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PROJETO E SIMULAÇÃO DE UM MOTOR ELÉTRICO DE PASSO COM
NÚCLEOS OBTIDOS A PARTIR DA LIGA SINTERIZADA Fe-Ni1
Mesquita, Raul F.
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Pfingstag, M.E.3
Braga, E.C.3
Bittencourt, S.D. 4
Schaeffer, L. 6
Dias, M.M. 7
RESUMO
Este trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de um motor de passo 3 fases, 6 pólos com núcleo
do estator e rotor construídos a partir da liga Fe50%Ni obtida por Metalurgia do Pó M/P. Assim, são
descritos neste trabalho, a caracterização da liga sinterizada, com relação as propriedades elétricas,
magnéticas e mecânicas, projeto do motor e simulação por software de elementos finitos realizadas no
programa Femm 4.2. Este trabalho está vinculado a um projeto de pesquisa em rede de cooperação,
envolvendo várias instituições, onde um dos objetivos desta rede é o desenvolvimento de um mini
motor de diâmetro de 8 mm, com núcleos do rotor e estator a serem obtidos a partir da moldagem de
pós metálicos por injeção, e de construção e acionamento idênticos. Salienta-se que o motor proposto
neste trabalho, é um protótipo em escala 3 vezes maior, o qual, a partir deste, estão sendo realizados
estudos visando a construção do motor de menor escala. Salienta-se também, que os processos de
Metalurgia do Pó e Moldagem de Pós por Injeção são bastante semelhantes, o que justifica a
construção em escala do protótipo maior.
Palavras Chave: Material magnético macio, metalurgia do pó, núcleos de máquinas elétricas,
simulação de elementos finitos.
1Contribuição técnica a ser apresentada na 10º Encontro de Metalurgia do Pó e 4ª Conferência
Internacional de Metalurgia do Pó – Brasil/RS, 9 a 11 de outubro de 2013, Porto Alegre, RS, Brasil. 2Mestre do Programa de Pós-Graduação em Tecnologia de Materiais e Processos Industriais,
Universidade Feevale, Campus II, RS 239, 2755 – CEP 93352000 – Novo Hamburgo – RS – Brasil. E-
mail: [email protected]. 3Doutorando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e Materiais
(PPGEM).Laboratório de Transformação Mecânica. (LdTM), Depto. de Metalurgia, UFRGS. Av:
Bento Gonçalves,9500. CEP:91501-970, Porto Alegre, RS, Brasil . e-mail:
[email protected]. 4Graduando Eng. Eletrônica. Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas, Universidade Feevale,
Campus II. RS 239, 2755 – CEP 93352000 – Novo Hamburgo – RS – Brasil Fone: (51) 35868800
Fax: (51) 35868836 – e-mail: [email protected] ; 5Mestre - Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e Materiais (PPGEM).
Laboratório de Transformação Mecânica. (LdTM), Depto. de Metalurgia, UFRGS. Av.Bento
Gonçalves, 9500. CEP: 91501-970, Porto Alegre, RS, Brasil. E-mail: [email protected]. 6Prof. Dr. - Ing. Coordenador do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM), Depto. de
Metalurgia, PPGEM, UFRGS. Av: Bento Gonçalves, 9500. CEP: 91501-970, Porto Alegre, RS, Brasil.
e-mail: [email protected] 7Dr. Eng. Prof. Depto. Eng. Eletrônica e Mestrado em Tecnologia de Materiais. Instituto de Ciências
Exatas e Tecnológicas, Universidade Feevale, Campus II. RS 239, 2755 – CEP 93352000 – Novo
Hamburgo – RS – Brasil Fone: (51) 35868800 Fax: (51) 35868836 – e-mail: [email protected].
