Gerador Eléctrico de Magnetos Permanentes de Baixa Velocidade Pedro Alexandre Torres Freitas Dissertação para obtenção de Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Orientadores: Prof. Célia Maria Santos Cardoso de Jesus Prof. Joaquim António Fraga Gonçalves Dente Júri Presidente: Prof. Maria Eduarda de Sampaio Pinto de Almeida Pedro Orientador: Prof. Célia Maria Santos Cardoso de Jesus Vogal: Prof. Gil Domingos Marques Abril 2014
95
Embed
Gerador Eléctrico de Magnetos Permanentes de Baixa Velocidade · Gerador Eléctrico de Magnetos Permanentes de Baixa Velocidade Pedro Alexandre Torres Freitas Dissertação para
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Gerador Eléctrico de Magnetos Permanentes de Baixa Velocidade
Pedro Alexandre Torres Freitas
Dissertação para obtenção de Grau de Mestre em
Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Orientadores: Prof. Célia Maria Santos Cardoso de Jesus
Prof. Joaquim António Fraga Gonçalves Dente
Júri
Presidente: Prof. Maria Eduarda de Sampaio Pinto de Almeida Pedro
Orientador: Prof. Célia Maria Santos Cardoso de Jesus Vogal: Prof. Gil Domingos Marques
Abril 2014
Ge
rad
or
Elé
ctr
ico
de
Ma
gn
eto
s P
erm
an
en
tes
de
Ba
ixa V
elo
cid
ad
e
Ped
ro A
lex
an
dre
To
rres F
reit
as
I
Agradecimentos
Esta dissertação representa o finalizar de uma etapa de grande importância na minha vida, que
exigiu grande esforço e dedicação. A sua realização não seria possível sem a contribuição, directa e
indirecta, de diversas pessoas, às quais pretendo deixar os meus sinceros agradecimentos.
Quero agradecer a todos que me ajudaram, de alguma forma, a conseguir realizar esta Dissertação
de Mestrado.
Ao Professor António Dente pela forma sábia estimulante como orientou o meu trabalho, dando o
seu conhecimento, feito as correcções necessárias e proporcionando uma grande liberdade de acção.
À Professora Célia de Jesus, agradeço a sua disponibilidade e ajuda no encaminhamento na
realização desta dissertação.
Ao Engenheiro Paulo Aguiar pela disponibilidade e ajuda na realização da maquete e, por todo o
conhecimento transmitido.
Ao Engenheiro Francisco Freitas, meu pai, pela ajuda fundamental na elaboração das soluções
mecânicas apresentadas nesta dissertação.
Ao meu colega Nuno Fontes, pela sua cooperação e análise dos estudos feitos nesta dissertação.
A todos os meus colegas e amigos pela amizade, motivação e pelos bons momentos que me
proporcionaram ao longo deste percurso.
Por fim, gostaria de prestar um especial agradecimento à minha mãe e restante família por todo o
apoio e incentivo prestados ao longo deste percurso.
II
Resumo
A elevada eficiência volumétrica dos materiais magnéticos permanentes de terras raras disponíveis
nos dias de hoje a custos acessíveis, possibilita a exploração de novas configurações/topologias de
máquinas eléctricas e a concretização de factores de escala impraticáveis nos sistemas de excitação.
Por norma obtidos através de densidades de correntes, favorecendo a redução das dimensões e peso
totais da máquina.
Esta dissertação tem como principal objectivo realizar um estudo com o propósito de contribuir para
o projecto de uma máquina de fluxo transversal de magnetos permanentes, onde no decorrer desse
estudo é apresentada uma possível topologia da mesma. Estas máquinas parecem estar
particularmente bem adaptadas ao funcionamento a baixas velocidades, características dos sistemas
de produção de energia a partir de fontes renováveis. Tentei, partindo de estudos anteriores,
completando-os e corrigindo alguns pontos e aspectos importantes para a sua possível
implementação.
Ao longo da dissertação, construi uma maquete de forma a entender-se a configuração mecânica da
mesma.
Palavras-Chave: gerador de magnetos permanentes, gerador de fluxo transversal, magnetos
permanentes
III
Abstract
The high volumetric efficiency of rare earth permanent magnetic materials, available today at
affordable costs, thus enabling the exploration of new configurations/topologies of electrical
machines and the achievement of scale factors impractical with excitation systems. Permanent
magnet excitation allows a significant decrease of the pole pitch and an increase in efficiency.
This paper aims to conduct a study with the objective of contributing to the design of a machine
cross flow of permanent magnets, which in the course of this study will be present a possible
topology. These machines seem to be particularly well adapted to operation at low speeds,
characteristics of systems of energy production from renewable sources. I will try, from previous
studies, completing them and correcting some points and important aspects for a possible
implementation.
I was also constructed a model in order to understand the mechanical configuration of the topology
FIGURA 2.1: EXEMPLO DE MÁQUINA SÍNCRONA. ................................................................................................................ 4
FIGURA 2.2: EXEMPLO DE MÁQUINA ASSÍNCRONA. ............................................................................................................. 5
FIGURA 2.3: EXEMPLO DE MÁQUINA ELÉCTRICA DE MAGNETOS PERMANENTES. ....................................................................... 6
FIGURA 2.4: EXEMPLO DE MÁQUINA COM CONCENTRAÇÃO DE FLUXO MAGNÉTICO DE DUBOIS [2]. ............................................. 7
FIGURA 2.5: EXEMPLO DE MÁQUINA PROPOSTA POR BLISSENBACH E VIOREL EM 2003, E POR SVECHKARENKO EM 2009 [4]. .......... 7
FIGURA 2.6: EXEMPLO DE MÁQUINA COM FLUXO MAGNÉTICO COMUTADO POR JIANHU (2009): (A) REPRESENTAÇÃO PARCIAL DA
MÁQUINA, ONDE SE PODE VER UM PAR DE PÓLOS; (B) PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO FLUXO MAGNÉTICO COMUTADO [5]. 8
FIGURA 2.7: EXEMPLOS DE MÁQUINAS DE FLUXO AXIAL [6]: A) MÁQUINA AXIAL COM UM ESTATOR; B) MÁQUINA AXIAL COM DUPLO
