma análise econômica
preliminar do empreendimento.
Pretende-se realizar um projeto (método analítico) sem auxílio de ferramentas
computacionais avançadas, e a construção simplificada e modular com duas formas
geométricas para o rotor, um com blocos de ímãs permanentes alinhados e outro com
os blocos de ímãs inclinados axialmente.
Com a configuração descrita, almeja-se identificar e quantificar a influência da
inclinação dos ímãs inseridos no interior do rotor para enrolamentos concentrados
numa máquina com grande número de polos.
1.5 ESTRUTURA DA TESE
O objetivo do capítulo 2 é apresentar uma revisão bibliográfica sobre máquinas
de ímãs permanentes. Esses fundamentos revisam os conceitos sobre as máquinas
síncronas de ímãs permanentes, e apresentam uma abordagem geral sobre máquinas de
ímãs permanentes como classificação, configurações, tipos de máquinas, descrição dos
30
tipos de máquinas síncronas e aplicações. O capítulo também apresenta os materiais
magnéticos mais usados em máquinas elétricas como ferrita, neodímio, alnico e
samário-cobalto. Por último, faz-se uma introdução sobre os efeitos indesejáveis na
tensão e no torque, produzidos nas máquinas síncronas, advindos da forma construtiva
do tambor do rotor e do tipo de enrolamento empregado no estator.
O capítulo 3 divide-se no projeto e na construção do protótipo. No projeto, toda a
metodologia é apresentada com formulários analíticos, citações, delimitações,
gráficos, tabelas e as razões técnicas pelas quais foram decididos os caminhos pela
escolha da construção de duas configurações para rotores com ímãs permanentes com
fluxo radial, inseridos no interior e com os blocos de ímãs alinhados e inclinados
axialmente. É apresentado o processo de fabricação do protótipo. O procedimento
aplicado visa estender a construção dessa máquina, no futuro, em larga escala e a
custos adequados para os empreendedores.
O capítulo 4 trata da avaliação experimental do protótipo em laboratório. Na
avaliação do protótipo atuando como gerador, realizaram-se ensaios dinâmicos e
estáticos, descrevendo o procedimento de avaliação e os materiais utilizados para cada
etapa. Sobre a máquina atuando como gerador analisou-se a qualidade e a quantidade
da energia gerada, com os blocos de ímãs alinhados e inclinados, medições do nível de
distorções harmônicas sem e com cargas lineares e não-lineares, nos fechamentos das
bobinas em estrela e em triângulo.
O capítulo 5 destina-se à avaliação econômica para viabilizar a fabricação do
protótipo com os materiais, a mão de obra e o retorno de investimento pela energia
gerada em relação a outros dois geradores síncronos convencionais de diferentes
fabricantes. Por fim, apresenta-se a conclusão no capítulo 6 e propostas para pesquisas
futuras no capítulo 7.
31
2. CONCEITOS PRELIMINARES DE MÁQUINAS ELÉTRICAS
2.1 O ESTADO DA ARTE: AS MÁQUINAS DE ÍMÃS PERMANENTES
As aplicações das máquinas síncronas de ímãs permanentes estão aumentando
exponencialmente devido à redução significativa no custo dos materiais magnéticos e
à descoberta de novos materiais com melhores características (ELOSEGUI, 2007),
como o neodímio, o alnico e o samário-cobalto. Nos geradores de energia elétrica, a
excitação por intermédio de ímãs permanentes tem sido usada em substituição à
excitação em corrente contínua (CC), através de escovas, com o propósito de redução
de custos e aumento da vida útil.
Os principais tipos de máquinas com ímãs permanentes são os motores de passo,
as máquinas síncronas e as máquinas de corrente contínua. As diversas configurações
de máquina apresentam grande variedade de orientação do fluxo magnético e
dependem do tipo de ímã permanente, ímãs permanentes inseridos no rotor ou estator,
trifásico, bifásico ou monofásico e ampla faixa de rotação (KALOKIRIS et al, 2007).
Os ímãs inseridos no rotor apresentam diferentes geometrias com ímãs fixados na
superfície e ou no interior do tambor do rotor, com fluxo magnético radial ou axial,
com ímãs de formato curvilíneo, reto ou inclinado, e até mesmo com ímãs distribuídos
simétrica ou assimetricamente no tambor do rotor.
As máquinas de ímãs permanentes encontram ampla gama de aplicações em
diversos domínios, tais como os equipamentos domésticos, automóveis, transporte,
equipamento aeronáutico, ferramentas elétricas, brinquedos, equipamentos de som e
equipamentos de saúde que vão de potências desde microwatts até megawatts (COEY,
2002).
Apesar de serem muito promissoras, essas máquinas têm apresentado muitos
desafios para chegar a seu estágio atual, em termos de custos, ondulação de torque,
ruído, vibrações e a redução da confiabilidade devido ao grande número de
componentes (HWANG et al, 2004).
32
Neste capítulo faz-se uma revisão da literatura sobre máquinas de ímãs
permanentes. Serão discutidos os quatro principais ímãs, as diversas aplicações e as
razões para a escolha das máquinas de ímãs permanentes, uma breve teoria sobre
magnetismo e uma introdução sobre os efeitos indesejáveis na tensão e no torque
produzidos nas máquinas síncronas.
2.1.1 A classificação básica das máquinas de ímãs permanentes
A Figura 3 apresenta a distribuição das configurações para os três principais tipos
de máquinas de ímãs permanentes (GIERAS et al, 1997; HENDERSHOT e MILLER,
1994):
• motores de passo;
• motores de corrente contínua;
• máquinas síncronas de corrente alternada.
Dentre as configurações, a Figura 3 tem o intuito de situar a configuração
proposta pelo estudo no universo tecnológico das máquinas de ímãs permanentes que é
de uma máquina síncrona de ímãs permanentes, radial e com os ímãs alojados no
interior do tambor do rotor.
O universo tecnológico das máquinas de ímãs permanentes apresentam diferentes
configurações e não só variam quanto a forma construtiva, mas também com o tipo de
acionamento aplicado. Em muitos casos, a escolha pela configuração depende do tipo
de aplicação.
Salienta-se o fato de que os motores de passo de relutância não podem ser
classificados como máquinas de ímãs permanentes. Sobretudo, sua apresentação é para
a complementação de todas as categorias dos motores de passo e, principalmente um
entendimento mais aprimorado do motor híbrido, que é um misto das duas
configurações.
Figura 3 – Classificação básica das máquinas de ímãs permanentes – Fonte: Gieras et al (1997); Hendershot e Miller (1994)
33
34
2.1.2 As máquinas síncronas de ímãs permanentes
As máquinas síncronas de ímãs permanentes são a proposta do estudo. Então,
dar-se-á especial atenção as formas geométricas com que os ímãs são dispostos no
rotor. Assim, não serão abordadas outras configurações da Figura 3, máquinas CC e
motores de passo.
2.1.2.1 Superfície
Os ímãs na superfície do rotor são magnetizados radial ou circularmente,
apresentados na Figura 4. Em geral, os ímãs na superfície recobrem toda a
circunferência dos rotores e tais ímãs possuem forma geométrica cilíndrica. As
reatâncias síncronas de eixo direto e de eixo em quadratura são praticamente iguais e
constantes.
Figura 4 – Vista em corte dos ímãs permanentes na superfície do rotor – Fonte: Gieras
et al, 1997 e Hendershot e Miller (1994)
2.1.2.2 Interior
Os ímãs inseridos no corpo externo do rotor chamam-se interior e são
magnetizados radialmente e seus polos são alternados, conforme Figura 5. A reatância
síncrona em eixo direto, em alguns casos, é menor do que no eixo em quadratura. O
ímã está muito bem protegido contra forças centrífugas. Essa é uma concepção
recomendável para motores de alta velocidade. Em geral, a tensão induzida por esse
35
tipo de configuração é inferior à dos ímãs na superfície dos rotores. O rotor poderá ser
construído de aço silício laminado ou aço rígido (GIERAS et al, 1997).
Figura 5 – Vista em corte transversal dos ímãs permanentes no interior do rotor Fonte:
Gieras et al (1997)
2.1.2.3 Ímã oculto no rotor simetricamente
Os ímãs são fixados profundamente no interior do rotor, distribuídos de forma
simétrica com fluxo axial ou radial em relação ao eixo do rotor, conforme a Figura 6.
No tipo de configuração com fluxo axial, o fluxo magnético por polo é estabilizado
por duas peças de ímãs, obtendo-se um fluxo resultante na direção radial (CHABU et
al, 2005).
Figura 6 – Vista em corte transversal dos ímãs permanentes embutidos no interior do
rotor – distribuído simetricamente – Fonte: Gieras et al (1997)
2.1.2.4 Ímã oculto no rotor assimetricamente
Os ímãs são localizados profundamente no interior do rotor, distribuídos de forma
assimétrica, conforme a Figura 7.
36
Figura 7 – Vista em corte transversal dos ímãs permanentes embutidos no interior do
rotor – distribuído assimetricamente – Fonte: Gieras et al (1997)
2.1.3 Aplicações
As máquinas de ímãs permanentes cobrem uma grande variedade de aplicações
(COEY, 2002 e LESTER, 1986), a partir de motores de passo para relógios,
equipamentos para uso residencial, acionamentos periféricos em veículos, ferramentas
para unidades industriais, grandes motores síncronos e geração distribuída.
É preciso compreender o tipo de aplicação para a correta seleção do tipo de
máquina e sua forma construtiva. Dependendo das particularidades da aplicação,
citam-se o torque alto ou baixo, velocidade baixa, média ou alta, precisão, movimentos
repetitivos, variações bruscas da carga e faixa de potência. Em geral, para todas as
aplicações são necessários alta confiabilidade, alto rendimento, tamanho da máquina,
relação custo e benefício adequado, além de manter a qualidade dos processos e
serviços.
2.2 MATERIAIS MAGNÉTICOS
2.2.1 Conceitos básicos sobre magnetismo
A curva de magnetização típica de um material ferromagnético é apresentada pela
Figura 8. Os conceitos básicos são relatados e por fim é apresentada a Tabela 1,
comparando os quatro principais ímãs permanentes e o aço silício.
37
Figura 8 – Curva de magnetização: (1) laço de histerese, (2) curva original
Os parâmetros importantes para os materiais magnéticos são: a remanência (Br)
que é a indução magnética que se conserva no corpo magnetizado, depois de anulada a
intensidade do campo aplicado, a força coercitiva (Hc) que é a intensidade de campo
que tem de ser aplicada para a desmagnetização de um material magnético e a
temperatura de curie (ºC) que é a temperatura na qual o domínio magnético é
destruído, isto é, a temperatura de desmagnetização.
Tabela 1 – Propriedades básicas dos principais ímãs e do aço silício
Propriedades Unidades
Ferritas
anisotrópicas
Neodímio Alnico
Samário-
cobalto Aço silício
Remanência (Br) Tesla 0,35 a 0,43 1,0 a 1,3 0,6 a 1,35 0,7 a 1,05 1,75 a 1,95
Força Coercitiva (Hc) kA/m 180 a 400 800 a 1900
40 a 130 800 a 1500 < 0,05
Resistividade (
ρ
)
µΩcm > 10.000 150 47 86 25 a 45
Temperatura máxima
de trabalho ºC 400 80 a 200 500 a 550 250 a 350 -
Temperatura de curie ºC 450 310 a 350 850 700 a 800 -
Massa especifica kg/m³ 4900 7400 7300 8200 7650
Fonte: Hendershot e Miller (1994); Acesita (2010); Fitzgerald (2006)
38
2.2.2 As ferritas
As ferritas de bário e estrôncio foram desenvolvidas com maior intensidade na
década de 1950. Os ímãs de ferritas são também chamados de ímãs cerâmicos. A
ferrita tem maior força coercitiva do que os ímãs de alnico, mas, ao mesmo tempo, tem
menor remanência magnética, coeficientes de temperatura relativamente elevados, ou
seja, o coeficiente de temperatura Br é 0,20%/°C e o coeficiente de temperatura Hc é
de 0,27%/°C. A temperatura máxima de serviço é de 400 °C. As principais vantagens
das ferritas são o baixo custo e a alta resistência elétrica, significando menores perdas
por volume de ímã. Os ímãs de ferrita são mais econômicos em motores de potência
fracionária e podem mostrar uma vantagem econômica sobre alnico em pequenas
potências. As ferritas de bário são comumente usadas em pequenos motores CC para
automóveis (ventiladores, limpadores de pára-brisas e bombas) e brinquedos elétricos.
As ferritas de estrôncio têm maior força coercitiva do que ferritas de bário (GIERAS et
al, 1997).