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1. INTRODUÇÃO
As máquinas elétricas rotativas podem funcionar como motor ou gerador, e possuem
duas partes básicas que são os núcleos do estator e rotor. Estes núcleos, com raras exceções,
são construídos, a partir de finas lâminas metálicas (chapas de aço baixo carbono) com
espessura menor que 1 mm, agrupadas em pacotes de chapas. Algumas máquinas de melhor
desempenho, como os geradores, são construídos com chapas de aço-silício, com percentual
de aproximadamente 3% de silício. O processo total para confecção destes núcleos consiste
basicamente em laminação, estampagem, um processo para isolação elétrica entre as chapas
adjacentes, empacotamento e fixação. [1, 2]
Os núcleos do rotor e estator, dependendo da configuração da máquina, são envolvidos
por enrolamentos alimentados por corrente elétrica contínua ou alternada. Núcleos magnéticos
envolvidos por enrolamentos alimentados por corrente elétrica alternada, ficam sujeitos a ação
de correntes parasitas, também conhecidos por correntes de Foucault, que são responsáveis
por apreciável perda de potência nestes núcleos. A construção destes núcleos magnéticos a
partir de chapas de aço isoladas eletricamente, reduz parcialmente as correntes parasitas,
reduzindo as perdas por correntes de Foucault. Em alguns tipos de máquinas são colocados
ímãs permanentes em substituição aos enrolamentos (ou do rotor ou estator) [1, 2]
Contudo, utilizando-se os processos da Metalurgia do Pó (M/P), de acordo com a
composição dos metais na liga, é possível construir estes núcleos em blocos maciços únicos,
com elevada permeabilidade magnética (característicos dos aços magnéticos) e alta
resistividade elétrica. [3],[4]. Na medida em que for possível construir motores elétricos em
blocos únicos e maciços, menos etapas estarão presentes na construção dos mesmos e menos
energia será consumida na produção destes. Salienta-se, porém que, os motores elétricos
convencionais com núcleos de chapas laminadas, geralmente, apresentam rendimento
significativamente maior, se comparado a motores elétricos com núcleos maciços, mesmo
aqueles obtidos a partir dos processos da metalurgia o pó. Assim, a aplicação da metalurgia do
pó em núcleos de máquinas elétricas, fica restrita a motores elétricos especiais, como por
exemplo, mini motores onde o rendimento não é o critério mais importante, e servomotores.
[3, 4]
O motor elétrico construído no presente trabalho foi um motor de passos de três fases,
quatro pólos, e para obter-se as características de alta resistividade elétrica, sem comprometer
em demasia a permeabilidade magnética, o rotor e estator foram constituídos de uma liga
obtida pela mistura de 50% em peso de ferro e 50% em peso de níquel, compactada e
sinterizada por processo convencional de metalurgia do pó. Seu projeto foi baseado em outro,
cujo motor possui escala três vezes menor com aplicação destinada à endoscopia, construído
por processo de Moldagem de Pós Metálicos por Injeção. Seu intuito foi o de proporcionar
conhecimento tecnológico na construção e montagem das bobinas do estator e estabelecer
comparativos entre os dois processos de Metalurgia do Pó.
2. MOTORES ELÉTRICOS A PARTIR DA METALUGIA DO PÓ
2.1. Processos da Metalurgia do Pó e suas Variações
Alguns tipos de motores elétricos especiais, possuem os núcleos do rotor e estator,
obtidos a partir de pós metálicos, utilizando-se os processos da Metalurgia do Pó, ou suas
variações:
Metalurgia do Pó Convencional: A M/P é um processo relativamente recente da metalurgia de
transformação, onde as peças são obtidas a partir dos pós constituintes. Os processos básicos da
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M/P são: Obtenção dos pós, Mistura, Compactação e Sinterização. As vezes é necessária uma
quinta etapa como a retificação. Na M/P os pós, depois de serem misturados, são compactados
em matrizes onde adquirem a forma da cavidade da matriz. Após, são colocados em fornos para
sinterização onde adquirem consistência e resistência mecânica. [5]
Materiais Microencapsulados: Soft Magnetic Composites Materiais ou simplesmente SMC
são basicamente partículas de pó ferromagnético revestidas por filme isolante elétrico como
polímeros e óxidos (figura 1-a). Componentes SMC são produzidos utilizando técnicas
tradicionais de metalurgia do pó. O processo de produção desses componentes, em linhas
gerais, consiste em compactação e posterior tratamento térmico para cura da resina ou
consolidação. A figura 1-b mostra um núcleo do rotor de motor síncrono por produzido por
SMC. [6].