FIGURA 2.8: TOPOLOGIA DE MÁQUINA TFPM [1]. ............................................................................................................ 9
FIGURA 2.9: DETALHE SOBRE O CIRCUITO MAGNÉTICO. ..................................................................................................... 10
FIGURA 2.1: GERADOR TRIFÁSICO DE MAGNETOS PERMANENTES DE BAIXA VELOCIDADE, VISTA EM PERSPECTIVA. ......................... 11
FIGURA 2.2: DA ESQUERDA PARA A DIREITA: ESTATOR INTERIOR, ROTOR E ESTATOR EXTERIOR. ................................................ 11
FIGURA 2.3: ESTATOR EXTERIOR DA MÁQUINA. ............................................................................................................... 12
FIGURA 2.4: SAPATAS DE SUPORTE DA MÁQUINA: A) SAPATA INTEGRADA NA JANTE DO ESTATOR EXTERIOR; B) SAPATA INDEPENDENTE
DO ESTATOR EXTERIOR. ....................................................................................................................................... 12
FIGURA 2.5: SAPATA INTEGRADA NA JANTE: A) PORMENOR DO ENTALHE DE BLOQUEIO DO VEIO DO ESTATOR INTERIOR; B) PORMENOR
DO ENTALHE DE FIXAÇÃO DO SUPORTE DA PEÇA POLAR. ............................................................................................. 13
FIGURA 2.6: A) PORMENOR DO SUPORTE COM A PEÇA POLAR MONTADA; B) PORMENOR DO FURO NA EXTREMIDADE DO SUPORTE. . 13
FIGURA 2.7: IMAGEM ONDE SE PODE VER O ESTATOR EXTERIOR FECHADO. ............................................................................ 14
FIGURA 2.8: JANTE DO ESTATOR EXTERIOR: A) PORMENOR DA ZONA DE APERTO DA JANTE AO SUPORTE DA PEÇA POLAR; B) PORMENOR
DO BATENTE DO ROLAMENTO. .............................................................................................................................. 14
FIGURA 2.9: PORMENOR DA LOCALIZAÇÃO DO ESTATOR INTERIOR DENTRO DO ESTATOR EXTERIOR. ............................................ 15
FIGURA 2.10: ESTATOR INTERIOR SEM OS ENROLAMENTOS DE COBRE. ................................................................................. 15
FIGURA 2.11: JANTE DO ESTATOR INTERIOR. ................................................................................................................... 16
FIGURA 2.12: VEIO ESTATOR INTERIOR: A) PORMENOR PASSAGEM DE CABOS; B) PORMENOR ENTALHE DE BLOQUEIO DO ESTATOR
INTERIOR; C) PORMENOR DE ENTALHE BLOQUEIO DA PORCA DE ROLAMENTO. ................................................................ 16
FIGURA 2.13: A) VISTA DO ROTOR DE FRENTE; B) VISTA DO ROTOR POR TRÁS. ........................................................................ 17
FIGURA 2.14: JANTE DO ROTOR. ................................................................................................................................... 17
FIGURA 2.15: ESTATOR INTERIOR DENTRO DO ROTOR. ...................................................................................................... 18
FIGURA 2.16: PORMENOR DA FIXAÇÃO DE UMA DAS JANTES ATRAVÉS DE PARAFUSOS. ............................................................ 18
VIII
FIGURA 2.17: APROXIMAÇÃO DOS APOIOS DA MÁQUINA. .................................................................................................. 19
FIGURA 2.18: PARTE A REFERENTE À FIGURA 2.17: A) PORMENOR DE FIXAÇÃO DO ROLAMENTO RADIAL INTERIOR. ...................... 20
FIGURA 2.19: CHUMACEIRA DO ROLAMENTO EXTERIOR EM VISTA EXPLODIDA. ....................................................................... 21
FIGURA 2.20: A) ANEL DE APERTO DO ROLAMENTO; B) FREIO. ........................................................................................... 21
FIGURA 2.21: PARTE B REFERENTE À FIGURA 2.17: A) PORMENOR DE BLOQUEIO DO VEIO DO ESTATOR INTERIOR. ........................ 22
FIGURA 2.22: A) CHUMACEIRA DE ROLAMENTO DE CONTACTO ANGULAR. ............................................................................. 22
FIGURA 2.23: DIAGRAMA DA CONVERSÃO DE ENERGIA. .................................................................................................... 23
FIGURA 2.24: VISTA DOS ROLAMENTOS ONDE EXISTE DISSIPAÇÃO DE ENERGIA POR FRICÇÃO. .................................................... 24
FIGURA 3.1: DESMAGNETIZAÇÃO E RECTA IDEAL DO MAGNETO SELECCIONADO [10]. .............................................................. 29
FIGURA 3.2: GEOMETRIA DO CIRCUITO MAGNÉTICO USADO NO ESTUDO MAGNÉTICO, PROFUNDIDADE CONSIDERADA É DE ”D”. ...... 30
FIGURA 3.3: REPRESENTAÇÃO DA GEOMETRIA CONSIDERADA NO ESTUDO MAGNÉTICO. ........................................................... 31
FIGURA 3.4: CIRCUITO MAGNÉTICO EQUIVALENTE. .......................................................................................................... 31
FIGURA 3.5: SITUAÇÃO EM QUE O MAGNETO SE ENCONTRA PERFEITAMENTE ALINHADO. ......................................................... 32
FIGURA 3.6: SITUAÇÃO EM QUE O MAGNETO SE ENCONTRA PARCIALMENTE DESALINHADO. ...................................................... 33
FIGURA 3.7: CIRCUITO MAGNÉTICO DA TOTALIDADE DO SISTEMA PROPOSTO. ........................................................................ 34
FIGURA 3.8: CIRCUITO MAGNÉTICO EQUIVALENTE DA FIGURA 4.6 DEPOIS DE APLICADO O TEOREMA DE THEVENIN........................ 35
FIGURA 3.9: CIRCUITO DA FIGURA 4.6 SIMPLIFICADO ........................................................................................................ 35
FIGURA 3.10: VARIAÇÃO DO FLUXO LIGADO EM FUNÇÃO DA POSIÇÃO DO MAGNETO. .............................................................. 37
FIGURA 3.13.A: GEOMETRIA DO CIRCUITO MAGNÉTICO ESTUDADO. .................................................................................... 38
FIGURA 3.13.B: TOPOLOGIA DOS MAGNETOS USADOS PARA FORMAR UM PÓLO DA MÁQUINA. ................................................. 38
FIGURA 3.11: CIRCUITO MAGNÉTICO USADO NO FEMM PARA O ESTUDO DO FLUXO MAGNÉTICO, COM PROFUNDIDADE DE 275MM.