2.2.3 O neodímio
Com a descoberta de uma segunda geração de ímãs de neodímio (Nd) tem sido
alcançado um progresso no que diz respeito à redução dos custos. O Nd é muito mais
abundante do que elemento de terras raras samário (Sm). Ímãs de neodímio-ferro-boro
(NdFeB), que são atualmente produzidas em quantidades cada vez maiores, têm
melhores propriedades magnéticas do que os ímãs de samário-cobalto (SmCo), mas
infelizmente não resistem às altas temperaturas. A curva de desmagnetização,
especialmente a força coerciva, é fortemente dependente da temperatura. O coeficiente
de temperatura de Br é de 0,095 a 0,15%/°C e o coeficiente de temperatura de Hc é de
0,40 para 0,70%/°C. A máxima temperatura de serviço é de 80 a 200°C e temperatura
de Curie é 310 °C. O NdFeB, em geral, é suscetível à corrosão.
As últimas séries dos ímãs de NdFeB têm melhor estabilidade térmica e
oferecem melhor resistência à corrosão. A resina ou revestimento metálico também
são empregados para ajudar a proteção dos ímãs em ambientes agressivos.
39
2.2.4 O alnico
Os ímãs de alnico são constituídos de alumínio, níquel, cobalto e ferro. As
principais vantagens do alnico são a sua elevada remanência magnética e os baixos
coeficientes de temperatura. O coeficiente de temperatura de Br é de 0,02%/°C e a
temperatura máxima de serviço é de 550 °C. A força coercitiva é muito baixa,
portanto, é muito fácil não só para magnetizar, mas também para desmagnetizar o
alnico. O alnico foi recentemente utilizado em máquinas de corrente contínua do tipo
disco com entreferro relativamente grande. Os ímãs de alnico são resistentes à
corrosão e têm sido utilizados, em geral, em pequenos motores como os
tacogeradores. Os ímãs de alnico dominaram a indústria desde meados dos anos 1940
até 1970 (GIERAS et al, 1997).
2.2.5 O samário-cobalto
A primeira geração das ligas de terras-raras é baseada na composição de samário
(Sm) e cobalto (Co), foi produzida comercialmente no início dos anos 1970. Os ímãs
de SmCo têm a vantagem de possuir altos valores de remanência magnética, elevada
força coercitiva e baixo coeficiente de temperatura. O coeficiente de temperatura da
Br é de 0,03 a 0,045%/°C e o coeficiente de temperatura do Hc é de 0,14 a 0,40%/°C.
A temperatura máxima de serviço é de 250 a 350 °C. É bem adequado para a
construção de motores com baixo volume e, consequentemente, alta potência. O custo
é o único inconveniente, pois, o samário e o cobalto, são relativamente caros.
2.3 EFEITOS INDESEJÁVEIS NA TENSÃO E NO TORQUE PRODUZIDOS NAS
MÁQUINAS SÍNCRONAS
2.3.1 A teoria das duas reatâncias de eixo direto e em quadratura
A existência das reatâncias de eixo direto (X
d
) e em quadratura (X
q
) tem
influência no torque e na tensão gerada da máquina síncrona. A equação (1) é a
40
fórmula analítica que representa está influência no torque e a equação (2) na tensão
gerada (CHAPMAN, 1999), quando X
d
é diferente de X
q
.
(1)
(2)
sendo,
Td = Torque resultante [N.m]
E
A
= Tensão induzida pelo fluxo de excitação do rotor (sem a reação da armadura) [V]
φ
V
= Tensão aplicada aos terminais da máquina [V]
m
ω
= Rotação [rad/s]
δ = Ângulo de carga entre
φ
V
e E
A
, varia de 0° ≤ δ ≤ 180° (posicionamento do rotor
em relação ao campo girante) [graus elétricos]
X
d
= Reatância de eixo direto [Ω]
X
q
= Reatância de eixo em quadratura [Ω]
R
A
= Resistência da armadura [Ω]
I
A
= Corrente da armadura [A]
I
d
= Corrente da reatância de eixo direto [A]
I
q
= Corrente da reatância de eixo em quadratura [A]
As reatâncias de eixo direto (X
d
) e em quadratura (X
q
) estão relacionadas à forma
construtiva do rotor das máquinas síncronas, podendo ser rotores de polos salientes e
polos cilíndricos (lisos ou não-salientes). De um modo geral, os rotores de polos
cilíndricos têm os valores das reatâncias iguais e constantes, como por exemplo, as
máquinas de ímãs permanentes inseridos na superfície do rotor, conforme a Figura 4.
Já os rotores de polos salientes têm como exemplos os geradores síncronos de grande
porte e os motores de relutância. Esses, por sua vez, têm uma saliência, ou melhor, um
espaço físico entre os polos chamados de interpolar, conforme a Figura 9.
δ
ω
δ
ω
φφ
2sen
2
3
sen
3
2
−
+=
qd
qd
mdm
A
d
XX
XXV
X
EV
T
)( qqddAAA IXIXIREV
+
+
−
=
φ
41
Uma grandeza de eixo direto é uma grandeza cujo efeito magnetizante está
centrado nos eixos dos polos do campo e uma grandeza de eixo em quadratura é
quando o efeito magnético está centrado no espaço interpolar, isto é, posiçao do
rotor onde ocorre um aumento do entreferro (FITZGERALD, 2006).
Figura 9 – Rotor de polos salientes de um motor de relutância – Fonte: Ferraz (2002)
A Figura 10 exemplifica a forma de onda de torque em relação ao ângulo de
carga resultante (3), de acordo com a interação da forma de onda de torque
fundamental (1), no centro dos polos “eixo direto”, com a forma de onda de torque de
relutância (2) de segunda ordem, proveniente da composição da saliência dos polos
“eixo em quadratura” e uma contribuição parcial e pequena dos polos.
Figura 10 – Torque resultante para máquinas síncronas de polos salientes com X
d
> X
q
Fonte: Chapman (1999)
42
Os efeitos destas ondas resultantes dos polos salientes, criadas devido aos altos
valores de relutância, produzem um torque resultante maior e distorções harmônicas
na tensão gerada.
Se X
d
for igual a X
q
a equação (1) reduz-se para a equação (3), onde
dsyn
T
é o
torque fundamental.
(3)
A equação (4) representa o torque de relutância
drel
T
.
(4)
A equação (1) é resultante da soma das equações (3) e (4).
2.3.2 O efeito do enrolamento sobre a tensão e o torque
Os enrolamentos das máquinas síncronas classificam-se em concentrados e em
distribuídos.
Quando o número de ranhuras por fase e por polo for unitário diz-se que o
enrolamento é concentrado, mas quando o número de ranhuras for maior do que um,
então, o enrolamento é considerado distribuído. Os enrolamentos distribuídos podem
apresentar bobinados de passo inteiro ou de passo fracionário, conforme Figura 11.
Figura 11 – Bobinado de passo inteiro (a) e bobinado de passo fracionário (b)
δ
ω
φ
sen
3
dm
A
dsyn
X
EV
T =
δ
ω
φ
2sen
2
3
2
−
=
qd
qd
m
drel
XX
XXV
T
43
O bobinado de passo inteiro é determinado quando um lado de uma bobina está
sob o centro de um polo norte e o outro lado dessa bobina está em posição equivalente
sob o centro de um polo sul adjacente. O passo polar ou vão de cada bobina é de 180º
elétricos. Neste tipo de bobinamento, os lados da bobina de qualquer ranhura
pertencem à mesma fase e a direção da corrente tem o mesmo sentido, o que não
acontece nos casos de enrolamentos com passo fracionários.
No bobinado fracionário a distância entre os dois lados da mesma bobina é
menor (ou maior) do que um passo inteiro, portanto, a bobina ocupa um espaço polar
menor (ou maior) do que 180º elétricos. Este efeito de se distribuir e fracionar o
enrolamento em muitas ranhuras permite projeta-lo de modo a reduzir os harmônicos
ímpares na forma de onda da tensão gerada e seus efeitos indesejáveis.
2.3.3 O efeito da inclinação dos ímãs para a redução dos harmônicos na tensão e no
torque de travamento
As formas de se atenuar os efeitos harmônicos na tensão gerada e da influência
pela diferença entre X
d
e X
q
no torque produzido, são inclinar as ranhuras do estator
ou do rotor, modificar a geometria do dente da ranhura do estator, aumentar a relação
entre as ranhuras e o número de polos e redistribuir os enrolamentos do estator.
No estudo deste trabalho, aplica-se a técnica de inclinação axial dos ímãs
permanentes no tambor do rotor, mantendo as características do enrolamento
concentrado, acarretando aproximadamente numa igualdade entre os valores X
d
e X
q
,
consequentemente minimizando os efeitos indesejáveis na tensão e nos torques, ao
mesmo tempo em que se obtém um efeito equivalente ao fracionamento e distribuição
das espiras.
44
3. METODOLOGIA PARA O PROJETO E A CONSTRUÇÃO DA
MÁQUINA SÍNCRONA DE ÍMÃS PERMANENTES NO INTERIOR
DO ROTOR
3.1 CONDIÇÃO INICIAL PARA O PROJETO
A máquina síncrona com ímãs permanentes no interior do rotor foi projetada a
partir de um motor de indução trifásico com rotor gaiola de esquilo. Utiliza-se o
mesmo estator e, assim, projeta-se o rotor com ímãs permanentes que tenham a mesma
densidade de fluxo magnético por polo e por fase que o estator.
Este capítulo relata o método analítico usado para a especificação dos ímãs
contemplando suas dimensões, tipo de ímã, número de polos, sentido de magnetização
e forma construtiva do rotor.
O rotor é construído com possibilidade de montar modularmente duas formas
geométricas: uma com os blocos de ímãs de neodímio alinhados e outra com os blocos
inclinados em relação ao eixo conforme a Figura 12.
Figura 12 – Rotor com os ímãs inclinados
No final do capítulo são apresentadas todas as etapas de fabricação, desde a
especificação dos tipos de materiais usados até os detalhes de usinagem.
45
O fluxograma da Figura 13 apresenta todas as etapas a serem seguidas para a
correta especificação dos ímãs.
Figura 13 – Fluxograma para a especificação dos ímãs
magnetização
Início
Levantamento dos dados
do enrolamento do estator
Cálculo da área do ímã
S =
φ
/ B
Largura
do ímã
Remanência (B)
magnética do ímã
Tipo de
Ímã
Cálculo do fluxo magnético do
ímã
φ
M
(
φ
E
=
φ
M
)
φ
M
= B x S
Definição da
espessura do ímã (e)
Cálculo do entreferro (g)
A espessura do ímã
satisfaz ao entreferro
Ímã
especificado “
Tipo,
dimensões
e sentido de magnetização”
Fim
Cálculo da densidade de
Fluxo por polo
do estator
φ
E
Comprimento do ímã é constante.
Igual ao comprimento do rotor
Não
Sim
Não
Sim
Ângulo de Inclinação
dos blocos de ímãs
46
3.2 DESENVOLVIMENTO DO MÉTODO PARA O PROJETO
O projeto baseia-se no desenvolvimento do método e sua imediata aplicação para
a transformação do motor de indução trifásico com rotor gaiola de esquilo, fornecido
pela empresa WEG, fabricante de motores elétricos, apresentado na Figura 14, e suas
características técnicas constituem os dados das Tabelas 2 e 3 e a Figura 15.
Há duas possibilidades para o projeto, um modo é determinar os ímãs com base
nos dados construtivos do estator e o outro é especificar, primeiramente, os ímãs do
rotor para posteriormente recalcular os enrolamentos do estator e os demais dados
construtivos (TEIXEIRA, 2006).
Figura 14 – Vista do estator e do rotor de 12 polos
Tabela 2 – Especificações técnicas do motor
Dados de placa do motor de indução Símbolos
Valores Unidade
Potência P 250 W
Carcaça 90L
Rotação n 560 rpm
Número de polos p 12
Rendimento ɳ 0,41
Fator de Potência cos Φ 0,43
Tensões V 220/380/440/760 V
Corrente nominal I 3,72/2,15/1,86/ - A
Fonte: WEG (2008)
47
Tabela 3 – Especificações do enrolamento do estator
Dados construtivos do enrolamento Símbolos
Valores Unidade
Número de espiras por fase Nf 1176
Número de espiras por grupo (bobinas) 196
Diâmetro do fio 0,35 mm
Número de ranhuras do estator Q 36 ranhuras
Diâmetro interno do estator Dint est 92,5 mm
Comprimento interno do estator Lint est 120 mm
Passo da bobina 3 ranhuras
Grupos por fase 6
Bobinas por grupos 1
Ligação Série
Número de fases m 3
Fonte: WEG (2008)
A Figura 15 apresenta as ligações do enrolamento concentrado do estator do
protótipo para a configuração 12 polos. O fio azul que vai da ranhura 1 para a ranhura
4 é a representação planificada de uma bobina, determinando desse modo o passo
polar, assim a cada três ranhuras inicia-se ou termina uma bobina.