(a) (b)
Figura 1 – (a) Partículas de pó ferromagnético microencapsuladas com uma camada
de isolante elétrico – (b) Núcleo de um motor síncrono fabricado. [6]
As propriedades físicas de interesse para uso de um determinado material e processo
em núcleos de máquinas elétricas rotativas ou motores elétricos estão relacionadas a seguir:
Propriedades Magnéticas (coercitividade, permeabilidade, indução de saturação)
Resistividade Elétrica
Propriedade Mecânicas (dureza ou ductilidade)
Com relação as propriedades magnéticas, os materiais a serem utilizados em núcleos
de máquinas elétricas devem possuir: Elevada permeabilidade magnética, o que reduz a
relutância do circuito magnético dos núcleos de ferro, concentrando todo o campo magnético
no entreferro. Elevada indução de saturação, o que possibilita trabalhar com maior fluxo
magnético, resultando em maior torque na ponta de eixo. Baixa coercitividade o que reduz as
perdas por ciclo de histerese. [1, 2]
Com relação a resistividade elétrica, esta deve possuir o maior valor possível, para
minimizar o efeito das correntes parasitas. Sempre que há a incidência de um fluxo alternado
sobre um núcleo magnético, haverá também correntes induzidas (correntes parasitas ou de
Foucault) sobre este núcleo. Tanto o estator como o rotor são construídos com chapas
laminadas e isoladas uma vez que, esta isolação entre chapas, restringe as correntes induzidas
a uma menor área de circulação. As perdas por correntes parasitas em um núcleo maciço são
consideravelmente maiores que as perdas em núcleos obtidos a partir de chapas isoladas
eletricamente. Quanto menor a espessura das chapas, menor são as correntes parasitas e
menor a perda de potência nestes núcleos. A redução das correntes induzidas, também podem
ser obtida a partir do aumento da resistência elétrica do corpo, ou a partir do aumento da
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resistividade elétrica do material, uma vez que, resistência ou resistividade e corrente elétrica,
são grandezas físicas inversamente proporcionais. Por este motivo, motores elétricos de alto
rendimento são construídos com chapas de aço silício, que possui resistividade elétrica maior
que o aço baixo carbono. [1, 2]
Com relação às propriedades mecânicas, materiais possívis de serem utilizados em
núcleos de máquinas elétricas, devem suportar os esforços causados pelo torque resistivo da
carga e vibrações entre outros. Assim, devem ser realizados ensaios de dureza ou ductilidade,
curva de compressão x deformação ou curva de escoamento e avaliação de microestrutura.
Em resumo, o material utilizado na construção dos núcleos do estator e rotor devem
apresentar as seguintes propriedades: [1, 2]
Elevada Permeabilidade Magnética Relativa;
Baixa Coercitividade Magnética;
Elevada Resistividade Elétrica;
Elevada Indução de Saturação.
Dureza e/ou Ductilidade Compatíveis com as vibrações as quais o motor é submetido
2.3. Fatores que Influenciam nas Propriedades Físicas de Materiais Sinterizados
As propriedades físicas dos materiais obtidos por M/P convencional ou MPI (ou MIM)
como, por exemplo, as magnéticas e elétricas, são influenciadas por vários fatores, sendo que,
aqueles considerados de maior importância no desenvolvimento deste trabalho, estão
relacionados a seguir:
Geralmente, a resistividade de um elemento metálico aumenta quando são adicionadas
impurezas, uma vez que estas impurezas provocam distorções no reticulado cristalino.
Por este motivo, ocorre um aumento da resistividade do ferro sinterizado, quando
outros elementos como o Si, P ou Ni são adicionados. [7]
A maioria dos materiais metálicos ferrosos obtidos a partir da M/P ou MIM possuem
resistividade elétrica maior do que materiais maciços de mesma composição química,
devido principalmente a porosidade e a oxidação superficial das partículas. [8] Com o
aumento da porosidade, há uma diminuição da permeabilidade magnética, uma
diminuição da indução de saturação e um aumento da coercitividade. [9]
A resistividade elétrica para a maioria das ligas metálicas, também é função do
tamanho de grão. Quanto menor o tamanho de grão, maior a quantidade de contornos
de grãos, que também provocam distúrbios na rede cristalina, aumentando a
resistividade. Entretanto, a diminuição do tamanho de grão causa um decréscimo da
permeabilidade magnética e um aumento da coercitividade. [10]
O aumento da granulometria do pó aumenta a permeabilidade magnética mas aumenta
também a coercitividade. [11] Além disto, outros fatores como tempo, temperatura e
atmosfera de sinterização também alteram algumas propriedades físicas. [8].
Impurezas como carbono, nitrogênio e oxigênio também afetam as propriedades
magnéticas das ligas de ferro sinterizadas. Quando o objetivo é a obtenção de
materiais magnéticos de boas propriedades, é conveniente que os percentuais destas
impurezas sejam mantidos nos seguintes níveis: [12]
5
Os materiais sinterizados mais comumente utilizados são os seguintes: [12, 13, 141]
Ferro Puro;
Ligas Ferro-Cobalto;
Ligas Ferro-Fósforo;
Ligas Ferro-Silício e ligas Ferro- Fósforo-Silício;
Aços Inoxidáveis Ferríticos;
Ligas Ferro-Níquel.