FIGURA 3.12: PORMENOR DE APROXIMAÇÃO DOS MAGNETOS UTILIZADOS NO CIRCUITO MAGNÉTICO. ....................................... 40
FIGURA 3.14: POSIÇÃO DA SECÇÃO NA PERNA. ................................................................................................................ 40
FIGURA 3.15: POSIÇÃO DA SECÇÃO NA PERNA PARA OBTER OS VALORES DE REFERÊNCIA. ......................................................... 41
FIGURA 3.16: GRÁFICO DA VARIAÇÃO DO FLUXO MAGNÉTICO PARA DIFERENTES ENTREFERROS. ................................................ 41
FIGURA 3.7: APROXIMAÇÃO DOS MAGNETOS UTILIZADOS NO CIRCUITO MAGNÉTICO. .............................................................. 42
FIGURA 3.18: GRÁFICO DA VARIAÇÃO DO FLUXO MAGNÉTICO PARA DIFERENTES ALTURAS DO MAGNETO. .................................... 42
FIGURA 3.19: EXEMPLO DE FUGAS MAGNÉTICAS DEVIDO AO AUMENTO DA ALTURA DOS MAGNETOS “HM”. ................................ 43
FIGURA 3.20: APROXIMAÇÃO DOS MAGNETOS UTILIZADOS NO CIRCUITO MAGNÉTICO. ............................................................ 43
FIGURA 3.21: GRÁFICO DA VARIAÇÃO DO FLUXO MAGNÉTICO PARA DIFERENTES DISTÂNCIAS ENTRE MAGNETOS. .......................... 44
FIGURA 3.22: GRÁFICO DO FLUXO MAGNÉTICO CRIADO QUANDO TEMOS L=5MM. ................................................................. 44
FIGURA 3.23: GRÁFICO DO FLUXO MAGNÉTICO CRIADO QUANDO TEMOS L=2,5MM. .............................................................. 45
IX
FIGURA 3.24: GRÁFICO DO FLUXO MAGNÉTICO CRIADO QUANDO TEMOS L=0MM. ................................................................. 45
FIGURA 3.25: CIRCUITO MAGNÉTICO USADO NO FEMM PARA O ESTUDO DO FLUXO MAGNÉTICO.............................................. 46
FIGURA 3.26: GEOMETRIA CARACTERÍSTICA DAS PEÇAS POLARES USADAS NA MAIOR PARTE DAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS. ............... 46
FIGURA 3.27: VISTA APROXIMADA DE UMA DAS EXTREMIDADES NUMA PERNA DA PEÇA POLAR. ................................................ 47
FIGURA 3.28: A VERMELHO TEMOS A RECTA COLOCADA A MEIA ALTURA NA PERNA POR FORMA A ACHAR OS VALORES. .................. 47
FIGURA 3.29: GRÁFICO DO VALOR MÉDIO DO CAMPO MAGNÉTICO NORMAL À SUPERFÍCIE CONSIDERADA. ................................... 48
FIGURA 3.30: GRÁFICO DO FLUXO MAGNÉTICO NO CIRCUITO. ........................................................................................... 48
FIGURA 3.32: VARIAÇÃO DA MASSA DE UMA PEÇA POLAR. ................................................................................................. 49
FIGURA 3.33: EXEMPLO DE UMA PEÇA CONDUTORA LAMINADA EM PARALELO COM O CAMPO MAGNÉTICO. ................................ 50
FIGURA 4.1: CORTE TRANSVERSAL DO ESTATOR EXTERIOR. ................................................................................................. 51
FIGURA 4.2: JANELA DE COBRE DE UMA FASE DA MÁQUINA. ............................................................................................... 52
FIGURA 4.3: PROFUNDIDADE DE PENETRAÇÃO “Δ” NUM CONDUTOR ELÉCTRICO. .................................................................... 54
FIGURA 4.4: GRÁFICO DA EVOLUÇÃO DA PROFUNDIDADE DE PENETRAÇÃO COM A FREQUÊNCIA. ................................................ 54
FIGURA 4.5: SECÇÃO DE CONDUTORES TESTADOS NO COMSOL. ........................................................................................ 55
FIGURA 4.6: VARIAÇÃO DA DENSIDADE DE CORRENTE PARA A FREQUÊNCIA DE 11HZ............................................................... 55
FIGURA 4.7: VARIAÇÃO DA DENSIDADE DE CORRENTE PARA A FREQUÊNCIA DE 0.01HZ............................................................ 56
FIGURA 4.8: CONDUTOR DE CORRENTE DE UMA DAS FASES DA MÁQUINA.............................................................................. 56
FIGURA 4.9: VARIAÇÃO DA DENSIDADE DE CORRENTE EM RAIOS DE CURVATURA RELATIVAMENTE PEQUENOS. .............................. 57
FIGURA 4.10: VARIAÇÃO DA DENSIDADE DE CORRENTE EM RAIOS DE CURVATURA RELATIVAMENTE GRANDES. .............................. 57
FIGURA 4.11: EXEMPLO DE ENROLAMENTO TIPO ROEBEL [12]. .......................................................................................... 58
FIGURA 4.12: EXEMPLO DE ENROLAMENTO TIPO LITZ. ...................................................................................................... 58
FIGURA 4.13: ENROLAMENTO ESTATÓRICO DE UMA FASE DA MÁQUINA ............................................................................... 59
FIGURA 4.14: CORTE TRANSVERSAL DO ENROLAMENTO DE COBRE. ...................................................................................... 60
TABELA 3: CARACTERÍSTICAS DE TEMPERATURA DAS DIFERENTES CLASSES DE ISOLAMENTO ELÉCTRICO. ....................................... 60
FIGURA 4.15: CONDUÇÃO DE CALOR ATRAVÉS DE UM SÓLIDO. ........................................................................................... 61
FIGURA 4.16: CORTE TRANSVERSAL DE 3 ESPIRAS. ........................................................................................................... 63
FIGURA 4.17: CORTE TRANSVERSAL DE 3 ESPIRAS “CURTO-CIRCUITADAS”. ............................................................................ 63
FIGURA 4.18: VARIAÇÃO DA TEMPERATURA SEM O EFEITO DA CONTINUIDADE. ...................................................................... 64
FIGURA 4.19: VARIAÇÃO DA TEMPERATURA COM EFEITO DA CONTINUIDADE. ........................................................................ 64
FIGURA 4.20: JANELA DE COBRE PREENCHIDA POR UMA ÚNICA ESPIRA. ................................................................................ 65
FIGURA 4.21: JANELA DE COBRE PREENCHIDA POR NOVE ESPIRAS. ....................................................................................... 65
FIGURA 4.22: JANELA DE COBRE PREENCHIDA POR 16 ESPIRAS. .......................................................................................... 65
FIGURA 4.23: JANELA DE COBRE PREENCHIDA POR 25 ESPIRAS. .......................................................................................... 66
X
FIGURA 4.24: GRÁFICO DA DENSIDADE DE PERDAS (OS VALORES DO EIXO DO Y’S DEVEM SER MULTIPLICADOS POR 100). ............... 66
FIGURA 4.25: GRÁFICO DO VALOR DE CORRENTE NO CONDUTOR (OS VALORES DO EIXO DO Y’S DEVEM SER MULTIPLICADOS POR 100).