Figura 15 – Vista planificada do esquema de enrolamento do motor de 12 polos
Fonte: WEG (2008)
48
Segundo Kosow (1996), os enrolamentos concentrados têm inúmeras
desvantagens em virtude do uso ineficiente de toda a periferia interna do núcleo do
estator e torna-se, então, necessário o uso de ranhuras extremamente profundas onde
os enrolamentos estão concentrados, aumentando a dispersão e a reatância do estator.
Finalmente, um fator favorável é a baixa relação ferro-cobre. Por fim, os enrolamentos
distribuídos reduzem os harmônicos, pois distribuem eficientemente as ranhuras em
volta da periferia interna do estator (CISTELECAN, 2007).
3.2.1 Cálculos da densidade de fluxo do estator
De acordo com os dados relativos à construção do bobinamento do estator, foi
calculada a densidade de fluxo por polo e por fase. Apresenta-se na Tabela 4, o valor
da densidade que é importante para a especificação das dimensões e do tipo de ímã
que constituirá o rotor.
Tabela 4 – Cálculo da densidade de fluxo do estator por polo e por fase
Principais Cálculos Símbolos Valores Unidade
Densidade de fluxo do estator por polo por fase Φ 70232,4 linhas
Passo polar Yp 2,42 cm
Remanência magnética do estator Be 3797 linhas/cm²
Fator de distribuição fd 1
Fator de enrolamento ou passo fe 1
Número de espiras por fase Nf 1176
Número de espiras totais Nt 3528
Número de espiras por grupo Ng 3
Tensão aplicada a cada base do
bobinamento do estator
V 220 V
Número de ranhuras por polo por fase q 1
Passo das ranhuras β 60º E
Passo polar em número de ranhuras rp 3
49
A densidade de fluxo do estator por polo e por fase (MUÑOZ, 1987) foi
calculada pelas equações (5) e (6).
(5)
(6)
Sendo,
Φ
= densidade de fluxo do estator por polo por fase [linhas]
pY = passo polar [cm]
estL int
= comprimento interno do estator [cm]
eB
= remanência magnética do estator [linhas/cm²]
estD int
= diâmetro interno estator [cm]
p
= número de polos
Segundo Muñoz (1987), a remanência magnética do estator (
eB
) varia entre 3000
a 6000 linhas por cm², mas geralmente para cálculos, adotam-se 4500 linhas por cm².
De acordo com a fabricante de motores WEG, a remanência inicial é de 5000 linhas
por cm².
Os cálculos para a densidade de fluxo pela equação (5) foram corrigidos e
verificados, de acordo com Muñoz (1987), pelas equações (7), (8) e (9).
(7)
(8)
Sendo,
V = tensão [V]
df
= fator de distribuição
=
2
180
sen
0
ef
eestp BLY int
2
=Φ
π
=
p
D
Y
est
p
π
int
=Φ
fe
d
Nff
fV
8
44,4
10
50
ef
= fator de enrolamento
f
= frequência [Hz]
fN = número de espiras por fase
O ângulo de 180º elétricos na fórmula do fator de enrolamento é admitido quando
o passo da bobina for igual ao passo polar em número de ranhuras.
(9)
As equações (10), (11) e (12) complementam a equação (9).
(10)
(11)
(12)
Sendo,
q
= número de ranhuras por polo por fase
β
= passo da ranhura determinado em graus elétricos [ºE]
Q
= número de ranhura
m
= número de fases
p
= número de polos
p
r
= passo polar em número de ranhuras
p
Q
rp =
=
2
sen
2
sen
β
β
q
q
fd
pm
Q
q
=
pr
E 180
0
=
β
51
3.2.2 Determinação das dimensões e do tipo de ímãs permanentes
A equação (13) determina a densidade de fluxo magnético por polo do ímã (Φm) e
é a multiplicação entre a remanência magnética (Bm) e a área (S) do ímã. Neste
protótipo, admite-se a densidade de fluxo por polo e por fase do estator (Φ) com valor
igual à densidade de fluxo magnética por polo do ímã (Φm). Deste modo, o projetista
deverá encontrar no comércio um ímã que atenda aos cálculos da equação (13).
(13)
A área é a medida da largura (Lm) pelo comprimento (Cm) total dos ímãs por polo,
conforme a equação (14). Neste tipo de projeto, o comprimento do ímã é a medida do
comprimento do pacote do rotor que é um valor pré-fixado. Foi preciso determinar
somente a largura do ímã e a remanência magnética.
(14)
A remanência magnética do ímã (Bm) é um valor dado pelo fornecedor que
dependerá do seu tipo, de suas dimensões e da temperatura de trabalho.
O projetista optará entre os ímãs permanentes de neodímio ou de ferrita. A ferrita
é a opção economicamente mais vantajosa, porém tais ímãs possuem baixos valores de
remanência. Os ímãs permanentes de alnico e samário-cobalto não são para este tipo
de projeto por apresentarem maiores custos.
A largura do ímã terá de respeitar o passo polar (Yp). Indica-se inicialmente que a
largura do ímã não ultrapasse 70% do passo polar em virtude da fixação destes ímãs
no rotor. É necessária uma parede de mínima de ferro (bordas) entre os ímãs para que
resistam às forças centrífugas.
Posteriormente, é verificado se a espessura do ímã atenderá aos critérios do
entreferro, visto com mais detalhes no próximo tópico.
Para o projeto, definiu-se o tipo de ímã e suas dimensões, descritos na Tabela 5.
m
m
B
S
Φ
=
mm CLS
=
52
Tabela 5 – Especificações dos ímãs de neodímio
Definições dos ímãs de neodímio N35 Símbolos
Valores
Unidade
Comprimento Cm 19 mm
Largura Lm 14 mm
Espessura e 5 mm
Remanência magnética do ímã Bm 3300 gauss
Sentido de magnetização radial
Temperatura máxima Te 80 ºC
O ímã escolhido foi o neodímio visto que a ferrita não atenderia, pois suas
dimensões ultrapassariam o passo polar, porque a remanência é baixa, em geral até
1500 gauss e obtendo-se um valor de densidade de fluxo bem abaixo da exigência. Os
ímãs de neodímio possuem uma cobertura de níquel. Para proteção contra a corrosão.
Para atender ao comprimento do pacote do rotor de 120 mm foram escolhidos 6 peças
com o comprimento de 19 mm. Desse modo facilitou-se a montagem, principalmente
para a confecção dos blocos de ímãs em ângulo.
O ímã escolhido teve sua remanência média de 3300 gauss, devidamente medidos
com um gaussmeter LAKESHORE 421, resultando num fluxo de aproximadamente
55000 linhas, menor do que o ideal. Contudo, durante as medições observou-se que,
nas extremidades (bordas) do ímã, a remanência apresentou valores com 60% (2000
gauss) da remanência média até 10 a 15% além da largura da peça (1,4 a 2 mm).
Admitindo essas observações nos cálculos de fluxo tem-se uma elevação para 63000
linhas, resultando numa tensão gerada de cerca de 200 V.
Foram realizadas três medições em cada ponto, sendo nove os pontos distribuídos
simetricamente sobre os polos norte e sul. Notou-se, também, que a remanência na
periferia é maior (em torno de 20%) do que no centro da peça.
A correta especificação do ímã, mediante os cálculos, seria um ímã com
remanência média de 4000 gauss, definindo-se assim um ímã de neodímio N42;
portanto, de valor maior que o ímã N35 e também com custo superior. O protótipo é
construído com o ímã N35 em virtude da relação custo e benefício. A letra N significa
a máxima temperatura de operação e as dezenas seguintes determinam a remanência;
pode-se encontrar as letras M, H, precedidas de SH, UH, EH em temperaturas
máximas de trabalho de 80, 100, 120, 150, 180 e 200 ºC.
53
Outro modo de se determinar a remanência do ímã é pela curva de magnetização,
quando não se tem disponível aparelho de medição apropriada. A Figura 16 apresenta
a curva de magnetização típica do ímã de neodímio.
Figura 16 – Curva de magnetização típica do neodímio e seu ponto de operação
Fonte: IMAG (2008)
A Figura 16 tem o objetivo de explicar a redução da remanência devido à
diferença entre os valores do ponto de operação de funcionamento e a remanência
ideal. A interseção da curva de magnetização com a reta de carga determina o ponto de
operação do ímã, onde ocorre a máxima remanência magnética, portanto, com valor
menor do que a remanência ideal. De um modo geral, este valor menor é justificado
levando-se em conta a temperatura de trabalho, o tipo de ímã, o coeficiente de
permeância e sua aplicação. A curva de magnetização varia em função da temperatura
e a reta de carga é traçada do ponto de origem até o valor do coeficiente de permeância
determinado para o projeto, portanto, a reta de carga varia em função do coeficiente de
permeância.
54
Nos projetos de motores, o valor típico do coeficiente de permeância (PC) é de
10, com variação de 5 a 15 (HENDERSHOT e MILLER, 1994). Segundo Hwang et al
(2008), esse coeficiente é de 8,4 para motores de baixa rotação; com variação de 4 a
20. O coeficiente de permeância é referente ao produto BxH.
3.2.3 Entreferro
O entreferro (g) é a lacuna entre o estator e o tambor do rotor (nos ímãs e nas
bordas de aço entre os ímãs), mostrado na Figura 17. Os valores de entreferro,
apresentados na Figura 17, serão usados na construção do protótipo e estão de acordo
com o método analítico, apresentado a seguir com maiores detalhes.
Figura 17 – Lacuna (entreferro) entre o estator e os ímãs do rotor
Segundo Gieras et al (1997) a relação entre o entreferro e a espessura do ímã
deverá ser menor que 10%, ou seja, g/e ˂ 0,1, para configurações retangulares dos
polos dos ímãs.
55
Os valores calculados apresentados pela Tabela 6 são para a especificação do
máximo entreferro admissível, segundo os formulários apresentados por Hwang et al
(2002) e Hwang et al (2008).
Tabela 6 – Determinação do entreferro
Dados Símbolos
Valores
Unidade
Espessura do ímã e 5 mm
Coeficiente de permeância PC 8,4
Largura do ímã Lm 14 mm
Diâmetro interno do estator Dint est 92,5 mm
Número de polos p 12
Passo polar Yp 24,2 mm
Calculados
Entreferro máximo admissível g 0,81 mm
Fator de fluxo concentrado Cɸ 0,72
Área do corte transversal por polo do ímã Am 70 mm²
Área do corte transversal por polo do entreferro
Ag 96,01 mm²
Coeficiente do arco polar
α
0,79
De acordo com Hwang et al (2002), Hanselman (2006), Gieras et al (1997) e
Hwang et al (2008) o entreferro máximo admissível é calculado, segundo as equações
(15), (16), (17), (18) e (19).
(15)
No qual o fator de fluxo concentrado (Cɸ),
(16)
Sendo Ag e Am, respectivamente, as áreas de corte transversal por polo do
entreferro e do ímã,
(17)
(18)
g
m
A
A
C =Φ
Φ
=
C
PC
e
g
eLA mm
=
p
eD
A
est
g
π
α
int
=
56
Sendo
α
chamado de coeficiente do arco polar é definido como sendo a razão
entre o arco do polo (bp) e o passo polar (Yp). De acordo com Gieras et al (1997) este
coeficiente varia de 0,55 a 0,75.
(19)
A Figura 17 apresenta uma variação do entreferro ao longo de toda a
circunferência do tambor do rotor. O entreferro na borda do rotor (superfície de aço) é
de 0,25 mm e constante, mas sobre os ímãs esse entreferro é variável, conforme Tabela
7. Nota-se que, inicialmente, nas extremidades destes ímãs é 0,25mm e aumenta
progressivamente até o valor máximo de 0,78 mm no centro do ímã. Analisando o
entreferro, os pontos de referência A, B, C e D são próximos e menores do que o valor
máximo admissível no entreferro, apresentados na Tabela 6.
Tabela 7 – Variação do entreferro sobre os ímãs
Pontos de referência Distâncias Entreferro
Unidade
A No centro do ímã, a 7 mm da borda 0,78 mm
B Afastamento de 4,7 mm da borda 0,72 mm
C Afastamento de 2,4 mm da borda 0,55 mm
D Borda (arco da circunferência do ferro)
0,25 mm
Segundo Hendershot e Miller (1994), o entreferro para micromotores, usados em
computadores, está compreendido entre 0,13 a 0,25 mm; motores pequenos, tais como
tacogeradores e pequenos servomotores, de 0,38 a 0,51 mm e motores brushless de
tamanho próximo ou superior ao protótipo possui faixa entre 0,64 a 0,89 mm.
3.2.4 O ângulo de inclinação
Os ímãs sobre o rotor foram dispostos formando 12 polos, conforme a Figura 18.