2.4. Motores de Passo
Existem três tipos de motor de passo: de relutância, de imãs permanentes e híbridos. A
figura 2 mostra um motor de relutância de oito polos, onde o estator é constituído por quatro
pares de pólos. O torque motor é produzido pela força magnética necessária ao alinhamento
dos dentes do rotor com os pólos do estator, de forma a minimizar a relutância do caminho
magnético entre o rotor e o estator. Neste tipo de topologia o torque estacionário é zero, pois o
rotor não possui magnetismo de retenção, sendo normalmente construído de ferro doce.[15]
Figura 2 – Motor de passo de relutância de 8 polos [15]
Nos motores de passo com ímãs permanentes no rotor, como este possui um campo
magnético retentor, existe um torque motor estacionário de retenção. O torque produzido por
este tipo de topologia é maior que o de relutância.
Os motores de passo podem ser ainda unipolares ou bipolares, sendo que a vantagem
dos unipolares consiste na facilidade do controle, porém o torque destes é inferior ao dos
bipolares, os quais apresentam uma maior complexidade no seu circuito de controle, uma vez
que a corrente nas bobinas do estator deve circular nos dois sentidos.[15]
2.5. Simulação por Software de Elementos Finitos
Os resultados das iterações eletromagnéticas de uma máquina elétrica rotativa podem
ser obtidos através de simulações em software de elementos finitos FEMM 4.2 (Finite
Element Method Magnetics). A metodologia de elementos finitos tem como objetivo a
solução de equações diferenciais para uma diversidade de entradas. O objetivo principal é
dividir o problema em um grande número de regiões, cada um com uma geometria simples
(e.g. triângulo). Em cada elemento a solução é aproximada através de uma interpolação dos
valores de cada vértice do triangulo. [16]
Através do FEMM 4.2 é possível verificar dados importantes tais como o torque
momentâneo da máquina elétrica, o fluxo concatenado em cada bobina e as perdas por
corrente de Foucault. O conhecimento destes resultados permite ao projetista verificar a
6
eficiência do motor e as propriedades que devem ser trabalhadas para atingir o ponto ideal de
trabalho.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1. Corpos de Prova
Os corpos de prova foram definidos na forma de um cilindro, para análise das
propriedades mecânicas e estruturais, na forma de anel para análise das propriedades
eletromagnéticas e na forma de núcleos de transformadores para avaliação das perdas
magnéticas em função da frequência.
a) Corpos de prova na forma de Anel (figura 3). Amostra utilizada para medição das
propriedades magnéticas e resistividade elétrica.
(a)
(b)
Figura 3 – Amostras na forma de anel – (a) Matriz – (b) Corpo de Prova
b) Corpo de prova na forma de Cilindro (figura 4). Amostra utilizada para avaliação das
propriedades mecânicas e micrografia.
(a)
(b)
Figura 4 – Amostras na forma de cilindro – (a) Matriz – (b) Corpo de Prova
c) Corpos de prova na forma de Núcleo de Transformador (Figura 5). Amostra utilizada para
medição das perdas magnéticas do núcleo.
(a)
(b)
(c)
Figura 5 – Amostras na forma de núcleo de transformador – (a) Matriz Núcleo E– (b) Matriz
Núcleo T – (c) Corpos de Prova
A liga Fe50%Ni foi preparada a partir dos pós constituintes, com o acréscimo de 1%
de lubrificante (estearato de zinco) em proporção a massa total da liga, utilizando-se um
misturador convencional, em um tempo de mistura de 15 minutos. Os corpos de prova foram
compactados a uma pressão de 500 MPa.
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A sinterização foi realizada em forno tubular tipo mufla, com atmosfera controlada
(pressão atmosférica) e gás verde (5% de Hidrogênio e o restante de Nitrogênio). Utilizou-se
uma taxa de aquecimento de 15oC por minuto, ate a temperatura de 500 graus, onde as peças
permanecem por 30 minutos para retirada do lubrificante sólido (estearato de zinco). A seguir
a temperatura é elevada para 1.120 oC onde ocorre a sinterização, permanecendo nesta
temperatura por 30 minutos. Após, as peças permanecem no forno para resfriamento lento até
a temperatura ambiente.
3.2. Obtenção das propriedades físicas
As propriedades magnéticas foram obtidas a partir das curvas de histerese (laço de
histerese e curva de magnetização), que relacionam campo magnético H aplicado a um
material, com a indução magnética B resultante. A partir do laço de histerese, foram obtidas a
retentividade (magnetismo remanente) e a coercitividade (campo desmagnetizante). A partir
da curva de magnetização, foram obtidas a permeabilidade magnética e a indução de
saturação ou Indução máxima (que também pode ser visualizada a partir do laço de histerese).