FIGURA 4.26: COMPARAÇÃO ENTRE A CORRENTE E O VOLUME ÚTIL DE COBRE (OS VALORES DO EIXO DO Y’S DEVEM SER
MULTIPLICADOS POR 100). ................................................................................................................................. 67
FIGURA 4.27: OCUPAÇÃO DA JANELA DIPONIVEL DE COBRE POR DUAS ESPIRAS. ..................................................................... 68
FIGURA 4.28: ESTUDO CONVECTIVO DA GEOMETRIA APRESENTADA NA FIGURA 4.27. ............................................................. 68
FIGURA 4.29: ESTUDO CONVECTIVO DA GEOMETRIA APRESENTADA NA FIGURA 4.27, EM QUE O FLUÍDO TEM O DOBRO DA VELOCIDADE
QUE O ESTUDO DA FIGURA 4.28. .......................................................................................................................... 69
FIGURA 4.30: GRÁFICO REFERENTE À VARIAÇÃO DA DENSIDADE DE PERDAS (VALORES DO EIXO DO Y’S DEVEM SER MULTIPLICADOS POR
FIGURA 4.31: GRÁFICO REFERENTE À VARIAÇÃO DA DENSIDADE DE CORRENTE (VALORES DO EIXO DO Y’S DEVEM SER MULTIPLICADOS
POR 100). ....................................................................................................................................................... 70
FIGURA 6.1: MÁQUINA DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA. ......................................................................................................... 73
FIGURA 6.2: VISTA DA CAMARA DE PROTOTIPAGEM. ......................................................................................................... 73
FIGURA 6.3: MATERIAL USADO NA FIXAÇÃO DAS VÁRIAS PEÇAS. .......................................................................................... 74
FIGURA 6.4: MONTAGEM DO ESTATOR INTERIOR. ............................................................................................................ 74
FIGURA 6.5: ESTATOR INTERIOR COMPLETAMENTE MONTADO. ........................................................................................... 75
FIGURA 6.6: ROTOR DA MÁQUINA COMPLETAMENTE MONTADO. ........................................................................................ 75
FIGURA 6.7: PEÇAS POLARES DO ESTATOR EXTERIOR. ........................................................................................................ 76
FIGURA 6.8: ESTATOR EXTERIOR PARCIALMENTE MONTADO, JÁ COM OS ENROLAMENTOS ESTATÓRICOS MONTADOS. .................... 76
FIGURA 6.9: ESTATOR EXTERIOR, INTERIOR E ROTOR PRONTOS A SEREM MONTADOS, PARA FORMAREM O GERADOR FINAL. ............ 77
Como estudante e finalista do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
foi-me dado a escolher, de entre várias áreas de estudo existentes no Departamento de Engenharia
Electrotécnica, um tema para investigar e desenvolver como dissertação de mestrado. O tema que
escolhi desde cedo despertou o meu interesse, pois torna-se cada vez mais importante o
desenvolvimento de geradores de magnetos permanentes de fluxo transverso, originando novos
equipamentos que maximizam a recolha de energia disponível nas fontes renováveis (energia das
ondas e eólica). Assim, de entre os temas disponíveis para a realização da dissertação, na área de
Energia, o tema que escolhi pareceu-me o mais adequado por versar um tema actual e também por
ser um complemento de espectro largo à minha formação, visto que além de incidir sobre temas de
electromagnetismo e produção de energia, também engloba áreas como a Mecânica e a
Termodinâmica.
1.2 Trabalhos anteriores
O estudo que realizei tem como base trabalhos já realizados por colegas ao longo dos anos no
departamento de energia, no Instituto Superior Técnico. De seguida citarei alguns dos trabalhos que
usei como base na realização do meu trabalho.
Além de outros trabalhos preliminares citam-se os mais recentes como na dissertação, Protótipo de
um Gerador Linear para aproveitamento de Energia das Ondas num Sistema AWS, onde se estudou e
construiu um protótipo de um gerador linear de fluxo transverso para aproveitamento de energia
das ondas num sistema AWS. Nesta dissertação realizou estudos teóricos do funcionamento da
máquina, onde obteve resultados do funcionamento da máquina em vazio, à plena carga e com
ponte de rectificação [8]. O protótipo, desenvolvido durante a dissertação atras apresentada,
demonstrou problemas ao nível das forças electromagnéticas desenvolvidas pela máquina quando
esta entrava em funcionamento, para atenuar este problema foi realizada a dissertação, Protótipo de
um Gerador Linear para aproveitamento de Energia das Ondas [9], que modelou e construiu um
protótipo trifásico da mesma topologia usada na primeira dissertação apresentada.
No seguimento das dissertações apresentadas no parágrafo anterior, aparece a dissertação: Gerador
Eólico Polifásico de Fluxo Transverso com Magnetos Permanentes, onde foi proposto a um meu
colega que convertesse o gerador linear, atrás mencionado, num gerador rotativo. Esta configuração
torna possível a utilização deste tipo de topologia em aerogeradores [1], “fechar” um gerador linear
tornando-o rotativo, não é simples, pois é necessário estudar e desenvolver soluções mecânicas que
2
possibilitem esta configuração, bem como estudar as suas características electromagnéticas de
forma a optimizar esta nova configuração.
1.3 Resumo do trabalho realizado
Esta dissertação tem como principal objectivo continuar o trabalho realizado por outros colegas
sobre o estudo de máquinas eléctricas de fluxo magnético transversal. Esta topologia de máquina
tem como principal característica o aproveitamento directo e eficiente de energia cinética de baixas
velocidades.
Com esta dissertação procurei contribuir para um melhor conhecimento do gerador rotativo de fluxo
transverso, através da implementação de metodologias suportadas em modelos de elementos
finitos. Na modelação por elementos finitos foi utilizado o programa FEMM (no estudo magnético), o
programa COMSOL (no estudo térmico) e, para o tratamento de dados foi utilizado o MATLAB. Para a
análise de aspectos construtivos e estudo mecânico foi utilizado o programa SOLIDWORKS.
1.4 Organização da dissertação
Esta dissertação encontra-se dividida em seis capítulos. O primeiro capítulo trata a introdução ao
tema e à dissertação apresentada e o último capítulo à conclusão do trabalho. Do segundo ao 5
capítulo é apresentado todo o trabalho de desenvolvimento sobre o tema da dissertação.
No primeiro capítulo apresenta-se o tema da dissertação, as motivações que levaram à sua escolha, é
feita uma pequena descrição da mesma e indicando-se a sua estrutura, bem como, é feita uma
descrição do estado de desenvolvimento da topologia de magnetos permanentes de fluxo
transverso.
No segundo capítulo tenta-se resolver problemas, encontrados em dissertações anteriores [1], ao
nível mecânico. Neste capítulo é apresentada uma possível configuração de um gerador de fluxo
transverso, onde são apresentadas soluções de montagem e de apoios mecânicos. Neste capítulo é
apresentada uma possível configuração de um gerador de fluxo transverso, onde são apresentadas
soluções de montagem e de apoios mecânicos.
As fugas magnéticas e o campo de indução magnética são característicos fundamentais que
determinam o funcionamento de qualquer máquina eléctrica. No terceiro capítulo é também
apresentado uma descrição dos vários tipos de magnetos permanentes existentes no mercado.
No quarto capítulo é realizado o estudo eléctrico, onde se evidência as limitações do mesmo ao nível
térmico e, é também apresentado o estudo do efeito pelicular na topologia considerada.
No quinto capítulo apresenta-se uma estimativa de potência da máquina estudada.
3
No capítulo seis é explicada a forma e os materiais usados na construção maquete do gerador de
magnetos permanentes de fluxo transverso.
No sétimo capítulo são apresentadas as conclusões do trabalho e são dadas algumas ideias para
trabalhos futuros.
1.5 Geradores electromecânicos
Um gerador eléctrico é uma máquina que permite transformar energia mecânica em energia
eléctrica. A energia mecânica é captada por uma turbina, directamente da fonte de energia,
transmitindo essa energia até ao gerador eléctrico. Existem vários tipos de turbinas, cada uma delas
adaptada à origem e tipo de energia que se pretende transformar.
Ao usar-se como referência a energia eólica é possível verificar-se que a máquina mais usado como
gerador neste tipo de energia é o gerador de indução duplamente alimentado. Como alternativa ao
gerador duplamente alimentado, aparece o gerador síncrono, convencional ou de magnetos
permanentes, com ou sem caixa multiplicadora de velocidades, este último caso corresponde a outra
alternativa nos sistemas de conversão de energia eólica: sistemas com accionamento directo.