Foi construído o rotor com duas formas geométricas para comparação entre os blocos
de ímãs alinhados e inclinados axialmente.
p
p
p
p
Y
eY
Y
b
−
==
α
57
Pretende-se verificar com esta comparação a influência dos harmônicos nas
ranhuras sob a forma de onda de saída gerada numa máquina síncrona com grande
número de polos e com enrolamentos concentrados.
Figura 18 – Distribuição dos 12 polos de ímãs no rotor
Segundo Oliveira (2002) os harmônicos de ranhuras, provenientes da inadequada
distribuição das espiras dos enrolamentos, causam diversos problemas como induzir
harmônicos na tensão gerada em geradores de corrente alternada, produzir torques
parasitas que podem atuar sobre a curva de torque versus velocidade, introduzir
vibrações e ruídos; aumentar as perdas no núcleo introduzindo componentes de alta
frequência na tensão e a corrente.
Um procedimento para a redução dos harmônicos consiste na inclinação das
ranhuras do estator ou rotor da máquina (JAHNS, 1996). Este processo foi usado em
motores de indução, sendo as barras do rotor em gaiola de esquilo inclinadas em
58
relação às ranhuras do estator. Dessa forma, uma extremidade da barra se encontra sob
uma ranhura do estator e a outra extremidade sob a ranhura seguinte. Assim, cada
barra está submetida, ao longo de sua profundidade, à variação de relutância existente
entre ranhuras adjacentes (distância correspondente ao período elétrico da menor
frequência harmônica devido às ranhuras), cancelando seus componentes harmônicos.
O mesmo efeito é conseguido quando as ranhuras do estator são inclinadas. A escolha
entre a inclinação das ranhuras do estator ou das barras do rotor é feita em cima de
critérios de construção, obedecendo às condições disponíveis pelo fabricante para a
fabricação dessas máquinas.
Segundo Hendershot e Miller (1994), há três fatores que contribuem para a
redução das flutuações de torque para uma máquina atuando como motor, tais como a
distribuição dos enrolamentos do estator, o tipo da forma de onda do acionamento e a
geometria da máquina (inclinação das barras dos ímãs e o tipo dos dentes da ranhura
do estator).
Uma característica importante é o torque de travamento e pode ser compreendido
como o torque oscilatório causado pela tendência do rotor de alinhar-se com o estator,
num determinado sentido, onde o fluxo magnético dos ímãs é maximizado. O torque
de travamento ocorre mesmo quando não existe corrente circulando nos enrolamentos
do estator e pode ser reduzido com um alto valor de relação entre as ranhuras e os
polos, além de todos os fatores para a redução do torque flutuante (ISLAM et al,
2009).
A Figura 19 apresenta as barras de ímãs inclinadas sobre o rotor (vista parcial). A
inclinação deverá respeitar o critério de que a extremidade do último ímã tem que estar
na mesma direção que o início da extremidade oposta do próximo ímã, referente ao
outro polo, visto pela interseção entre polos. O ângulo da inclinação no projeto foi
uma consequência do critério estabelecido e não uma determinação. Uma nova escolha
no ângulo de inclinação, por determinação, obrigaria a uma nova especificação na
largura do ímã e logicamente em novos valores de remanência e espessura deste ímã.
Por sua vez, isso acarretaria um novo valor para o entreferro.
59
Figura 19 – Rotor com os ímãs fixados com inclinação axial
O ângulo de inclinação é calculado pela equação (20).
(20)
sendo,
inclinação
θ
= ângulo de inclinação dos blocos dos ímãs
mC
= comprimento total dos ímãs ou rotor
ferro
g
= entreferro entre o estator e as bordas de ferro do rotor
mL
= largura do ímã – faixa indicada – 0,1
pY
˂
mL
˂ 0,9
pY
pY
= passo polar
Substituindo-se os valores do protótipo,
estDint
= 92,5 mm,
ferro
g
= 0,25 mm,
p
=
12,
mL
= 0,1 mm e
mC
= 120 mm, na equação tem-se um ângulo de inclinação
máximo de aproximadamente 11º, considerando ímãs com largura extremamente
( )
−
−
=
m
mferroest
inclinação
C
L
p
gD
arctg
180
sen 2int
θ
60
pequena. No caso do protótipo, o ângulo escolhido de 5º representa metade do ângulo
máximo.
A Tabela 8 mostra dois valores de ângulos de inclinação comparados com o
ângulo escolhido para o projeto.
Tabela 8 – Comparação entre ângulos de inclinação dos ímãs
Ângulo de inclinação
dos ímãs (º)
inclinação
θ
3,7º
Escolhido
para o projeto
5º
7º
Especificações dos ímãs
de neodímio
Comprimento do ímã
Cm – (mm) 20 19 20
Largura do ímã – Lm – (mm)
16 14 9
Espessura do ímã – e – (mm)
8 5 5
Entreferro máximo
calculado – g – (mm) 0,96 0,81 1,2
Percentagem do
passo polar (%) 67 58 37
Remanência magnética
média – Bm – (gauss) 3300 3300 5000
Tensão gerada (V) 230 198 195
Aspectos favoráveis -
Custo de
aquisição do
imã razoável
Menor índice de DHT e
flutuações de torque
em relação aos outros ângulos
Aspectos desfavoráveis
Maior índice de DHT e
flutuações de torque
em relação aos outros ângulos.
Alto custo de aquisição do
imã em virtude dos altos
valores de sua dimensão
Baixa tensão
gerada
Alto custo de aquisição do imã
em virtude do alto valor de
remanência
Bianchi (2002) estabelece um critério para a determinação do melhor ângulo de
inclinação das barras de ímãs permanentes em formato de arco aplicados na superfície
do rotor. Suas fórmulas analíticas, equações (21) e (22), relacionam as ranhuras com o
número de polos na Tabela 9. Variações do número de fatiamentos dos blocos dos
ímãs em partes iguais determinam os módulos, apresentada pela Figura 20, variando
de 1 a 5, implicam na redução do torque de travamento com o aumento do número de
módulos.
61
Figura 20 – Relação dos números de módulos com o torque de travamento – Fonte:
Bianchi (2002)
(21)
(22)
sendo,
períodosN
= número de períodos da onda de torque
HCF = fator referente ao maior denominador comum entre Q e p
Q = número de ranhuras
p = número de polos
Aplicando os critérios estabelecidos (BIANCHI, 2002), o melhor ângulo de
inclinação dos ímãs é 3,33º (HCF = 4;
períodosN
=3) e um número de módulos maior do
que 5. Isto implica que o ângulo de projeto estabelecido está em concordância com os
critérios para ímãs inseridos na superfície, já que valores acima tendem a reduzir o
torque de travamento.
A Tabela 9 não abrange uma relação entre ranhuras e número de polos,
contemplando toda a faixa de motores comerciais. Então, foi preciso dividir por três,
tanto o número de polos quanto o número de ranhuras para encontrar na Tabela 9 um
denominador em comum (HCF) à forma construtiva do protótipo.
períodos
inclinação
NQ
360
0
θ
{ }
pQHCF
p
Nperíodos
,
=
62
Tabela 9 – Número de períodos da onda de torque de travamento
Número de polos (p) 2 2 2 2 4 4
4
8 8 8
Número de ranhuras (Q) 3 6 9 12 6 9
12
6 9 15
HCF 1 2 1 2 2 1
4
2 1 1
Nperíodos 2 1 2 1 2 4
1
4 8 8
Fonte: Bianchi (2002)
3.3 A CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO
Primeiramente foi construído o eixo com aço SAE 1045. Posteriormente, foram
usinados os blocos que foram fixados no eixo por intermédio de chavetas, evitando o
seu deslocamento rotacional. Também há porca e batente no eixo com aço 1045, com
o objetivo de neutralizar o deslocamento dos blocos axialmente. Por último, os canais
foram fresados com divisor para posterior colagem dos ímãs no interior do rotor.
3.3.1 Escolha do material para o rotor
O rotor foi fabricado em dois diferentes tipos de materiais sendo o eixo em aço
SAE 1045 e a parte do rotor que suporta os ímãs em aço SAE 1006 recozido.
O eixo é de material padrão aplicado em eixos de motores convencionais,
indicado para suportar esforços mecânicos.
O suporte dos ímãs do protótipo foi confeccionado em aço SAE 1006 recozido,
pela facilidade na construção, baixo custo e perdas no ferro razoável em relação ao
material usado para a fabricação do rotor gaiola de esquilo que é o aço silício.
O gráfico da Figura 21 justifica a escolha, pois apresenta uma comparação nos
diversos tipos de materiais em que são fabricados os motores elétricos e
transformadores. Esse gráfico relaciona as perdas, em W/kg, do aço SAE 1006 sem
recozimento (1006SR), aço SAE 1006 recozido (1006CR), aço silício com 0,5% de
silício (0,5%Si), aço silício com 2% de silício (2%Si), aço silício com 3% de silício
(3%Si) e aço silício com o grão orientado (GO).
O aço escolhido apresenta praticamente o mesmo valor de perdas por histerese
que o aço silício, usado em rotores gaiola de esquilo, porém apresentam perdas por
63
correntes parasitas muito maiores, todavia, o protótipo por se tratar de um rotor onde o
fluxo magnético é fixo e constante, gerado pelos próprios ímãs permanentes, as
correntes parasitas no rotor serão mínimas, consequentemente a influência das perdas
por correntes parasitas estão reduzidas.
Figura 21 – Perdas no ferro para diversos tipos de aço para fins elétricos (Perda
anômala “Pa”, Perda por correntes parasitas “Pp”, Perda por histerese “Ph”) – Fonte:
Landgraf (2008)
3.3.2 Usinagem, fresamento e fixação dos ímãs no rotor
O protótipo foi construído de forma a se aproveitar todo o conjunto (eixo, blocos
de aço SAE 1006 e os ímãs de neodímio), podendo ser usado tanto para os ímãs
alinhados, quanto para os ímãs inclinados, acarretando uma significativa economia de
tempo e de material. A seguir apresentam-se as etapas para a construção do protótipo.
3.3.2.1 Confecção do eixo
O eixo com aço SAE 1045, conforme ilustra a Figura 22, tem um batente e rosca
para fixação dos blocos, através de uma porca e arruela de trava. Os blocos de aço
SAE 1006 recozidos, que agruparão os ímãs, também terão rasgo de chaveta com um
rasgo para os ímãs alinhados e outro deslocado 180º para os ímãs inclinados.
64
Figura 22 – Projeto detalhado do eixo
64
65
3.3.2.2 Confecção dos blocos que constituem o suporte dos ímãs no rotor
Usinou-se o diâmetro externo do suporte dos ímãs, chamado também de tambor
do rotor, para 92 mm e comprimento com 120 mm. Cortou-se e dividiu-se o tambor
em seis partes com quatro partes com comprimento 19,3 mm e duas partes com
comprimento de 21,4 mm, apresentado pelas Figuras 23 e 24.
Figura 23 – Desenho dos blocos do rotor sobre o eixo
Figura 24 – Eixo e rotor usinados
66
3.3.2.3 Abertura dos canais para a fixação dos ímãs no tambor do rotor
Com os blocos montados sobre o eixo que foi fresado com a largura de 14 mm e
profundidade de 5 mm, para todo o comprimento dos blocos de aço SAE 1006
recozido, fresamento de acordo com as Figuras 19 e 25. O equipamento utilizado foi
uma fresa do tipo furadeira de topo.
Figura 25 – Fresa em marcha (vista lateral e radial)
3.3.2.4 Deslocamento angular dos canais
Após a abertura dos canais para fixação dos ímãs, apresentado pela Figura 26, os
blocos serão deslocados, cada bloco um em relação ao outro de 2 mm, para a
confecção do rotor com os ímãs inclinados, conforme a Figura 27.
Figura 26 – Rotor com os canais alinhados
67
Figura 27 – Rotor com os canais inclinados
3.3.2.5 Fixação dos ímãs
Colaram-se os ímãs nos blocos individuais. As faces norte e sul foram marcadas
com o auxílio de uma bússola e uma caneta marcadora. Usou-se resina epóxi para a
fixação dos ímãs e solvente para retirada do excesso de cola, utilizou-se
(tricloroetileno), o mesmo solvente foi usado para limpeza das superfícies de colagem.
As Figuras 28 e 29 ilustram o procedimento.
Figura 28 – Processo de fixação dos ímãs nos blocos
Figura 29 – Verificação do sentido de magnetização com a bússola
68
3.3.2.6 Montagem
A montagem dos seis blocos prontos, apresentado na Figura 30, foi realizada de
duas formas, uma, para os blocos de ímãs alinhados, apresentada na Figura 31, e a
outra, para os blocos de ímãs inclinados, mostrada na Figura 32.