[17] A determinação das propriedades magnéticas básicas dos materiais na forma de anel
(toróide), segue a norma ASTM A773 (Standard Test Method for dc Magnetic Properties of
Materials Using Ring and Permeameter Procedures with dc Electronic Hysteresigraphs) [18].
As curvas de histerese foram obtidas a partir de um dispositivo modelo TLMP-TCH-14.
A determinação da resistividade do material (corpos de prova) da liga sinterizada foi
determinada a partir do cálculo da resistência elétrica. Para medição de resistência elétrica
utiliza-se um dispositivo denominado de multímetro ou multiteste. Entretanto, para medição
de resistências elétricas muito baixas, imprime-se uma corrente elétrica de valor conhecido e
mede-se a tensão nos terminais do corpo a partir de um multímetro. Assim, para a
determinação da resistividade elétrica do corpo de prova, este deve possuir a forma de uma
barra fina e comprida. Obtém-se o mesmo resultado, considerando-se um anel, no qual foi
retirado um pequeno segmento do mesmo.
Para avaliação da resistência à vibração, foram realizados ensaios mecânicos nos
corpos de prova sinterizados. Os ensaios de dureza foram realizados em um durômetro com
indentador de esferas de 1,59 mm e carga de 100Kgf. Os ensaios de compressão foram
realizados em uma máquina de ensaios universal Emic DL20000 onde, geralmente, utilizam-
se velocidades de 1,5 a 3,0 mm/min.
3.3. Perdas Magnéticas
As perdas magnéticas nos materiais estudados foram determinadas a partir de corpos
de prova na forma de núcleos E e T, idênticos aos núcleos de transformadores de tensão
elétrica convencionais de mesmas dimensões e mesmos enrolamentos. Assim, as perdas
magnéticas foram determinadas de forma similar às perdas em um transformador
convencional com núcleo de chapas laminadas.[1, 2]
Os núcleos nas geometrias E e T, foram submetidos a processos de retificação (figura
6-a a esquerda), de tal maneira a ficarem com as mesmas dimensões de um núcleo de um
transformador elétrico convencional (figura 6-a a direita). A seguir, os núcleos foram
bobinados na forma típica de transformadores de tensão elétrica, com bobinas do enrolamento
8
primário e secundário. A figura 6-b mostra os transformadores montados, obtido a partir da
M/P (direita) e a partir de chapas (esquerda).
(a) (b)
Figura 6 – Transformadores – (a) núcleos por M/P (esquerda) de chapas (direita) –
(b) bobinados e montados por M/P (direita) de chapas (esquerda)
Salienta-se, que este estudo tomou como base um transformador comercial
convencional de baixa tensão e potência. Para o estudo comparativo, optou-se construir os
núcleos dos transformadores com geometria e dimensões próximas possíveis do
convencional. Assim, os enrolamentos utilizados nos transformadores desenvolvidos foram os
mesmos enrolamentos do transformador convencional, onde este foi desmontado e retirado o
carretel onde se encontravam as bobinas. Este procedimento foi utilizado para que fosse
possível uma análise comparativa do transformador convencional e os desenvolvidos.
O enrolamento no lado de alta tensão foi dimensionado para operar com tensão de 127
Vrms, e o enrolamento de baixa tensão foi dimensionado para operar com tensão de 12 Vrms,
considerando o núcleo de chapas convencionais. Os ensaios foram realizados utilizando-se
uma fonte de tensão elétrica alternada com variação de amplitude e freqüência. Foi utilizada
uma faixa de freqüência de 50 Hz a 1 kHz. Os enrolamentos do lado de baixa tensão foram
alimentados com uma tensão próxima dos 6 Vrms (metade da tensão nominal do
enrolamento), mantendo-se o enrolamento do lado de alta tensão em aberto, e variou-se a
amplitude do lado de baixa tensão até o lado de alta tensão atingir 75 Vrms. Desta forma
garante-se que a tensão induzida no secundário (lado de alta tensão) permanece constante para
os núcleos estudados. Após, mediu-se a potência fornecida pela fonte e descontaram-se as
perdas no enrolamento. A potência resultante está relacionada diretamente com as perdas nos
núcleos por correntes parasitas e ciclo de histerese. Posteriormente, foi colocada uma carga na
saída do transformador e, portanto, nesta configuração para a determinação das perdas
magnéticas nos núcleos, deve-se descontar a potência dissipada na carga e a perda nos
enrolamentos do secundário. Devido à analogia intrínseca entre o funcionamento de máquinas
elétricas rotativas e transformadores, os mesmos ensaios podem ser estendidos a núcleos de
motores elétricos.
