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ESTUDO DE UMA MÁQUINA SÍNCRONA COM NÚCLEO DO
ROTOR A PARTIR DA M/P E ÍMÃS PERMANENTES APLICADA
EM AEROGERADORES1
Borba, M. G.2
Teixeira, G.3
Guimaraes, F. R. 4
Braga, E. C.5
Dias, M. M.6
Schaeffer, L.7
Resumo: Este trabalho teve por objetivo o desenvolvimento (projeto e construção) de
uma máquina elétrica síncrona trifásica com ímãs permanentes para aplicação em
aerogeradores, onde o núcleo do rotor usualmente construídos a partir de chapas de aço
baixo carbono ou FeSi, laminados, foi substituído por ferro puro sinterizado obtido a
partir dos processos da Metalurgia do Pó. A máquina foi montada a partir da carcaça de
um motor de indução trifásico de alto rendimento de 10 CV, onde as chapas do estator
foram empilhadas com inclinação de uma ranhura ao longo de toda a extensão da
máquina. Esta é clássica solução para não gerar efeitos de relutância ou torque travante
da máquina. Após a montagem do rotor e estator, a máquina foi bobinada e montada; no
estágio atual do desenvolvimento, a máquina está sendo testada como gerador em uma
bancada, utilizando-se como máquina primária o mesmo modelo de motor de 10 CV.
Palavras Chave: Máquina síncrona trifásica, Metalurgia do Pó, Materiais magnéticos
macios, Aerogeradores.
1Contribuição técnica a ser apresentada na 4a Conferência Internacional de Materiais e
Processos para Energias Renováveis – Brasil/RS, 8 a 10 de outubro de 2014, Porto Alegre, RS,
Brasil. 2Mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e
Materiais (PPGE3M). Laboratório de Transformação Mecânica. (LdTM), Depto. de
Metalurgia, UFRGS. Av. Bento Gonçalves, 9500. Porto Alegre, RS, Brasil. e-mail:
[email protected]; 3Mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e
Materiais (PPGE3M). Laboratório de Transformação Mecânica. (LdTM), Depto. de
Metalurgia, UFRGS. Av. Bento Gonçalves, 9500. Porto Alegre, RS, Brasil. e-mail:
[email protected]; 4Mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e
Materiais (PPGE3M). Laboratório de Transformação Mecânica. (LdTM), Depto. de
Metalurgia, UFRGS. Av. Bento Gonçalves, 9500. Porto Alegre, RS, Brasil. e-mail:
[email protected]; 5Graduando 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]; 6 Dr. 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]. 7Prof. Dr. - Ing. Coordenador do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM), Depto. de
Metalurgia, (PPGE3M), UFRGS. Av: Bento Gonçalves, 9500. CEP: 91501-970, Porto Alegre,
RS, Brasil. e-mail: [email protected]
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 atualmente, 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 maior rendimento, 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, empacotamento e fixação. Com
relação às chapas de aço baixo carbono, o processo para isolação consiste em um
tratamento térmico, no qual os pacotes de chapas são colocados em fornos durante certo
tempo, havendo então a oxidação da superfície das chapas; como consequência, há a
formação de uma camada isolante de óxido de ferro entre as chapas adjacentes. Alguns
tipos de chapas de aço-silício são fornecidas pelos fabricantes com uma pintura a base
de óxido sobre uma das superfícies [1,2].
Núcleos magnéticos envolvidos por bobinas, nas quais circulam correntes
alternadas, geram um fluxo magnético também alternado. Por este motivo, esses
núcleos ficam sujeitos a ação de correntes parasitas, também conhecidas 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,
tem como resultado a redução parcial das correntes parasitas, reduzindo as perdas por
correntes de Foucault [1,2].
Com relação à construção, alterações na forma e acionamento das máquinas
elétricas encontram-se no limite do aprimoramento tecnológico e somente mudanças
drásticas nos materiais utilizados na construção dos núcleos das máquinas elétricas,
ocasionarão melhora de rendimento das mesmas. O mesmo ocorre com relação ao
acionamento, para o qual dispositivos a partir de semicondutores como os inversores,
também se encontram no limite do aprimoramento tecnológico.
Contudo, utilizando-se os processos da Metalurgia do Pó (M/P) é possível
construir os referidos núcleos em blocos maciços únicos, com elevada permeabilidade
magnética e maior resistividade elétrica, se comparadas ao aço convencional, o que
reduz as correntes parasitas [3, 4]. No caso da aplicação deste processo na construção de
núcleos de máquinas elétricas rotativas, pode resultar em máquinas com algumas
vantagens sobre aquelas com núcleos convencionais. Assim, na medida em que for
possível construir núcleos em blocos únicos e maciços, menos etapas estarão presentes
na construção das máquinas e menos energia será consumida na fabricação das mesmas.
Salienta-se também que, utilizando-se ligas magnéticas de maior resistividade na
construção dos núcleos do estator e do rotor, haverá uma redução nas perdas por
correntes parasitas, maior rendimento, resultando assim em economia de energia
elétrica.