Figura 30 – Blocos prontos
Figura 31 – Protótipo com os ímãs alinhados
Figura 32 – Protótipo com os ímãs inclinados
69
4. AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DO PROTÓTIPO
A avaliação do protótipo foi feita atuando como gerador, realizando ensaios
dinâmicos e estáticos (ALMEIDA, 2007; MARTIGNONI, 1987), descrevendo o
procedimento de avaliação e os materiais utilizados para cada etapa.
Foram analisadas e comparadas as máquinas síncronas de ímãs permanentes
montadas de duas formas com ímãs alinhados e com ímãs inclinados.
Os parâmetros que foram considerados para a análise e comparação entre os dois
modelos de geradores foram a quantidade e a qualidade da energia gerada e para isso
foram feitas medições do nível de distorções harmônicas, forma de onda, regulação de
tensão, sem e com cargas lineares e não-lineares.
4.1 A MÁQUINA FUNCIONANDO COMO GERADOR
4.1.1 Ensaios como gerador
A montagem dos equipamentos de medição e o protótipo a ser avaliado,
apresentados pela Figura 33, permitiram a análise do desempenho eletromecânico da
máquina atuando como gerador.
Os ensaios consistiram na utilização de um sistema para controlar a velocidade
do eixo do gerador a vazio, e com várias cargas, acopladas aos seus terminais.
Registraram-se corrente, tensão, frequência, potência ativa, velocidade, torque, fator
de potência e nível de distorções harmônicas da tensão (DHT).
70
Figura 33 – Montagem da bancada de teste do laboratório de máquinas elétricas
4.1.2 Os materiais para ensaio como gerador
As bancadas usadas para ensaios do protótipo estão localizadas no laboratório
LAMOTRIZ – ELETROBRAS do câmpus da UNESP – Guaratinguetá e foram
realizados ensaios complementares no laboratório de máquinas elétricas do Instituto de
Eletrotécnica e Energia (IEE) no câmpus da USP e no laboratório de máquinas
elétricas da Universidade Federal Fluminense no câmpus de Niterói. Nas bancadas da
UNESP e da UFF, acoplou-se o protótipo ao motor de 3CV, por intermédio de um
conversor de frequência variou a velocidade do conjunto. Usam-se também os
seguintes aparatos de medição e carregamento: analisador de energia (Yokogawa CW
240 e WT 1600), tacômetro, multímetros com medição True RMS, alicate
amperimétrico e painel simulador de cargas resistivas, indutivas e capacitivas.
4.1.3 Levantamento dos dados experimentais do gerador
Foram realizados os testes das duas configurações, dividindo-se em duas etapas:
sem carga e com carga.
71
Primeiramente, foi preciso realizar o ensaio sem carga com o objetivo de verificar
as condições iniciais para comparar posteriormente com a condição do gerador com
carga. As condições foram em que velocidade tem-se a frequência nominal e qual é o
comportamento do gerador. No ensaio, extrapola-se a rotação até 120% da rotação
síncrona.
Posteriormente, o teste com carga é realizado dentro de alguns limites. A
condição inicial é que os níveis de tensão e ou frequência ficam na faixa de ± 10% do
valor nominal, isto é, a faixa de tensão é de 200 a 240V e a faixa da frequência de 53 a
66Hz.
4.1.3.1 Gerador com ímãs alinhados
Foram realizados ensaios sem carga para levantamento da curva da Figura 34, no
qual têm-se na frequência nominal 60Hz, 600 rpm, 238 V e percentagem de distorção
harmônica total de 16%, com o fechamento das bobinas em triângulo. As formas de
onda das tensões nas três fases sem carga podem ser vistas na Figura 35, obtida via
analisador de energia Yokogawa CW 240 na frequência nominal.
0
100
200
300
400
500
600
700
10 41 67 95 118 144 167 193 220 238 250 262
Tensão (V)
Rotação (rpm)
Figura 34 – Rotação versus tensão: sem carga para ímãs alinhados
72
Figura 35 – Formas de onda das tensões nas três fases do gerador com ímãs alinhados
sem carga
A Tabela 10 apresenta o ensaio desta configuração, aplicando-se carga (lâmpadas
incandescentes).
Tabela 10 – Ensaio do gerador com os ímãs alinhados e com carga
Potência das
lâmpadas
Velocidade
(rpm)
Tensão
(V)
Frequência
(Hz)
Corrente
(A)
DHT
%
Potência
trifásica
elétrica (W)
0 624 248 63 0 15 - 17 0
60 610 237 62 0,48 15 - 16 197
100 603 231 61 0,78 16,2 312
160 592 221 60 1,24 16,7 475
200 583 215 59 1,51 16 - 18 562
260 573 205 58 1,93 16 - 18 685
300 518 180 52 2,22 16 - 20 692
Pode-se observar, pela Figura 36, que não houve diferença significativa entre as
formas de onda das tensões nas três fases com e sem carga.
73
Figura 36 – Formas de onda das tensões nas três fases do gerador com ímãs alinhados
com carga de 475W
4.1.3.2 Gerador com ímãs inclinados
Foi obtida a curva da Figura 37, onde se tem na frequência nominal 60Hz,
600rpm, 205V e percentagem de distorção harmônica total de 8% e 7%,
respectivamente, para o fechamento das bobinas em triângulo e estrela.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
16 65 104 136 164 183 205 224 248
Tensão (V)
Rotação (rpm)
Figura 37 – Rotação versus tensão: sem carga para ímãs inclinados
74
A mesma metodologia utilizada nos ensaios do gerador com ímãs alinhados foi
aplicada ao gerador com ímãs inclinados. Assim, as Figuras 38 e 39 apresentam as
formas de onda das tensões nas três fases sem e com carga, respectivamente, para o
fechamento das bobinas em triângulo. As formas de onda de maior amplitude das
Figuras 39 e 41 representam as três tensões e, as menores amplitudes são as formas de
onda da corrente. As Figuras 40 e 41 apresentam os resultados com o fechamento das
bobinas em estrela, respectivamente, sem e com carga.
Figura 38 – Formas das ondas das tensões do gerador com ímãs inclinados com
fechamento das bobinas em triângulo sem carga
Figura 39 – Formas das ondas das tensões e correntes do gerador com ímãs inclinados
com carga e com bobinas fechadas em triângulo
75
Figura 40 – Formas das ondas das tensões do gerador com ímãs inclinados com
fechamento das bobinas em estrela sem carga
Figura 41 – Formas das ondas das tensões e correntes do gerador com ímãs inclinados
com carga e com bobinas fechadas em estrela
A carga aplicada, nas Figuras 39 e 41, foi constituída de três lâmpadas de 100W
nominais para os dois tipos de fechamentos em triângulo e em estrela,
respectivamente, com tensão de fase em torno de 200V e 360V com a mesma potência
trifásica de 237W. A diferença entre os fechamentos foi a redução de 1% no nível de
distorção harmônica total para o fechamento em estrela
2
.
2
Segundo Hendershot e Miller, 1994 o fechamento das bobinas em estrela de motores e transformadores reduz o
nível de distorção harmônica em relação ao fechamento em delta.
76
A Tabela 11 apresenta o ensaio do gerador sob carga para os ímãs inclinados,
realizado nas mesmas condições do ensaio de ímãs alinhados, exceto ter sido realizado
um novo ensaio para se verificar qual a máxima potência elétrica suportável pelo
protótipo na frequência nominal.
Tabela 11 – Ensaio do gerador com os ímãs inclinados sob carga em triângulo
Velocidade Tensão Frequência Corrente DHT
Potência das
lâmpadas
(rpm) (V) (Hz) (A) %
Potência trifásica
elétrica (W)
0 706 245 72 0 19 - 45 0
60 697 235 71 0,46 20 - 40 187
100 691 228 69 0,76 11 - 38 300
160 684 217 69 1,2 21 - 40 451
200 677 209 68 1,48 14 - 28 536
260 669 198 67 1,89 11 - 19 648
300 665 185 66 2,23 7 - 12 715
Novo ensaio carga aplicada na frequência nominal
100 600 195 60 0,7 8 236
4.1.3.3 A análise do gerador com ímãs inclinados para cargas lineares e não-lineares
sob o aspecto de regulação de tensão
Estes novos ensaios foram realizados com três diferentes tipos de carga, resistiva,
indutiva e capacitiva, os resultados são apresentados nas Tabelas 12, 13 e 14
respectivamente. O ensaio consistiu em inserir as cargas aos terminais do gerador com
fechamento em triângulo, estas cargas foram ligadas em serie e em paralelo com o
propósito de se obter o desempenho do gerador com ímãs inclinados para diferentes
pontos. A bancada simuladora de carga tem resistores de 500 ohm (Ω) – 100W por
fase, indutores de 1,2 henry – 100W por fase e capacitores de 0,000015 faraday –
100W por fase.
A equação (23) apresenta a regulação de tensão em módulo
V
∆
.
(23)
o
oi
V
VV
V
−
=∆
77
sendo,
V
∆
= regulação de tensão [%]
iV
= tensão medida sob carga [V]
oV
= tensão em condição sem carga [V]
Tabela 12 – Ensaio do gerador com carga resistiva em triângulo
MEDIDOS CALCULADOS
Tipos de
ligação
Tensão
(V)
Corrente
(A)
Fator de
Potência
Resistência
(Ω)
DHT
(%)
Potência
trifásica
ativa
(W)
Potência
trifásica
reativa
(VAr)
Potência
trifásica
aparente
(VA)
Regulação
de tensão
(%)
Sem carga 200 8,2
Dois
resistores
em paralelo 189 0,66 1 250 6,3 215,8 0 215,8 5,5
Um resistor
192,5 0,61 1 500 8 203,1 0 203,1 3,75
Dois
resistores
em serie 193,2 0,3 1 1000 8,2 100,3 0 100,3 3,4
Três
resistores
em serie
195 0,19 1 1500 8 64,1 0 64,1 2,5
Tabela 13 – Ensaio do gerador com carga indutiva em triângulo
MEDIDOS CALCULADOS
Tipos de
ligação
Tensão
(V)
Corrente
(A)
Fator de
Potência
Indutor
(henry)
DHT
(%)
Potência
trifásica
ativa
(W)
Potência
trifásica
reativa
(VAr)
Potência
trifásica
aparente
(VA)
Regulação
de tensão
(%)
Sem carga 200 8,2
Dois
indutores
em paralelo 159 1,23 0,59 0,6 13 199,6 273,2 338,3 20,5
Um indutor
177 0,65 0,673 1,2 10,9
134,0 147,2 199,0 11,5
Dois
indutores
em serie 187 0,32 0,527 2,4 9,7 54,6 88,0 103,5 6,5
Três
indutores
em serie
190,6 0,23 0,595 3,6 9,3 45,1 61,0 75,8 4,7
78
Tabela 14 – Ensaio do gerador com carga capacitiva em triângulo
MEDIDOS CALCULADOS
Tipos de
ligação
Tensão
(V)
Corrente
(A)
Fator de
Potência
Capacitor
(faraday)
DHT
(%)
Potência
trifásica
ativa
(W)
Potência
trifásica
reativa
(VAr)
Potência
trifásica
aparente
(VA)
Regulação
de tensão
(%)
Sem carga 200 8,2
Dois
capacitores
em paralelo 235 1,53 0,638 0,00003 2 396,8 479,0 622,0 17,5
Um capacitor
218,4 0,71 0,483 0,000015 4 129,6 234,9 268,3 9,2
Dois
capacitores
em serie 207 0,41 0,471 0,0000075
20 69,2 129,5 146,8 3,5
Três
capacitores
em serie
203,8 0,29 0,53 0,000005 19,8 54,2 86,7 102,2 1,9
A Figura 42 apresenta um gráfico referente à curva tensão versus fator de
potência para quatro diferentes valores de carga resistiva, indutiva e capacitiva. Os
resultados das Tabelas 12, 13 e 14 e da Figura 42 afirmam que com a inserção de
cargas capacitivas ocorre um aumento gradual da tensão com relação ao aumento da
carga e justamente acontece o inverso para as cargas indutivas. Para as cargas
resistivas ocorre um moderado decréscimo da tensão com relação ao acréscimo de
carga.
Figura 42 – Curva tensão versus fator de potência do gerador com rotor de ímãs
79
4.1.4 Resultados obtidos com o gerador
As duas configurações foram feitas para avaliar o comportamento entre as
configurações propostas e a teoria. As análises têm o objetivo de especificar a
configuração de melhor desempenho, os pontos importantes e a discrepância entre os
resultados experimentais e a teoria.
Na configuração com os ímãs inclinados, os aspectos favoráveis são o baixo
torque de travamento na partida, nível de distorção harmônica reduzida (7 e 8% para
carga resistiva) no uso de enrolamentos concentrados e razoável regulação de tensão.