3.4. Topologia do mini motor e simulações
A figura 7 mostra a topologia do motor de passo simulado. As características de
bobinamento e corrente utilizadas para simulação estão relacionadas a seguir:
Bobinagem com fio bitola 33 AWG
59 espiras para cada pólo (118 por fase)
Corrente de 1,0A
Para a simulação do motor proposto, foi utilizado o software de elementos finitos
FEMM 4.2, onde foram inseridos a topologia do motor, características do bobinamento e a
9
curva de magnetização do material dos núcleos do rotor e estator (Figura 7). O acionamento
foi definido com três fases (A, B e C). Considerando seis saliências no estator, ou seja, duas
saliências por fase, resulta em um passo um deslocamento angular de 60o e para acionamento
de ½ passo em deslocamento angular de 30o. A figura 8-a mostra o detalhamento do pré-
processamento da simulação e a figura 8-b mostra o detalhe da malha empregada para plotar o
fluxo magnético no interior no motor.
Figura 7 – Topologia do Motor de Passo simulado
Figura 8 – Detalhamento da simulação – (a) Pré-processamento – (b) Detalhe da malha
3.5. Aspectos construtivos do mini motor
Os tarugos obtidos após a sinterização foram pré-usinados e posteriormente realizada eletro-
erosão a fio para a forma final das peças do minimotor. As Figuras 9(a) e 9(b) mostram,
respectivamente, os núcleos do estator e do rotor. A Figura 9(c) mostra uma das tampas, em que se
pode observar a inserção de uma bucha de bronze no lugar do rolamento (fixação do eixo do
minimotor).
(a) (b) (c)
Figura 9 – Fotos do (a) estator, (b) rotor e (c) da tampa – dimensões em cm. Fonte: fotos do autor.
10
Na Figura 10(a), visualiza-se a foto de uma etapa da bobinagem do enrolamento do estator e
na Figura 10(b), a foto do motor montado, sendo mostradas as duas tampas, o eixo do motor e a parte
externa do estator.
(a) (b)
Figura 10 - Fotos do (a) estator bobinado e (b) do minimotor montado - dimensões em cm. Fonte: fotos do autor.
Inicialmente, tentou-se realizar o bobinamento previsto no projeto inicial e nas simulações,
contudo, não foi possível executar-se tal montagem, devido ao reduzido espaço das janelas para
colocação dos enrolamentos.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1. Propriedades Físicas dos Corpos de Prova
Os corpos de prova obtidos da liga Fe50%Ni (figuras 3, 4 e 5) apresentaram densidade
a verde (somente compactado e não sinterizado), considerando a média de três espécimes de
cada geometria de 6,63 g/cm3. Após a sinterização, a densidade média resultou em 7,2 g/cm
3,
apresentando valor dentro das especificações do material indicado na literatura (7,1 a 7,4
g/cm3), conforme pode ser vista da tabela 2 [13, 14]
A figura 11-a mostra curvas de histerese sobrepostas (para três corpos de prova), e
figura 11-b mostra a curva de magnetização para um dos corpos de prova. As propriedades
magnéticas de retentividade e coercitividade foram obtidas a partir da curva de histerese e a
permeabilidade magnética relativa a partir da curva de magnetização.
(a) (b)
Figura 11 – Gráficos magnéticos – (a) curvas de histerese;
(b) curva de magnetização Fonte: LdTM/GDER/UFRGS
11
A retentividade média de três corpos de prova resultou em aproximadamente 0,15 T e
a coercitividade em aproximadamente 180 A/m. O ferro puro sinterizado apresenta uma
retentividade aproximada de 1,18 T e uma coercitividade aproximada de 127 A/m (tabela 2)
[13, 14]. Pode-se observar que, a coercitividade de ambos materiais são valores próximos,
porém, a retentividade ou magnetismo remanente do ferro puro sinterizado é
aproximadamente oito vezes maior. A permeabilidade foi obtida a partir da curva de
magnetização (Figura 11-b), através da razão entre a indução magnética e o campo magnético
aplicado, ou a declividade da reta tangente, conforme a equação 1.
(Equação 1)
Em que B é a indução magnética [T], H, o campo magnético [A/m] e µ, a permeabilidade
magnética [H/m]. Muitas vezes é empregado ainda para caracterizar um material magnético a
permeabilidade relativa µr, que informa quantitativamente o quanto o material é mais
permeável que o vácuo, ou seja, está relacionada a µo, a permeabilidade magnética do vácuo
(4.10-7
T.m/A).