As máquinas síncronas de magnetos permanentes, comparativamente ao gerador de indução
duplamente alimentado e, mesmo, em relação à máquina síncrona convencional, apresentam um
rendimento eléctrico superior. Esta diferença de rendimentos prende-se com o facto da máquina
síncrona de magnetos permanentes eliminar as perdas de Joule que ocorrem no circuito eléctrico de
excitação do rotor. Esta máquina permite também uma maior fiabilidade e menor manutenção ao
eliminar o sistema de excitação (anéis colectores e escovas).
Uma desvantagem da máquina síncrona de magnetos permanentes é o facto de todo o
processamento de potência eléctrica ser feita através do conversor electrónico, aumentando as
perdas no mesmo.
Neste trabalho irá ser estudado um gerador eléctrico rotativo, para a conversão de energia mecânica
de baixa velocidade, como por exemplo em fontes de energia eólica offshore. É então importante
analisar as várias topologias existentes para geradores rotativos.
1.5.1 Orientação do fluxo magnético no núcleo estatórico
O que caracteriza o tipo de orientação do fluxo magnético no núcleo de ferro da peça estatórica é a
direcção da distribuição da densidade de fluxo magnético comparativamente com a direcção de
rotação do rotor. Assim, quando a distribuição da densidade de fluxo magnético no estator é paralelo
à direcção de movimento do rotor, estamos perante um fluxo de orientação longitudinal. Por outro
lado, se o fluxo magnético tiver uma orientação perpendicular com a direcção de rotação do rotor,
estamos perante um fluxo magnético transversal.
4
Figura 1.1: Representação dos tipos de orientação do fluxo magnético: a) Fluxo magnético longitudinal; b) Fluxo magnético transversal [2].
1.5.2 Geradores convencionais
1.5.2.1 Máquina síncrona
A máquina síncrona convencional é largamente utilizada em várias aplicações. Esta máquina é
utilizada sobretudo como gerador em centrais termoeléctricas e hidroeléctricas. A designação de
síncrona deve-se ao facto de a máquina funcionar à velocidade de rotação constante, definida pela
frequência da rede à qual está ligada.
Figura 2.1: Exemplo de máquina síncrona.
Os alternadores e motores síncronos são constituídos pelo rotor e pelo estator (figura. 2.1). No rotor
está montado o enrolamento indutor que é percorrido por uma corrente contínua e tem como
função criar um campo magnético intenso. No estator estão montados os enrolamentos induzidos
nos quais se efectua a conversão electromecânica de energia. As correntes e tensões, em regime
permanente, são alternadas no estator e contínuas no rotor.
5
A ligação eléctrica entre a parte móvel, o rotor, e o exterior pode fazer-se através de vários processos
sendo um dos mais vulgares, a utilização de anéis colectores e escovas de grafite fixas. Esta
configuração exige, do sistema de excitação, uma manutenção regular devido ao desgaste dos anéis
e das escovas. Como alternativa a este método de excitação, o enrolamento do rotor pode ser
substituído por magnetos permanentes. Esta alternativa pode traduzir-se numa redução do tamanho
da máquina eliminando pontos de falha que requerem atenção, contudo a utilização de magnetos
permanentes para o sistema de excitação tem um custo mais elevado numa fase inicial e ficando-se
sem a possibilidade de regular a tensão de saída [3].
1.5.2.2 Máquina assíncrona
A máquina assíncrona, ou de indução, é uma máquina que funciona sem necessitar de uma fonte de
corrente para o enrolamento de campo. As correntes no rotor são induzidas electromagneticamente,
a partir da corrente que circula no enrolamento do induzido.
Figura 2.2: Exemplo de máquina assíncrona.
Este comportamento pode ser alcançado utilizando enrolamentos normais, ou seja, um rotor
bobinado, ou utilizando uma estrutura bastante mais simples, de barras paralelas ao veio, feitas em
metal condutor ligadas com anéis nas extremidades conhecida como gaiola de esquilo.
As máquinas assíncronas são muito usadas como motores eléctricos, quando usadas como gerador
apresentam, comparativamente, um rendimento mais fraco, principalmente em baixas velocidades.
1.5.2.3 Manutenção em máquinas eléctricas convencionais
Ao utilizar-se máquinas convencionais na produção de energia eléctrica deve-se ter em atenção o
local onde estas máquinas são instaladas, principalmente no que se refere às condições ambientais.
Por questões de manutibilidade deve-se adequar a topologia da máquina ao tipo de fonte de energia
(principalmente energia eólica onshore e offshore). Devido às condições adversas a que estes tipos
6
de geradores estão sujeitos, estes requerem características especiais de construção de forma a
minimizar a taxa de avarias, prolongando a vida útil da máquina.
Em muitos casos um aerogerador avaria devido a falhas mecânicas ao nível da sua caixa
multiplicadora de velocidade ou devido a avarias no próprio gerador eléctrico, como por exemplo, ao
nível do sistema de excitação por desgaste das escovas e anéis colectores, no caso das escovas obriga
a paragem da máquina periodicamente (diminuição do número de horas de funcionamento). De
forma a diminuir os tempos de indisponibilidade das máquinas é necessário explorar soluções que
facilitem a manutenção e substituição de peças, e minimizar os componentes sujeitos a maior
desgaste diminuindo assim os focos de falhas (caixa multiplicadora de velocidade, sistema de
excitação).
O uso de geradores com magnetos permanentes, elimina não só o uso de sistema de excitação como
possibilita também a remoção das caixas multiplicadoras devido ao elevado número de pares de
pólos que este tipo de geradores possibilita. O uso de partes modulares facilita a manutenção de
peças avariadas, permitindo a redução do custo de manutenção e evitando a substituição de toda a
máquina. Nesta dissertação é proposto um estudo de uma máquina de magnetos permanentes de
fluxo transverso com características que reduzem a sua manutibilidade diminuindo assim fontes de
avarias.
1.5.3 Máquina de fluxo transversal de magnetos permanentes (TFPM)
Existem vários conceitos de máquinas eléctricas. Neste subcapítulo será feita apenas uma análise a
máquinas de magnetos permanentes de fluxo transverso escolhida para a realização desta
dissertação, de forma a perceber-se melhor os seus princípios de funcionamento. Nas figuras
seguintes apresentam-se alguns exemplos de configuração deste tipo de máquinas.
Figura 2.3: Exemplo de máquina eléctrica de magnetos permanentes [2].
7
A máquina apresentada na figura 2.3, é uma máquina de magnetos permanentes de fluxo
transversal, a sua configuração transversal é caracterizada por possuir um enrolamento estatórico
anelar ao longo do perímetro da máquina. É possível obter uma máquina de N-fases através da
utilização de vários módulos, um por cada fase, dispostas ao longo do eixo da máquina.
A máquina apresentada de seguida (figura 2.4), é como a anterior, uma máquina de fluxo transversal
de magnetos permanentes, com entreferro, estator externo e rotor ranhurado no qual são dispostos
os magnetos numa distribuição que favorece a concentração do fluxo magnético, a cinzento-escuro
temos o enrolamento estatórico anelar ao longo do perímetro da máquina.