Segundo o ONS (2009), o requisito mínimo de DHT deverá ser menor do que 3% para
um gerador que será conectado ao sistema interligado nacional (SIN) e valores de
tensão compreendidos entre 90% e 110% da tensão nominal para o caso de operação
do gerador em regime de tensão não nominal e quando for exigido um ótimo controle
da tensão em regime permanente o índice permitido é ±0,5% da tensão nominal.
Então, pode-se dizer que toda a carga resistiva e boa parte das cargas capacitivas e
indutivas, estão dentro da faixa de ±10% da tensão nominal.
O principal aspecto desfavorável, na configuração com os ímãs inclinados, foi a
baixa capacidade de geração em relação à outra configuração, confirmando-se a teoria,
na qual o projeto revelava possivelmente uma capacidade de tensão gerada em torno
de 200V, em virtude da aplicação dos ímãs N35 de remanência inferior ao
especificado.
Os aspectos favoráveis para a configuração dos ímãs alinhados não foram
encontrados. Esta configuração tem um alto valor de torque de travamento na partida,
em torno de ±9,8 N.m, o que restringe a sua aplicação em microcentrais elétricas.
80
5. ANÁLISE ECONÔMICA DO PROTÓTIPO COM RELAÇÃO AOS
GERADORES SÍNCRONOS CONVENCIONAIS
A avaliação econômica visa à comparação do protótipo atuando como gerador de
rotor com ímãs inclinados com relação a dois outros geradores síncronos
convencionais de diferentes fabricantes. Espera-se determinar se existe viabilidade na
substituição dos geradores síncronos convencionais pela aplicação do protótipo na
geração distribuída.
5.1 O CUSTO ESTIMADO DO PROTÓTIPO E DOS OUTROS DOIS GERADORES
SÍNCRONOS
A Tabela 15 apresenta a lista de materiais e a mão de obra com seus respectivos
custos; tem-se uma estimativa do custo pela manufatura do rotor do protótipo. O
processo de fabricação foi artesanal e o ano de 2010 foi à referência para os custos.
Evidentemente, esse custo poderá ser reduzido em produção industrial de larga escala.
Tabela 15 – Custo de fabricação do protótipo
Detalhamento Custo Considerações
Motor de indução trifásico com rotor gaiola de esquilo R$ 1. 040,00
Rotor gaiola de esquilo - estimativa R$ 436,80 42% do motor completo
Estator - estimativa R$ 603,20 58% do motor completo
Ímãs de neodímio R$ 296,80 80 peças
Tarugo de aço SAE 1045 R$ 120,00
Tarugo de aço SAE 1006 recozido R$ 120,00
Chaveta R$ 55,00
Cola R$ 5,00
Mão de obra para o torno R$ 200,00 Quatro horas trabalhadas
Mão de obra para a fresa R$ 300,00 Seis horas trabalhadas
Mão de obra para a plaina R$ 100,00 Duas horas trabalhadas
CUSTO ESTIMADO DO PROTÓTIPO R$ 1.800,00
81
O estator do motor de indução trifásico foi aproveitado e seu custo foi estimado
em 58% do motor completo. O custo médio da mão de obra foi estimado em R$50,00
por hora de trabalho nas máquinas ferramentas.
A Tabela 16 apresenta os valores comerciais de dois geradores de diferentes
fabricantes e sistemas auxiliares. O sistema de multiplicação de velocidade é composto
de polias e correias e o sistema de excitação possui uma bateria de 55 A, um reostato,
um controlador de carga e um retificador, esses custos podem ser usados para ambos
geradores.
Tabela 16 – Custo dos geradores síncronos e sistemas auxiliares
Detalhamento Custo (R$)
Gerador de 0,5 kW, 1800 rpm, 220V, fabricante Equacional R$ 6.278,00
Gerador de 0,5 kW, 1800 rpm, 220V, fabricante De Lorenzo do Brasil R$ 7.980,00
Sistema para a multiplicação da velocidade de 600 para 1800 rpm R$ 230,00
Sistema de excitação – 12VCC R$ 380,00
5.2 A ENERGIA COMERCIALIZADA E O RETORNO DO INVESTIMENTO
Inicialmente, considera-se que ambos os geradores são acionados por uma turbina
de uma usina hidrelétrica de baixa rotação, com cerca de 600 rpm, em virtude da baixa
queda e pequeno volume d’água. Para os cálculos da energia anual gerada pelos
geradores síncronos convencionais não foram consideradas perdas pelo multiplicador
de velocidade e pela energia consumida para a sua excitação.
Para o retorno de investimento foram consideradas cinco possibilidades para o
investimento total, respectivamente, as etapas 1, 2, 3, 4 e 5:
• Etapa 1 – Custo do estator acrescido do custo pela construção do novo rotor com
ímãs inclinados, sem margem de lucro;
• Etapa 2 – É o custo da etapa 1 com o acréscimo de 70% de margem de lucro;
• Etapa 3 – É o custo da etapa 1 com o acréscimo de 100% de margem de lucro;
• Etapa 4 – Custo do gerador síncrono, fabricante De Lorenzo do Brasil, acrescidos
de um multiplicador de velocidade e um sistema auxiliar para a excitação;
• Etapa 5 – Custo do gerador síncrono, fabricante Equacional, acrescidos de um
multiplicador de velocidade e um sistema de auxiliar para a excitação.
82
A Tabela 17 apresenta os resultados das comparações entre os geradores e o
retorno de investimento para cada uma das etapas, aplicando uma taxa de juros com
base no método do valor presente líquido. É admitido, nos cálculos do número de
horas de utilização por ano, o período de 85% sobre o total de horas por ano e o
período de 15% restante é reservado para manutenções programadas. O preço médio
da energia de R$ 0,3433 é o valor praticado pela CCEE (2010).
Tabela 17 – Receita anual pela energia gerada e o retorno de investimento
Condições Valores
Potência do gerador com ímãs inclinados (W) 250
Potência dos geradores síncronos (W) 500
Número de horas de utilização por ano (h) 7344
Custo médio da eletricidade (R$) 0,3433
Energia anual gerada pelo gerador com ímãs inclinados (kWh) 1836
Energia anual gerada pelos geradores síncronos (kWh) 3672
Receita anual da energia do gerador com ímãs inclinados (R$) 630,00
Receita anual da energia dos geradores síncronos (R$) 1260,00
RETORNO DE INVESTIMENTO – Etapa 1 (anos)
3,8
RETORNO DE INVESTIMENTO – Etapa 2 (anos)
7,5
RETORNO DE INVESTIMENTO – Etapa 3 (anos)
10
RETORNO DE INVESTIMENTO – Etapa 4 (anos)
9,5
RETORNO DE INVESTIMENTO – Etapa 5 (anos)
15
A equação (24) apresenta o retorno de investimento pelo valor presente líquido
(VPL).
( )
∑
=
+
=
n
i
i
i
taxa
valores
VPL
1
1
(24)
sendo,
valores
= são uma série de futuros pagamentos (valores negativos) e receita (valores
positivos) num mesmo intervalo de tempo
taxa
= taxa de juros anual desejada
n
= número de fluxos de caixa no intervalo de tempo determinado
83
Na coluna receita versus despesas da Tabela 18, os valores negativos significam
que a receita anual pela energia gerada menos os juros anuais não foram suficiente
para a quitação do investimento inicial. Os valores positivos são referentes aos ganhos
e o primeiro valor positivo equivale ao ano quando o investimento obteve o seu
retorno. O valor de R$ 630,00 referente à receita anual da energia do gerador com
ímãs inclinados foi aplicado para amortização do investimento nas etapas 1, 2 e 3, já o
valor de R$ 1260,00 foi usado nas etapas 4 e 5.
A análise financeira da Tabela 18 foi realizada até 15 anos, pois é número de
anos referentes à vida útil do gerador.
Tabela 18 – Retorno de investimento pela análise por valor presente líquido
Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4 Etapa 5 Anos
Investimento
inicial
-R$ 1.800,00 -R$ 3.000,00 -R$ 3.600,00 -R$ 6.888,00 -R$ 8.590,00
0
-R$ 1.237,50 -R$ 2.437,50 -R$ 3.037,50 -R$ 5.763,00 -R$ 7.465,00
1
-R$ 735,27 -R$ 1.935,27 -R$ 2.535,27 -R$ 4.758,54 -R$ 6.460,54
2
-R$ 286,85 -R$ 1.486,85 -R$ 2.086,85 -R$ 3.861,69 -R$ 5.563,69
3
R$ 113,53 -R$ 1.086,47 -R$ 1.686,47 -R$ 3.060,94 -R$ 4.762,94
4
R$ 471,01 -R$ 728,99 -R$ 1.328,99 -R$ 2.345,98 -R$ 4.047,98
5
R$ 790,19 -R$ 409,81 -R$ 1.009,81 -R$ 1.707,63 -R$ 3.409,63
6
R$ 1.075,17 -R$ 124,83 -R$ 724,83 -R$ 1.137,67 -R$ 2.839,67
7
R$ 1.329,61 R$ 129,61 -R$ 470,39 -R$ 628,77 -R$ 2.330,77
8
R$ 1.556,80 R$ 356,80 -R$ 243,20 -R$ 174,41 -R$ 1.876,41
9
R$ 1.759,64 R$ 559,64 -R$ 40,36 R$ 231,28 -R$ 1.470,72
10
R$ 1.940,75 R$ 740,75 R$ 140,75 R$ 593,50 -R$ 1.108,50
11
R$ 2.102,46 R$ 902,46 R$ 302,46 R$ 916,91 -R$ 785,09
12
R$ 2.246,84 R$ 1.046,84 R$ 446,84 R$ 1.205,67 -R$ 496,33
13
R$ 2.375,75 R$ 1.175,75 R$ 575,75 R$ 1.463,49 -R$ 238,51
14
Receita
versus
despesas
R$ 2.490,84 R$ 1.290,84 R$ 690,84 R$ 1.693,69 -R$ 8,31
15
A Figura 43 apresenta uma análise comparativa entre as etapas com retorno de
investimento pelo valor presente líquido, aplicando uma taxa de juros de 12% ao ano,
referente à taxa imposta nos empreendimentos de inovação tecnológica (BNDES,
2010).
Não foram consideradas taxas de depreciação sofridas pelos equipamentos já que
os geradores analisados estão sujeitos às mesmas condições de trabalho, no entanto,
espera-se que os geradores síncronos tenham um custo pela substituição das escovas
que alimentam o enrolamento de campo.
84
-R$ 10.000,00
-R$ 8.000,00
-R$ 6.000,00
-R$ 4.000,00
-R$ 2.000,00
R$ 0,00
R$ 2.000,00
R$ 4.000,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Anos
Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 Etapa 4 Etapa 5
Figura 43 – Análise comparativa entre as etapas com retorno de investimento por valor
presente líquido
5.3 RESULTADOS DO RETORNO DE INVESTIMENTO
De acordo com as análises dos dados apresentados, as etapas 1 e 2 possuem o
prazo do retorno de investimento de até no máximo a metade da vida útil do gerador,
são as melhores situações, contudo, a etapa 2 apresenta uma condição satisfatória tanto
para o empreendedor como para o consumidor. O empreendedor fará um pequeno
investimento podendo obter um lucro razoável, em torno de 70%, e o consumidor
poderá se beneficiar de um gerador com ímãs inclinados de baixo custo em relação aos
geradores síncronos.
Em relação aos geradores síncronos outros aspectos técnicos favorecem ao uso
do gerador com ímãs inclinados tais como a baixa manutenção, a forma de onda com
níveis de distorções harmônicas razoáveis e a regulação de tensão com faixa tolerável,
além de não haver necessidade de sistemas auxiliares para a excitação do campo no
rotor.
85
6. CONCLUSÕES
A máquina de rotor com ímãs inclinados é uma opção de máquinas elétricas
atuando como gerador com diversos benefícios, tais como a baixa manutenção, sem
consumo de energia para a criação do campo magnético no rotor em relação às
máquinas síncronas convencionais. O gerador com grande número de polos
seguramente eliminará multiplicadores de velocidade, ocasionando um aumento global
do rendimento em centrais hidrelétricas, parques eólicos e grupos motores a
combustão, simplificação da construção pela modulação e divisão do rotor em blocos.
Há uma grande oportunidade o reaproveitamento das carcaças de motores de
indução trifásicos com rotor gaiola de esquilo, já padronizadas, para o projeto das
máquinas síncronas com rotor com ímãs inclinados. O reaproveitamento das carcaças
significa que não será preciso projetar o pacote das lâminas do estator e seu
enrolamento e, consequentemente, suas linhas de fabricação em massa com a redução
de tempo e seu custo de fabricação.
Este estudo contribuiu com o detalhamento e a revisão dos formulários analíticos,
tornando-se num método analítico de fácil entendimento para a especificação dos ímãs
permanentes retangulares, abrangendo a técnica de inclinação axial dos ímãs
permanentes, para o projeto de conversão de um motor de indução trifásico numa
máquina síncrona.