A média dos três corpos de prova resultou numa permeabilidade magnética relativa
(máxima) de 373. O ferro puro sinterizado apresenta uma permeabilidade relativa aproximada
de 3.000, conforme mostra a tabela 1 [13, 14]. O Catamold é um exemplo de material com
características ferromagnéticas, possuindo baixa permeabilidade magnética.
Figura 12 – Anel segmentado com terminais para medida da resistividade elétrica. Fonte: Foto do autor
Para a medição da resistividade, utilizou-se anéis sinterizados de Fe50Ni conforme
Figura 12, aplicando uma corrente elétrica e medindo-se a tensão a partir de um
milivoltímetro, considerando as dimensões da tabela 1, conforme equação 2:
l
A
I
V
l
AR . (Equação 2)
Em que ρ é a resistividade elétrica [μΩ.m], R a resistência elétrica [Ω], I a corrente
elétrica aplicada [A], V a tensão elétrica medida [V], A a área da seção transversal da barra
[m2], l o comprimento da barra (ou segmento de um anel) [m]
A média dos três corpos de prova resultou numa resistividade elétrica aproximada de
0,3 µΩ.m. O ferro puro sinterizado apresenta uma resistividade elétrica aproximada de 0,12
µΩ.m conforme mostra a tabela 2 [13, 14], onde pode-se observar que, o Catamold possui
maior resistividade elétrica que o ferro sinterizado, o que é uma boa característica para uso em
núcleo de motores elétricos, pois reduz as correntes parasitas.
A dureza média obtida foi de 86,88 HRB onde os parâmetros utilizados foram 100 Kgf
de carga do indentador e pré-carga ajustada pelo equipamento. A elasticidade na região linear
12
do material foi observada a partir da curva de compressão x deformação, estando dentro dos
valores aceitáveis para esta aplicação.
A Tabela 1 mostra os resultados das propriedades físicas obtidas da liga injetada,
comparativamente ao Fe puro sinterizado.
Tabela 1 – Propriedades físicas das ligas sinterizadas Fe-50%Ni e Fe puro
Material ρ
[µΩ.m]
Br
[T]
Hc
[A/m]
Bmax
[T]
µrmax ρm
[g/cm3]
D
[HRB] Fe50%Ni (*) 0,69 0,80 20 1,09 21.000 7,4 - Fe50%Ni (**) 0,37 0,93 112 0.93 946 7,2 101 Fe Puro (*) 0,12 1,18 127 1,36 3.000 7,2 - Fe Puro (**) 0,16 0,90 448 1,19 1.852 6,6 52
ρ é a Resistividade Elétrica, Br é a Retentididade, Hc é a Coercitividade, µr é a Permeabilidade
Magnética Relativa, ρm é a Densidade, e D a Dureza.
(*) Valores obtidos a partir de referências bibliográficas [13, 14]
(**) Valores obtidos experimentalmente
Para a análise da microestrutura da superfície dos corpos de prova foram utilizadas
três peças sinterizadas, as quais foram lixadas e polidas, a seguir foi empregado o microscópio
eletrônico de varredura - MEV da Feevale, sendo que a microestrutura de uma delas está
mostrada na Figura 13, sendo possível visualizar-se a formação de alguns poros na superfície
da peça sinterizada.
Figura 13 – Fotografia da microestrutura de uma amostra Fe50%Ni
obtida no MEV - aumento de 1000x Fonte: MEV da Feevale
4.2. Resultados das Perdas
As perdas magnéticas totais foram determinadas de acordo com o procedimento
descrito anteriormente, sendo que os resultados obtidos estão mostrados na Figura 14,
podendo visualizar-se na mesma o gráfico das perdas em Watts para freqüências de 60 Hz a
1 kHz em transformador com núcleo de chapas e para os núcleos de ferro puro sinterizado e
das ligas misturadas com fósforo (1, 2 e 3%), silício (1, 3 e 5%) e níquel (50%).
13
Figura 14 – Perdas Magnéticas em Transformadores com Núcleo de Chapas de Fe com
fósforo (1, 2 e 3%), silício (1, 3 e 5%) e níquel (50%).
4.3. Resultados das Simulações
A Tabela 2 mostra os resultados das grandezas elétricas e magnéticas obtidas a partir
da simulação, considerando as três fases (circuitos A, B e C). A figura 8 mostra a densidade de
fluxo de entreferro e a plotagem do vetor Potencial, também obtidas a partir do software de
simulação FEMM 4.2.