Figura 2.4: Exemplo de máquina com concentração de fluxo magnético de Dubois [2].
A máquina apresentada na figura 2.5, é uma máquina onde os magnetos são dispostos na superfície
do rotor, e os núcleos de ferro estão montados no estator por forma a existir um retorno do fluxo
magnético em forma de “i”.
Figura 2.5: Exemplo de máquina proposta por Blissenbach e Viorel em 2003, e por Svechkarenko em 2009 [4].
A máquina apresentada na figura 2.6 é um trabalho desenvolvido por Jianhu, em 2009. Trata-se de
uma máquina de fluxo magnético transverso onde os magnetos permanentes e os enrolamentos
8
estatóricos se encontram montados no estator, o rotor por seu lado tem montado nele as peças
polares que fecham o circuito magnético. A correcta disposição das peças de ferro montadas no
rotor permite que com o movimento do rotor o fluxo magnético se vá alternando originando uma
tensão eléctrica aos terminais do enrolamento estatórico.
Figura 2.6: Exemplo de máquina com fluxo magnético comutado por Jianhu (2009): (a) Representação parcial da máquina, onde se pode ver um par de pólos; (b) princípio de funcionamento do fluxo magnético comutado [5].
As máquinas de magnetos permanentes de fluxo transverso têm como uma possível vantagem o
facto das dimensões do circuito magneto (núcleo de ferro) serem independentes do circuito eléctrico
(enrolamento estatórico), isto permite que o espaço disponível para o circuito eléctrico seja
independente do passo polar implementado na construção da máquina. Esta característica permite a
utilização de passos polares reduzidos e elevadas densidades de corrente. Segundo o que concluiu
Maxime Dubois no seu trabalho de doutoramento [2], que a densidade de corrente de uma máquina
de magnetos permanentes de fluxo transversal, pode atingir valores até dez vezes superiores que a
densidade de corrente numa máquina de fluxo longitudinal.
Outra vantagem importante deste tipo de máquinas, é a redução das perdas por efeito de Joule nos
enrolamentos, comparativamente a máquinas de fluxo longitudinal, uma vez que o volume de cobre
nesta máquina é menor comparativamente com as máquinas convencionais atrás apresentadas.
1.5.4 Máquina de fluxo axial de magnetos permanentes (AFPM)
Este tipo de topologia é uma alternativa possível aos geradores de fluxo radial, anteriormente
apresentados, em aplicações de baixa velocidade. A sua topologia permite acomodar uma elevada
quantidade de pólos.
A sua forma achatada, construção compacta e elevada densidade de potência torna a máquina AFPM
numa importante alternativa às topologias convencionais de fluxo radial.
9
Figura 2.7: Exemplos de máquinas de fluxo axial [6]: a) máquina axial com um estator; b) máquina axial com duplo estator.
Este tipo de topologia permite criar diversas subtopologias, que podem ser criadas com um
entreferro ou múltiplos e com ou sem cavas no estator. É frequente desenhar máquinas sem cavas
para geradores de baixa potência, onde os magnetos permanentes são dispostos na superfície
rotórica. Um importante constrangimento deste tipo de máquinas é que à medida que a potência
dela aumenta, a superfície de contacto entre o rotor e o veio torna-se cada vez mais pequena, esta
característica resulta em avarias frequentes neste tipo de máquinas. Além do constrangimento atrás
apresentado, a bobinagem do estator em geradores polifásicos é pouco conveniente.
1.5.5 Topologia seleccionada
A topologia abordada ao longo desta dissertação foi a máquina de fluxo transversal de magnetos
permanentes (TFPM). Esta escolha foi feita devido ao facto de existirem já trabalhos anteriores em
torno desta topologia que precisavam de ser complementados (figura 2.8).
Figura 2.8: Topologia de Máquina TFPM [1].
a) b)
10
Como se pode ver na figura 2.8, esta máquina possui dois estatores e um rotor. O rotor da máquina é
construído de forma a assegurar que cada magneto origina um fluxo magnético na peça polar do
estator interior e exterior.
Figura 2.9: Detalhe sobre o circuito magnético.
Os magnetos permanentes (paralelepípedos a vermelho e azul) representados na figura 2.9, estão
orientados perpendicularmente à direcção do movimento rotórico, onde as setas nos
paralelepípedos representam orientação magnéticas norte-sul e sul-norte conforme o caso.
A orientação transversal do fluxo magnético no núcleo do estator, apresentado no ponto 1.5.3 atrás
mencionado, é esperada que a corrente eléctrica de carga numa máquina com esta topologia, possa
ser até mais dez vezes superior a uma máquina com um fluxo no núcleo do estator longitudinal, tal
como já mencionado atrás. Esta topologia, TFPM, permite também que o enrolamento estatórico
mais simples. Na orientação longitudinal o espaço disponível para os condutores depende
directamente do dente do estator que por sua vez influência de forma directa o passo polar dos
magnetos e limita assim o número de pares de pólos da máquina. Pode-se concluir que uma máquina
com fluxo longitudinal (máquinas convencionais) tem como inconvenientes a limitação do número de
pares de pólos, a dificuldade no enrolamento dos condutores estatóricos e poderá ter menor
capacidade de aquecimentos devido ao facto dos condutores estarem introduzido dentro de cavas
no estator.
11
Capítulo 2
2.1 Apresentação da Topologia do gerador e Estudo mecânico
O estudo mecânico desenvolvido ao longo deste capítulo procurou resolver problemas e
complementar soluções de outros referenciadas em trabalhos anteriores [8][9]. O gerador que se vai
analisar foi também analisado em trabalhos anteriores e é caracterizado pela existência de um
estator duplo. No entanto, não foram convenientemente analisados e resolvidos problemas ao nível
dos apoios mecânicos, não tinham em atenção passagem de cabos eléctricos e também não tomava
em conta princípios de montagem/desmontagem, para fins de manutenção.
2.2 Apresentação da topologia da máquina eléctrica
Neste capítulo vai-se explicar a geometria considerada para cada peça, do ponto de vista mecânico e
eléctrico. De forma a facilitar a compreensão e explicação da geometria considerada para a máquina
eléctrica, pintou-se de cores diferentes as peças chave da máquina e esta foi dividida em três
componentes fundamentais: estator interior, rotor e estator exterior (figura 2.1).
Figura 2.1: Gerador trifásico de magnetos permanentes de baixa velocidade, vista em perspectiva.
Figura 2.2: Da esquerda para a direita: Estator interior, Rotor e Estator exterior.
12
Devido ao facto da topologia estudada neste trabalho possuir mais que um estator, houve a
necessidade de estudar e desenvolver soluções mecânicas e eléctricas para que esta topologia seja
possível de se concretizar. Realizou-se este estudo com recurso ao programa Solidworks, programa
de construção e simulação 3D.
É de realçar que a solução proposta de seguida não é a única possível e deve ser entendida como
exploratória. A construção de um protótipo pode acrescentar novos desafios e ou dificuldades à
implementação da topologia considerada.
2.2.1 Topologia estator exterior
Neste ponto será dada uma explicação de todos os componentes que formam o estator exterior.
Figura 2.3: Estator Exterior da máquina.