A construção modular do rotor com ímãs inclinados, distribuindo o fluxo
magnético ao longo de todo o passo polar, é um processo construtivo de forma a
simplificar e reduzir os custos de fabricação. O protótipo fabricado em aço SAE 1006,
usinado e fresado é uma vantagem econômica porque o aço SAE 1006 é de menor
custo em relação as chapas laminadas de aço silício que constituem o rotor dos
geradores síncronos convencionais. O torno e a fresa são máquinas-ferramentas de
fácil acesso e operação em oposição à tecnologia das máquinas-ferramentas usadas
para o corte a laser das chapas laminadas de aço silício, que são também de custo
elevado.
Os ímãs de neodímio retangulares são facilmente construídos e de custo menor
em relação aos ímãs em forma de arco. Em contrapartida, tem-se o alto custo do
86
neodímio, mas pode haver o retorno do investimento, levando-se em conta a economia
de energia.
O método de elementos finitos é uma ferramenta computacional de grande valia e
apoio ao projeto de máquinas e afins. Neste estudo, segundo o contexto de aplicação
experimental, a sua inviabilidade foi devido a softwares adequados e suas versões
atualizadas, introdução a equações e condições de contorno mal interpretadas,
ocasionando resultados distantes do ideal.
Espera-se que o protótipo desenvolvido oriente e estimule o uso das máquinas de
rotor com ímãs de neodímio inclinados em diversas aplicações, sendo uma excelente
opção na geração distribuída em pequenas centrais elétricas. Um gerador de dimensões
reduzidas, como o protótipo, tem o benefício de facilitar a instalação e o transporte,
principalmente, no caso do gerador ser instalado em torres de parques eólicos com
grandes alturas. Muitos fabricantes optam pela ferrita para a fabricação de geradores,
por questões econômicas, compensando a redução da remanência magnética por passo
polar, aumentando o comprimento do gerador; consequentemente, também aumenta o
peso e o consumo de cobre para o preenchimento do alongamento do estator.
Já os resultados do protótipo com rotor com ímãs alinhados, que tem fluxo
magnético concentrado numa parte do passo polar, inviabilizam esse tipo de
empreendimento. Apesar de apresentar grande capacidade de geração de energia, há
aspectos técnicos desfavoráveis, em virtude da necessidade de grande torque de
travamento e nível de distorção harmônica total o dobro em relação aos ímãs
inclinados.
87
7. PESQUISAS FUTURAS
Após os experimentos e análises apresentados nesta Tese, propõe-se para
pesquisas futuras que o protótipo seja simulado por elementos finitos, em três
dimensões ou em duas dimensões pelo método de fatiamento do tambor do rotor,
variando-se o ângulo de inclinação dos ímãs permanentes para verificar a qualidade da
energia gerada.
Também desenvolver uma formulação matemática que relacione a inclinação dos
ímãs permanentes com o nível de distorção harmônica, na tensão gerada pelos
geradores síncronos, com rotor de ímãs permanentes utilizando os enrolamentos
concentrados e distribuídos.
Outra sugestão é elaborar um software, baseado no método analítico aplicado,
para se determinar as dimensões do imã permanente, tipo de imã e do entreferro para a
conversão dos motores de indução em geradores síncronos abrangendo potências até
100kW e de 2 até 12 pólos.
88
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ACESITA. Características magnéticas típicas dos aços silício. Disponível em:
˂http://www.acesita.com.br>. Acesso em: 30/06/2010.
ALNAEMI FARIS INTHAR, MOSES ANTHONY JOHN. FEM modeling of rotor
losses in PM motors. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 304,
March 2006, Pages 794-797.
ALMEIDA, JOSÉ LEANDRO C. N. Análise da Viabilidade Técnica e Econômica
da Implantação de uma Microcentral Hidrelétrica. 52p. Guaratinguetá SP, 2007 –
Dissertação do programa de pós-graduação em engenharia mecânica, Faculdade de
Engenharia de Guaratinguetá – Universidade Estadual Paulista UNESP. Disponível
em: <http://www.dominiopublico.gov.br/>. Acesso em: 11/09/2008.
ALMEIDA, JOSÉ LEANDRO C. N., SOUZA, TEÓFILO M. de, SOBRINHO,
PEDRO M. Desempenho de uma Microcentral Hidrelétrica com Geradores de Ímãs
Permanentes. V Congresso Latino Americano de Geração e Transmissão de
Energia Elétrica (CLAGTEE), 2007.
BNDES. BANCO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO ECONÔMICO E
SOCIAL. Disponível em: <http://www.bndes.gov.br/>. Acesso em: 19/03/2010.
BIANCHI N., BOLOGNANI S. Design techniques for reducing the cogging torque in
surface-mounted PM motors. Industry Applications, IEEE Transactions on, 38(5),
pp. 1259-1265, 2002.
CCEE. Câmara de comercialização de energia elétrica. Disponível em:
<http://www.ccee.org.br/>. Acesso em: 12/03/2010.
89
CHABBAN, F. B. Determination of the optimum rotor/stator diameter ratio of
permanent magnet machines. Electrical Machine Power System. vol. 22, pp. 521–
531, 1994.
CHABU, I. C., SILVA, V. C., NABETA, S. I ., AFONSO, M. A. M., CARDOSO, J.
R. Axial flux concentration technique applied to the design of permanent magnet
motors: theoretical aspects and their numerical and experimental validation.
International Electric Machines and Drives Conference, San Antonio, 2005, pg
1988-1994.
CHAPMAN, J. STEPHEN. Electric Machinery Fundamentals. Third edition, 1999.
Publicado por Mcgraw-Hill.
CISTELECAN, M.V.; POPESCU, M. Study of the Number of Slots/Pole
Combinations for Low Speed Permanent Magnet Synchronous Generators. Electric
Machines & Drives Conference, 2007. IEMDC '07. IEEE International
Volume 2, 3-5 May 2007, page(s):1616 – 1620.
COEY, J.M.D. Permanent magnet applications. Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, Volumes 248, 2002, Pages 441–456.
ELOSEGUI, I.; MARTINEZ-ITURRALDE, M.; RICO, A.G.; FLOREZ, J.;
ECHEVERRFA, J.M.; FONTAN, L. Analytical design of synchronous permanent
magnet motor/generators. Industrial Electronics, 2007. ISIE 2007. IEEE
International Symposium on 4-7 June 2007, Page(s): 1165 – 1170.
ENOKIZONO MASATO, TAKASHI TODAKA, YUJI TSUCHIDA, ATSUSI
IKARIGA, SHINYA URATA, TOHRU MAUCHI, AKIRA UMEDUKI, KENICHI
EBIHARA, HIROSHI SHIODUKI, HIROYASU SHIMOJI, YASUHIRO GOTHO,
MUTSUNORI OBATA, YUKIHITO KIDO. Development of high density and high
90
efficiency machines. Journal of Materials Processing Technology, Volume 181,
2007, Pages 110-114.
ESKANDER, MONA N. Neural network controller for a permanent magnet generator
applied in a wind energy conversion system. Renewable Energy. 2002. Vol 26. Pages
463-477.
FERRAZ, CARLOS ALBERTO MEDON DIAS. Contribuição ao estudo do motor
síncrono de relutância com gaiola. Dissertação, 148p, 2002, Universidade estadual
de campinas, Faculdade de engenharia elétrica e de computação, departamento de
sistemas e controle de energia. Disponível em: <http://www.dominiopublico.gov.br/>.
Acesso em: 14/08/2008.
FITZGERALD, A. E., KUSKO, A., KINGSLEY, C. Jr. Máquinas Elétricas com
Introdução à Eletrônica de Potência. Editora Mcgraw-Hill do Brasil Ltda, 6ª edição,
Pernanbuco, 2006.
GIERAS JACEK F., WING, MITCHELL. Permanent magnet motor technology.
Editora Marcel Dekker, New York, 1997.
GUO Y.G., ZHU J.G., RAMSDEN V.S. Design and construction of a single phase
claw pole permanent magnet motor using composite magnetic material. Renewable
Energy. 2001. Vol 22. Pages 185-195.
HANITSCH, ROLF. Electromagnetic machines with Nd-Fe-B magnets. Journal of
Magnetism and Magnetic Materials, Volume 80, Issue 1, 1 August 1989, Pages 119-
130.
HANSELMAN, DUANE C. Brushless Permanent Magnet Motor Design. USA,
University of Maine Orono. Second edition, 2006. Publicado por The Writers'
Collective.
91
HENDERSHOT, J.R., MILLER, T.J.E.. Design of brushless permanent-magnet
motors. Hillsboro, OH Oxford Magna Pysics Pub. Clarendon Press, 1994.
HWANG C. C., CHANG S. M., PAN C. T., CHANG T. Y.. Estimation of parameters
of interior permanent magnet synchronous motors. Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, Volume 239, Issues 1-3, February 2002, Pages 600-603.
HWANG C. C., CHANG C. M., CHENG S. P., CHAN C. K., PAN C. T., CHANG T..
Comparison of performances between IPM and SPM motors with rotor eccentricity.
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 282, May 2004, Pages
360-363.
HWANG C. C., LIU C. T., TENG C. C.. Design and analysis of a novel inset
permanent magnet synchronous motor. Journal of Magnetism and Magnetic
Materials, Volume 320, February 2008, Pages 283-286.
IMAG – INDÚSTRIA E COMÉRCIO DE ELETRÔNICOS LTDA. Disponível em:
˂http://www.imag.ind.br>. Acesso em: 22/10/2008.
ISLAM, R.; HUSAIN, I.; FARDOUN, A.; MCLAUGHLIN, K. Permanent-Magnet
Synchronous Motor Magnet Designs With Skewing for Torque Ripple and Cogging
Torque Reduction. Industry Applications, IEEE Transactions on, Volume 45, Issue
1, Jan.-feb. 2009, page(s): 152 – 160,
JAHNS, THOMAS M., SOONG, WEN L. Pulsating Torque Minimization Techniques
for Permanent Magnet AC Motor Drives – A Review. IEEE transactions on
industrial electronics, Vol. 43, N. 2, APRIL 1996, Page(s): 321 – 330.
KALOKIRIS G.K., KLADAS A.G., HATZILAU I.K., COFINAS S., GYPARIS I.K.
Advances in magnetic materials and their impact on electric machine design. Journal
of Materials Processing Technology, Volume 181, 2007, Pages 148 – 152.
92
KOSOW, IRVING L. Máquinas Elétricas e Transformados. Editora Globo, 12 ª
edição, São Paulo, 1996.
LANDGRAF, FERNANDO JOSÉ GOMES. Propriedades Magnéticas de Aços para
fins Elétricos. Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de S.Paulo, p109-128.
Disponível em: <http://www.dominiopublico.gov.br/>. Acesso em: 11/09/2008.
LESTER R. MOSKOWITZ. Permanent magnet design and application handbook.
United States of América – Florida, Malabar, Robert. E. Krieger publishing company,
Inc. Reprint, 1986.
MANUAL GAUSSMETER LAKESHORE 421. Disponível em:
˂http://www.lakeshore.com/mag/ga/gm421dn.html>. Acesso em: 22/10/2008.
MARTIGNONI, ALFONSO. Ensaios de máquinas elétricas. Editora Globo, 2 ª
edição, Rio de Janeiro, 1987.
MUÑOZ TOLEDO, NARDO. Cálculo de enrolamentos de máquinas elétricas e
sistemas de alarme. Editora Biblioteca técnica Freitas Bastos, 4 ª edição, Rio de
janeiro, 1987.
OLIVEIRA A. M., P. KUO-PENG, N. SADOWSKI, P. DULAR. Consideração dos
efeitos de inclinação de ranhuras nos problemas acoplados. V Congresso Brasileiro de
Eletromagnetismo, CBMag 2002. Revista Ciência & Engenharia, p 31-36, 2002.
Disponível em: <http://www.dominiopublico.gov.br/>. Acesso em: 28/08/2008.
ONS – OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA ELETRICO. Gerenciamento dos
indicadores de desempenho da rede básica e de seus componentes. 30p, 2009.
Disponível em: <http://www.ons.org.br/>. Acesso em: 10/06/2010.
93
SAWETSAKULANOND, B.; KINNARES, V. Investigation of skew effect on the
Performance of Self - Excited Induction Generators. Power Electronics and Drive
Systems, 2007. 7th International Conference on 27-30 Nov. 2007, page(s):1167 –
1173.
STUMBERGER BOJAN, STUMBERGER GORAZD, MIRALEM
HADŽISELIMOVIĆ, HAMLER ANTON, TRLEP MLADEN, VIKTOR GORIČAN,
MARKO JESENIK. High-performance permanent magnet brushless motors with
balanced concentrated windings and similar slot and pole numbers. Journal of
Magnetism and Magnetic Materials, Volume 304, March 2006, Pages 829-831.