Tabela 2 – Grandezas elétricas e magnéticas obtidas a partir da simulação
Corrente
Total
(A)
Queda de
Tensão
(V)
Fluxo de
entreferro
(Wb)
Indutância
(H)
Tensão/cor-
rente
(Ohms)
Potência
(W)
Circuito A 0,0 0,00 2,33.10-7
0,00 0,00 0,00
Circuito B 1,0 2,88 6,38.10-4
6,38.10-4
2,88 2,88
Circuito C 0,0 0,00 1,36.10-7
0,00 0,00 0,00
A partir da Figura 15, pode-se observar que a indução magnética de entreferro
apresenta valores máximos entre 0,5 a 0,55 T. Observa-se que o torque desenvolvido na ponta
do eixo do motor é proporcional ao fluxo magnético de entreferro. Uma máquina elétrica
rotativa, dependendo da configuração pode trabalhar com fluxos de entreferro bem superiores,
na faixa de 1 T. Pode-se aumentar o fluxo de entreferro, aumentando-se a corrente elétrica das
bobinas, contudo, a intensidade destas correntes estão limitadas pela bitola do fio utilizado no
bobinamento [1, 2]. Portanto, com o redimensionamento das bobinas (diâmetro dos fios e
números de espiras) e da corrente elétrica, para mesma topologia, é possível obter-se um
torque maior que o atual.
Observando-se a Figura 15, verifica-se que é possível aumentar-se o fluxo magnético
de entreferro, uma vez que as peças magnéticas do mini motor não estão saturadas.
14
Figura 15 - Densidade de fluxo de entreferro Fonte: Feevale – Simulação no Femm 4.2
Com o programa FEMM obteve-se também o valor do Torque Resultante, sendo este
de 6,81.10-4
N.m.
5. CONCLUSÕES
A liga Fe50%Ni sinterizada apresentou um ciclo de histerese relativamente estreito,
com baixos valores de indução magnética de retentividade (Br) e de campo magnético
coercitivo (Hc), demonstrando ser adequado à utilização em núcleos de máquinas elétricas
rotativas. [2]
A partir dos ensaios de dureza realizados, pode-se verificar que os corpos de prova
obtidos com a liga Fe50%Ni sinterizada possuem baixa dureza, similar aos ferros fundidos e
maioria dos metais não ferrosos[17], como o alumínio e o latão possuindo valor
correspondente à classe dos metais de fácil usinabilidade, apesar de conter Ni em sua
composição.
Com relação às perdas nos núcleos, os ensaios realizados mostraram que a utilização
da liga Fe50%Ni sinterizada passa a ser interessante para freqüências dos fluxos magnéticos
acima dos 400 Hz, pois abaixo desta freqüência o rendimento torna-se muito baixo quando
comparado com o de núcleos de chapas.
As simulações realizadas com o programa FEMM 4.2 mostraram que as interações
magnéticas entre o conjunto rotor-estator não terão maiores problemas, uma vez que não
foram verificados níveis elevados de saturação dos campos magnéticos. O comportamento da
densidade de fluxo magnético mostrou comportamento adequado ao esperado, o mesmo
ocorrendo com relação ao comportamento do potencial magnético com sua forma de onda
quase-senoidal.
DESIGN AND SIMULATION OF A STEPPER ELECTRIC MOTOR WITH CORES
OBTAINED FROM SINTERED ALLOY Fe-Ni
ABSTRACT
This work aimed at the development of a stepper motor 3 phase, 6-pole stator core and rotor
constructed from alloy Fe50%Ni obtained by Powder Metallurgy M/P. So, are described in this work,
the characterization of sintered alloy, regarding the electrical, magnetic and mechanical, motor design
15
and simulation by finite element software perform in Femm 4.2 program. This work is linked to a
research project in cooperation network involving several institutions, where one of the goals of this
network is the development of a mini motor diameter of 8 mm, with the rotor and stator cores to be
obtained from the molding metal powder injection, and construction and commissioning identical. It is
noted that the motor proposed in this paper, is a prototype-scale three times larger, which, from this,
studies are being conducted for the construction of the motor smaller scale. It is noted too, that the
procedures for Powder Metallurgy and Injection Molding Powders are very similar, which justifies the
construction scale of larger prototype.
Key Words: Soft magnetic material, powder metallurgy, electrical machine cores, finite element
simulation.
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AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem aos financiadores FINEP, FAPERGS, CNPq.