Para o suporte da máquina eléctrica usa-se sapatas, como as que são apresentadas na figura 2.4. As
sapatas devem ser suficientemente robustas para suportar o peso da máquina e aguentar esforços
resultantes de regimes transitórios.
Figura 2.4: Sapatas de suporte da máquina: a) sapata integrada na jante do estator exterior; b) sapata independente do estator exterior.
a) b)
13
Na figura 2.5 pode-se ver em pormenor, a zona de fixação dos suportes onde são montadas as peças
polares com formato de “E”(figura 2.5.b) e forma como é bloqueado o veio do estator interior (figura
2.5.b). É importante realçar que deve ser acautelada a correcta imobilização do estator interior face
ao movimento do rotor e dos esforçoes electromagnéticos aque fica sujeito.
Figura 2.5: Sapata integrada na jante: a) pormenor do entalhe de bloqueio do veio do estator interior; b) pormenor do entalhe de fixação do suporte da peça polar.
A fixação do suporte da peça polar pode ser realizada através da colagem das mesmas, ou por
soldagem dos suportes nos entalhes (figura 2.5.b).
O suporte da peça polar permite-nos criar espaço para a colocação, no interior do estator exterior do
rotor e estator interior. Uma das extremidades do suporte deve ser furada, para que seja possível o
acesso ao interior do estator exterior.
Figura 2.6: a) Pormenor do suporte com a peça polar montada; b) pormenor do furo na extremidade do suporte.
a)
b)
a)
b)
14
De salientar que a peça polar em forma de “E” deve acompanhar a curvatura exterior do rotor, por
forma a garantir sempre o mesmo valor de entreferro em todo o largura da peça polar.
Figura 2.7: Imagem onde se pode ver o estator exterior fechado.
Para permitir o fácil acesso aos componentes do estator exterior e por forma a conseguir-se
introduzir e extrair o rotor e o estator interior, é utilizada uma jante (figura 2.8) que é apertada aos
suportes das peças polares.
Figura 2.8: Jante do estator exterior: a) pormenor da zona de aperto da jante ao suporte da peça polar; b) pormenor do batente do rolamento.
a)
b)
15
A classe e dimensão dos parafusos usados na fixação da jante devem ser devidamente estudados
para que estes não quebrem durante o funcionamento da máquina. Mais à frente neste capítulo será
explicado a utilização do batente (figura 2.8.b)
2.2.2 Topologia estator interior
O estator interior, figura 2.9, é como o nome indica um componente estático, que devido à topologia
da máquina estudada, se encontra montada dentro do rotor e este por sua vez está montado dentro
do estator exterior.
Figura 2.9: Pormenor da localização do estator interior dentro do estator exterior.
Os toroides a castanho visiveis no pormenor da figura 2.9, representam os enrolamentos de cobre.
Depois de se retirar os enrolamentos estatóricos obtem-se a seguinte figura.
Figura 2.10: Estator interior sem os enrolamentos de cobre.
16
O estator interior é composto por duas jantes iguais (figura 2.11), as jantes são soldadas ao veio do
estator interior (figura 2.12). Os entalhes rectângulares ao longo do perimetro da jantes servem para
fixar as peças polares. Os entalhes, com forma semelhante a um triângulo, têm como principal
objectivo poupar no peso total da máquina.
Figura 2.11: Jante do estator interior.
Figura 2.12: Veio estator interior: a) pormenor passagem de cabos; b) pormenor entalhe de bloqueio do estator interior; c) pormenor de entalhe bloqueio da porca de rolamento.
Na figura 2.12 pormenor a), a passagem de cabos é importante para conseguirmos passar os cabos
eléctricos dos enrolamentos do estator interior. O entalhe, pormenor b, bloqueia o veio do estator
interior em conjugação com a chave mostrada na figura 2.5.a. O entalhe, pormenor c, serve para
bloquear a porca de aperto do rolamento através de um freio, este conjunto será mostrado mais
adiante neste capítulo. É importante realçar que as peças estatóricas do estator interior e exterior
a)
b)
c)
17
não são totalmente iguais. As peças polares usadas no estator exterior têm as extremidades das
pernas côncavas, enquanto que no caso do estator interior as mesmas extremidades são convexas.
2.2.3 Topologia do rotor
O rotor é a peça da máquina que tem movimento proporcionado por uma fonte de energia
mecânica. Torna-se então importante garantir que o rotor se encontra devidamente apoiado e
equilibrado, para que seja possível o correcto funcionamento da máquina.
Figura 2.13: a) vista do rotor de frente; b) vista do rotor por trás.
A jante rotórica, figura 2.14, deve ter um entalhe ao longo do perimetro da mesma, para que
aumente a área de fixação da superficie cilindrica que aloja os magnetos. Os estalhes com forma
triângular tem como objectivo diminuir o peso da peça, criando também locais por onde pode
circular o ar para arrefecimento do estator interior.
Figura 2.14: Jante do rotor.
a) b)
18
Uma das jantes deve ser fixa através de parafusos (figura 2.16), enquanto que a outra pode ser
soldada ou colada permanentemente à superficie cilindrica onde estão alojados os magnetos. A jante
fixa por parafusos permite o acesso ao interior do rotor, para que seja possivel introduzir e retirar o
estator interior (figura 2.15).
Figura 2.15: Estator interior dentro do rotor.
Figura 2.16: Pormenor da fixação de uma das jantes através de parafusos.
19
2.2.4 Configuração dos apoios dos vários componentes do alternador
Dada a complexidade da máquina estudada, teve-se que arranjar uma solução viável para o seu
funcionamento. A figura que se segue (figura 2.17) é um corte transversal da máquina eléctrica, onde
é possível visualizar com mais detalhe os apoios idealizados para a máquina estudada.
Figura 2.17: Aproximação dos apoios da máquina.
De forma a facilitar a compreensão de como são feitos os apoios do rotor, estator interior e estator
exterior, divide-se os apoios em duas partes (parte A e B da figura 2.17).
Os dois estatores estão presos entre si, através do entalhe (figura 2.12 pormenor b) criado no veio do
estator interior que é bloqueado na sapata de suporte do estator exterior (figura 2.5 pormenor a).
Podemos ver na figura 2.17, parte B, o veio do estator interior bloqueado na sapata do estator
exterior.
A
B
20
Figura 2.18: Parte A referente à figura 2.17: a) pormenor de fixação do rolamento radial interior.
O apoio do veio oco do rotor, responsável pela transmissão de potência mecânica originária da fonte
de energia, é feito sobre a sapata de suporte da máquina através de um par de rolamentos radiais. O
rolamento radial interior, identificado na figura 2.18, é responsável pelo apoio do veio do estator
interior dentro do veio oco do rotor. O rolamento radial exterior faz o apoio do veio oco do rotor e
veio do estator interior na sapata de suporte da máquina.
Os rolamentos radiais de dupla carreira, como os atrás apresentados, têm uma capacidade de carga
radial superior à dos de uma carreira de esferas e uma reduzida capacidade de carga axial.
A imobilização do rolamento radial exterior é feita recorrendo-se a uma chumaceira (figura 2.19)
apertada na sapata de suporte da máquina.