STUMBERGER BOJAN, STUMBERGER GORAZD, MIRALEM
HADŽISELIMOVIĆ, HAMLER ANTON, GORIČAN VIKTOR, MARKO JESENIK,
MLADEN TRLEP. Comparison of torque capability of three-phase permanent magnet
synchronous motors with different permanent magnet arrangement. Journal of
Magnetism and Magnetic Materials, Volume 316, February 2007, Pages 261-264.
TEIXEIRA, FERNANDO HENRIQUE PISANI. Metodologia para projeto,
construção e ensaios em máquinas síncronas de ímãs permanentes – MSIP.
Dissertação, 142p, 2006, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São
Paulo. Disponível em: <http://www.dominiopublico.gov.br/>. Acesso em: 12/06/08.
WEG. Disponível em: <http://www.weg.com.br/>. Acesso em: 08/08/2008.
YAMADA, A.; KAWANO, H.; MIKI, I.; NAKAMURA, M. A Method of Reducing
Torque Ripple in Interior Permanent Magnet Synchronous Motor. Power Conversion
Conference - Nagoya, April 2007, pages: 322 – 325.
94
APÊNDICE A – DOCUMENTO COM DADOS FORNECIDOS PELA WEG
Correspondência eletrônica com os dados do enrolamento fornecido pela
fabricante de motores WEG.
95
APÊNDICE B – MEDIDOR DE REMANÊNCIA
O aparelho Lakeshore 421, apresentado pela Figura 44, tem a finalidade de
medir um campo magnético permanente, como os ímãs e também um campo
magnético gerado por corrente contínua ou corrente alternada como as máquinas
elétricas. Este equipamento tem a capacidade de medição campo magnético
abrangendo de 300 mG (0,00003 Teslas) até 300 kG (30 Teslas), em três faixas de
ajustes, reduzindo o erro, conforme apresentado pela Tabela 19.
Figura 44 – Aparelho Lakeshore 421 – Fonte: Manual gaussmeter Lakeshore 421
A Figura 45 apresenta a ponta de prova do aparelho Lakeshore 421 e a posição da
ponteira para medir o campo magnético que é transversal ao fluxo.
Figura 45 – Ponta de prova – Fonte: Manual gaussmeter Lakeshore 421
96
Tabela 19 – Faixas de ajustes e medição do campo magnético pelo aparelho
Lakeshore
Fonte: Manual gaussmeter Lakeshore 421
97
APÊNDICE C – ENSAIOS DO PROTÓTIPO COMO MOTOR
Os ensaios consistiram na utilização de um freio-eletrodinâmico, apresentado
pela Figura 46, equipamento capaz de variar e controlar a carga mecânica inserida no
eixo do protótipo, na velocidade síncrona. Obteve-se por meio de instrumentos
destinados à medição, a corrente, tensão, frequência, potência ativa, velocidade, fator
de potência e o torque.
Figura 46 – Simuladora de cargas na ponta do eixo do motor
C. 1 OS MATERIAIS PARA O ENSAIO COMO MOTOR
Os ensaios do protótipo foram realizados no laboratório de máquinas elétricas do
Instituto de Eletrotécnica e Energia (IEE) no câmpus da USP. Na bancada acoplou-se
o protótipo ao medidor de torque. O protótipo foi acionado por intermédio de um
conversor de frequência com forma de onda PWM, com o intuito de avaliar o
comportamento da máquina. Foram usados os sistemas de medição: analisador de
energia (Yokogawa WT 1600), célula de carga, tacômetro, multímetros, variac e
alicate amperimétrico.
98
C.2 AQUISIÇÃO DOS DADOS EXPERIMENTAIS DO MOTOR
Foram realizados os testes das duas configurações do rotor com blocos dos ímãs
inclinados e alinhados e comparados aos dados nominais do motor.
Primeiramente, foi preciso realizar a partida da máquina como motor lentamente,
com auxílio de um conversor de frequência com o objetivo de verificar a resposta com
relação ao sincronismo, trepidação, instabilidades e consumo de energia. Nesse ensaio
extrapola-se a rotação em até 120% da rotação síncrona.
Posteriormente, o teste foi realizado com a máquina funcionando na velocidade
síncrona com carga. Inseriu-se a carga mecânica no eixo através do freio-
eletrodinâmico com o objetivo de se determinar a condição de melhor rendimento. O
ensaio foi realizado até a corrente nominal do motor de 3,7 A (220V), porque é a
condição que se teve o torque nominal.
Por último, foram feitos testes com velocidade acima da nominal e com carga
para verificar o comportamento do motor após a frequência nominal.
C.3 O MOTOR COM ÍMÃS INCLINADOS
O primeiro teste consistiu na partida sem carga através do conversor de
frequência com rampa de aceleração lenta e rápida. Não ocorreram dificuldades,
apresentando boa resposta na partida e adequado controle de velocidade.
O segundo teste verificou a corrente de partida sem carga, comparando o
protótipo com rotor ímãs inclinados e o rotor gaiola de esquilo, respectivamente,
obtendo-se 2 A e 7 A, significando que a corrente de partida através do conversor na
frequência de 60Hz é reduzida e menor do que a própria corrente nominal.
Posteriormente, foram realizados ensaios para a obtenção das características
elétricas do rotor com ímãs inclinados e do rotor gaiola de esquilo. As Figuras 47, 48 e
49 apresentam os gráficos comparativos.
Na corrente nominal, verificou-se, pela Figura 47, que o torque é 15,3 N.m e 6,5
N.m, respectivamente o rotor de ímãs inclinados e o rotor gaiola de esquilo. Notou-se
que ambas as curvas de torque são lineares.
99
Figura 47 – Torque versus corrente
A Figura 48 apresenta o ponto de melhor operação do rotor com ímãs inclinados,
referente ao rendimento de 86%, correspondendo ao torque de 6,5 N.m, valor
equivalente ao torque nominal do rotor gaiola de esquilo. A curva de rendimento para
o rotor com ímãs inclinados foi estabilizada com torque acima de 20% do torque
nominal (3 N.m) em comparação com a curva em forma de parábola do rotor gaiola de
esquilo.
Figura 48 – Rendimento versus torque
100
A Figura 49 apresenta o comportamento do fator de potência com a carga.
Observou-se que a curva para o rotor gaiola de esquilo é linear. Para o rotor com ímãs
inclinados, os valores do fator de potência praticamente não se alteraram em valores
de torque acima de 3 N.m (20% do torque nominal do rotor com ímãs inclinados).
Figura 49 – Fator de potência versus torque
Apresentam-se as Tabelas 20 e 21 referente aos resultados pelos ensaios do
protótipo atuando como motor, respectivamente, com rotor gaiola de esquilo e rotor
com ímãs inclinados.
101
Tabela 20 – Resultado do ensaio do motor com rotor gaiola de esquilo
Número
de
pontos
Peso
(kg)
Velocidade
(rpm)
Velocidade
(rad/s)
Torque
(N.m)
Corrente
da linha
(A)
Tensão
da
linha
(V)
Fator de
potência
Potência
eletrica
medida
(W)
Potência
mecânica
(W)
Rendimento
1 1,59
495,5 51,89 8,44 4,2 220 0,59 965 438 45,4
2 1,39
522,5 54,72 7,38 4 221 0,55 839 404 48,1
3 1,22
537,5 56,29 6,49 3,7 221 0,53 770 365 47,4
4 1,09
546,9 57,27 5,80 3,6 221 0,50 695 332 47,8
5 0,99
552,9 57,90 5,25 3,5 221 0,47 632 304 48,1
6 0,89
558,9 58,53 4,74 3,4 221 0,45 591 278 47,0
7 0,79
564,6 59,12 4,19 3,3 221 0,42 546 248 45,4
8 0,69
569,6 59,65 3,68 3,3 221 0,40 510 220 43,1
9 0,59
574,7 60,18 3,13 3,2 221 0,37 466 188 40,4
10 0,49
579,7 60,71 2,58 3,2 221 0,34 425 157 36,9
11 0,38
584,4 61,20 2,04 3,1 221 0,31 385 125 32,4
12 0,29
588,5 61,63 1,55 3,1 221 0,29 350 96 27,3
13 0,19
592,9 62,09 1,00 3,1 221 0,26 307 62 20,3
14 0,10
596,4 62,46 0,55 3,1 221 0,23 269 35 12,8
15 0,08
597,8 62,60 0,43 3,1 221 0,22 263 27 10,3
Tabela 21 – Resultado do ensaio do motor com rotor com ímãs inclinados
Número
de
pontos
Peso
(kg)
Velocidade
(rpm)
Velocidade
(rad/s)
Torque
(N.m)
Corrente
da linha
(A)
Tensão
da
linha
(V)
Fator de
potência
Potência
eletrica
medida
(W)
Potência
mecânica
(W) Rendimento
1 3,06
600 62,83 16,27 4,1 241 0,88 1518 1022 67
2 2,87
600 62,83 15,27 3,7 241 0,88 1364 959 70
3 2,69
600 62,83 14,28 3,3 242 0,87 1234 897 73
4 2,46
600 62,83 13,06 3 244 0,88 1095 820 75
5 2,24
600 62,83 11,92 2,5 245 0,88 936 749 80
6 2,05
600 62,83 10,88 2,2 245 0,88 850 684 80
7 1,81
600 62,83 9,60 1,9 245 0,88 726 603 83
8 1,61
600 62,83 8,54 1,8 243 0,87 664 537 81
9 1,41
600 62,83 7,49 1,5 243 0,86 569 471 83
10 1,21
600 62,83 6,43 1,3 242 0,86 470 404 86
11 1,04
600 62,83 5,53 1,1 241 0,85 405 347 86
12 0,86
600 62,83 4,55 0,9 240 0,85 341 286 84
13 0,65
600 62,83 3,48 0,7 240 0,84 258 218 85
14 0,43
600 62,83 2,28 0,5 240 0,82 179 143 80
15 0,23
600 62,83 1,24 0,4 239 0,75 122 78 64
16 0,07
600 62,83 0,39 0,3 240 0,50 59 24 41
17 0,06
600 62,83 0,33 0,3 240 0,49 59 21 36
102
Por fim, foi realizado um último ensaio, apresentado na Figura 50, com o
objetivo de se verificar o comportamento do rotor com ímãs inclinados com carga em
frequência superior a nominal, aplicando-se carga constante de 6 N.m, valor referente
ao torque nominal do rotor gaiola de esquilo. Observou-se o pleno funcionamento até
112Hz, onde atingiu a corrente nominal.
0
20
40
60
80
100
120
140
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Corrente (A)
Frequência (Hz)
Figura 50 – Curva extrapolada com torque constante (rotor com ímãs inclinados)
C.4 O MOTOR COM ÍMÃS ALINHADOS
Os testes de partida sem carga apresentaram acentuadas trepidações em
frequências abaixo de 15 Hz; sendo assim, desfavoráveis em partida com carga.
Por último, extrapolou-se a frequência sem carga obtendo-se a corrente nominal a
72 Hz (120% da frequência nominal); este resultado indicou um comportamento
inaceitável, porque esta configuração, o rotor apresentou seu eixo muito bloqueado e a
sua instabilidade na partida dificultou a realização dos ensaios.
103
C.5 RESULTADOS OBTIDOS
De uma forma geral, os resultados experimentais comprovaram que a melhor
configuração é a dos blocos de ímãs inclinados em relação aos blocos de ímãs
alinhados. Estes resultados também determinam um desempenho superior ao rotor
gaiola de esquilo.
A máquina funcionando como motor com ímãs inclinados têm muitas
características favoráveis, tais como a partida com e sem carga sem anomalias
consideráveis, baixa corrente de partida, alta relação torque com o de volume e o
torque com 240%, fator de potência de 166% e rendimento de 148% maiores em
relação ao rotor gaiola de esquilo. Verificou-se, também, o pleno funcionamento sem
carga até 120Hz. A dificuldade para este protótipo é a impossibilidade de sua partida e
funcionamento direto na rede; em compensação, podem ser usados conversores de
frequência convencionais.
A máquina com ímãs alinhados tem o agravante de ter seu eixo bloqueado e
grandes trepidações na partida. O eixo travado significa que, nesta configuração com
enrolamentos concentrados, existe um torque de partida elevado podendo ser
minimizado com a inclinação dos ímãs, já estudado.
104
APÊNDICE D – ARTIGO E SEUS RESPECTIVOS ACEITES
O artigo desenvolvido a partir da tese atesta seu ineditismo, comprovado pelos
aceites em três congressos internacionais. O artigo foi publicado no congresso
internacional conference on industrial technology (ICIT-IEEE
3
) em março de 2010 e
aceito na conferência power electronics, machines and drives (PEMD) em abril 2010 e
no simpósio internacional symposium on industrial electronics (ISIE-IEEE) em julho
2010.
3
IEEE – Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos
105
106
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