Chumaceira
Veio rotor oco
Freio Anel de aperto
do rolamento
Tampa chumaceira
Veio estator
interior
Rolamento
radial
interior
Rolamento
radial exterior
Sapata
Jante estator exterior
a)
21
Figura 2.19: Chumaceira do rolamento exterior em vista explodida.
O rolamento radial interior é imobilizado no local pretendido, recorrendo a um anel de aperto
roscado (figura 2.20.a). Para evitar o desaperto do anel, utiliza-se um freio em chapa (figura 2.20.b).
Figura 2.20: a) Anel de aperto do rolamento; b) Freio.
No pormenor a), da figura 2.20, pode-se ver como é feita a imobilização do veio do estator interior
na sapata com a jante integrada do estator exterior.
a)
b)
22
Figura 2.21: Parte B referente à figura 2.17: a) pormenor de bloqueio do veio do estator interior.
O rolamento usado para imobilizar o veio do estator interior face ao rotor móvel, é um rolamento de
contacto angular. Usa-se este tipo de rolamento para evitar movimentos axiais dos veios, devido à
impulsão originada pela turbina responsável pela captação da energia mecânica da fonte.
Os rolamentos de contacto angular são assim designados porque a normal à área de contacto faz um
determinado ângulo com o plano da face do rolamento. Este tipo de rolamento suporta elevadas
cargas axiais apenas num sentido e apresenta uma boa capacidade de carga radial.
O rolamento angular encontra-se dentro da chumaceira (figura 2.22), a chumaceira é soldada à jante
do rotor movendo-se com ele (figura 2.13.b).
Figura 2.22: a) Chumaceira de rolamento de contacto angular.
Chumaceira
Rolamento de contacto
angular
Veio estator
interior
a)
23
É importante salientar que o estudo realizado para solução mecânica depende de vários factores,
onde o mais importante é o dimensionamento da máquina em termos de potência eléctrica.
Havendo a necessidade de projectar tanto os elementos de transferência de binário, como seja o
rotor e os seus vários apoios mecânicos.
Neste estudo todas as dimensões são somente indicativas da solução mecânica,existindo no caso dos
apoios várias soluções para além da indicada, que passa pela utilização de rolamentos. Para
potências superiores pode haver a necessidade de substituir os apoios com rolamentos por outro
tipo de apoio.
2.3 Perdas Mecânicas
É extremamente importante quantificar e qualificar-se as perdas decorrentes do funcionamento de
qualquer tipo de máquina. As perdas totais na máquina eléctrica em estudo, equação 2.1, dividem-se
em perdas mecânicas, perdas no ferro dos estatores e no rotor, perdas por efeito de Joule nos
condutores eléctricos e perdas devido à ventilação.
Figura 2.23: Diagrama da conversão de energia.
De seguida serão apresentadas as perdas referentes à componente mecânica da topologia em
estudo de magnetos permanentes. As perdas no ferro e por efeito de Joule serão explicados no
capítulo 3 e 4, respectivamente.
24
2.3.1 Perdas mecânicas
Todos os equipamentos mecânicos têm perdas por atrito devido ao deslizamento entre superfícies.
As perdas por atrito aparecem devido à interacção entre superfícies estáticas e em movimento. Estas
perdas localizadas ao nível dos rolamentos diminuem a potência mecânica que é transformada no
alternador em potência eléctrica.
As perdas por fricção que ocorrem nos rolamentos, responsáveis pelos apoios radiais e axiais no
alternador, é designada por, “ ”:
Figura 2.24: Vista dos rolamentos onde existe dissipação de energia por fricção.
Potência dissipada no rolamento exterior, responsável por suporte de parte do peso do rotor e
estator interior:
Potência dissipada no rolamento interior, responsável pelo suporte de parte do peso do estator
interior:
E por fim a potência dissipada no rolamento de contacto angular, responsável pelo suporte de parte
do peso do estator interior:
Rolamento de contacto
angular
Rolamento exterior
Rolamento interior
25
As perdas totais devida à fricção é igual a:
[ ( ) ]
Onde “ ”, “ ” e “ ” são constantes de fricção nos rolamentos exterior, angular e
interior respectivamente, “ ”, “ ” e “ ” são os valores do peso do rotor
[kg], estator exterior e estator interior respectivamente. O número de rotações por minuto do rotor
[r.p.m.] é dado pela variável “n”.
Da análise da equação 2.7, conclui-se que a máquina deve usar o menor número de rolamentos e
deve ser o mais leve possível, por forma a diminuir as perdas mecânicas originadas pela fricção nos
rolamentos. Deve ser estudada a melhor solução em termos de lubrificação, que separe a superfície
estática da móvel, por forma a reduzir o atrito e por consequência a erosão.
26
Capítulo 3
3.1 Circuito Magnético
A topologia de magnetos permanentes de fluxo transverso, atrás apresentada, possui diferenças ao
nível da configuração do seu circuito magnético (comparativamente às máquinas convencionais atrás
apresentadas), o que leva a que estes circuitos tenham diferentes propriedades magnéticas e
eléctricas que definem parâmetros como a sua potência e frequência eléctrica. Um dos parâmetros
importantes nesta máquina é as suas grandes fugas magnéticas, devido ao comprimento do
entreferro, altura dos magnetos permanentes usados, espaçamento entre magnetos, comprimento
total do magneto e a largura da peça polar que forma o circuito magnético. A presença de fugas no
circuito magnético é o factor mais importante e limitativo da geometria do circuito magnético,
indicando-nos assim a viabilidade da máquina.
Para além do estudo das fugas magnéticas acima descritas, será também apresentado neste capítulo
uma breve explicação dos tipos de magnetos permanentes existentes.
3.2 Magnetos permanentes
A partir da década de 80, verificou-se uma evolução significativa na qualidade e eficácia dos
magnetos produzidos industrialmente. O grande interesse nos magnetos permanentes prende-se
com o facto de eles poderem gerar um fluxo magnético, num circuito magnético, sem a existência de
dissipação de energia eléctrica no circuito de excitação. A inexistência do circuito de excitação origina
uma redução principalmente de perdas por efeito de Joule, aumentando assim o rendimento da
máquina. Isto permite também à máquina de magnetos permanentes, comparativamente com as
máquinas que usam sistema de excitação, uma redução no peso total da máquina e menor
tempo/custo de manutenção.
Os Magnetos Permanentes apresentam algumas vantagens e desvantagens:
Vantagens:
Máquinas mais compactas;
Melhores rendimentos a nível energético.
Desvantagens:
Maior custo inicial na construção da máquina, principalmente se for usado magnetos do tipo
Terra-Rara (Nd2Fe14B, nomenclatura química para Neodymium de Ferro Boro);
Risco de desmagnetização irreversível, provocado por exemplo por altas temperaturas
(Temperatura de Curie);
27
Impossibilidade de controlo do fluxo magnético originado pelos ímanes.
A Temperatura de Curie é a temperatura a partir da qual um material ferromagnético perde a sua
propriedade magnetizante. Esta desmagnetização ocorre quando existe um desarranjo na
organização dos pólos magnéticos do material, perdendo assim as suas propriedades magnéticas.
Cada material ferromagnético tem a sua própria temperatura de Curie.