Atualmente a aplicação da M/P em núcleos de máquinas elétricas, está restrita a
motores elétricos especiais para os quais o rendimento não é o critério mais importante,
como no caso de minimotores de geometria complexa, em alguns servomotores onde os
enrolamentos de armadura são alimentados com corrente elétrica de frequência elevada
e partes de máquinas nos quais não há variação de fluxo, como núcleos de rotores de
máquinas síncronas. Entretanto, alguns estudos estão sendo realizados em outros tipos
de máquinas obtidas a partir da M/P de maneira a se comprovar ou descartar a aplicação
desta tecnologia nestas máquinas [4].
As máquinas elétricas rotativas com alimentação trifásica, geralmente, podem
funcionar como motor ou gerador. Como motores convertem uma potência elétrica, a
partir de uma fonte, em uma potência mecânica que aciona uma carga acoplada na ponta
de eixo. Como gerador ocorre o inverso [1,2,5,6]. Por este motivo, os geradores e
motores elétricos podem ser denominados de máquinas elétricas rotativas ou
simplesmente de máquinas elétricas.
As máquinas rotativas trifásicas podem ser síncronas e assíncronas. Nos motores
síncronos, a velocidade angular do eixo é constante e independe da carga acoplada ao
eixo, isto até determinados valores de potência, tendo, como limite de uso, a potência
nominal da máquina. Nos motores assíncronos, há uma queda da velocidade angular
quando é acoplada carga no eixo. Com relação ao aspecto construtivo, as máquinas
trifásica são constituídas fundamentalmente de duas partes [1,2,5,6]:
Estator: Parte fixa da máquina construída de chapas de aço laminadas na qual são
colocados os enrolamentos de armadura com alimentação trifásica, defasadas de
120o. Os enrolamentos são dispostos espacialmente de tal forma que as correntes de
todas as fases contribuem positivamente na geração de uma onda de fluxo magnético
girante ou campo girante.
Rotor: Parte girante da máquina também construída de chapas de aço laminadas na
qual são colocados os enrolamentos de campo.
As máquinas síncronas com ímãs permanentes, são máquinas rotativas trifásicas
nas quais os enrolamentos do rotor, usualmente alimentados com corrente contínua, são
substituídos por ímãs permanentes de alto produto energético como o NdFeB. Em geral
estas máquinas possuem elevado rendimento (maior que 90%), e em algumas aplicações
são utilizadas como servomotores, operando a altíssimas velocidades e elevada
frequência de correntes de armadura [1,2].
Assim este trabalho teve por objetivo o desenvolvimento (projeto, construção e
testes) de uma máquina elétrica síncrona trifásica com ímãs permanentes para aplicação
em aerogeradores, onde o núcleo do rotor usualmente construídos a partir de chapas de
aço baixo carbono ou FeSi. laminados, foi substituído por ferro puro sinterizado obtido
a partir dos processos da Metalurgia do Pó. A máquina foi montada a partir da carcaça
de um motor de indução trifásico de alto rendimento de 10 CV, onde as chapas do
estator foram empilhadas com inclinação de uma ranhura ao longo de toda a extensão da
máquina.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Corpos de Prova
A definição da liga a ser utilizada na construção do núcleo do rotor da máquina,
foi realizada a partir do estudo das propriedades físicas de algumas ligas sinterizadas
como FeP, FeSi e FeNi, e suas variações, optando-se pelo material Ferro puro
sinterizado pois esta apresentou as propriedades físicas mais adequadas. Para análise das
propriedades magnéticas e resistividade elétrica, utilizou-se a matriz da figura 1-a, para
a qual foram obtidos corpos de prova na forma de anéis (figura 1-b).
(a) (b)
Figura 1 – Amostras na forma de anel – (a) Matriz – (b) Corpo de Prova
Para análise da dureza e tensão de escoamento das ligas estudadas utilizou-se a
matriz da figura 2-a, cujos de corpos de prova foram obtidos na forma de cilindros
(figura 2-b).
(a) (b)
Figura 2 – Amostras na forma de cilindro – (a) Matriz – (b) Corpo de Prova
O estudo foi realizado a partir de ligas sinterizadas, obtidas a partir de pós de
ferro misturado ao fósforo, silício e níquel, adquiridos da Höganas Brasil Ltda.
Conforme certificado do fabricante, o pó de ferro utilizado foi o ASC100.29, com
99,4% da granulometria entre 45 μm e 150 μm. O pó Fe3P (84% de Fe, 16% de P)
apresenta 90% de sua dimensão abaixo de 14,58 μm. O pó FeSi 45 (55% de Fe e 45%
de Si) tem 87% de seu conteúdo entre 45 μm e 250 μm e o pó de níquel apresenta
granulometria mínima de 3 μm e máxima de 7 μm. O pó de ferro foi misturado com
fósforo (1, 2, 3%), silício (1, 3, 5%) e níquel (50%) em um misturador duplo cone, com
rotação de 60 rpm durante 20 minutos, para dispersão dos constituintes. Também foi
adicionado as misturas, 1% de lubrificante sólido a base de estearato de zinco. Salienta-
se que, por exemplo, para obtenção de corpos de prova a partir da liga Fe-1%P, parte-se
do pó Fe3P, e mistura-se pó de ferro puro até que a relação entre os elementos seja
atingida.
Considerando os dados da literatura [7,8] as ligas a partir do ferro apresentam
pressão de compactação média de 600 MPa, motivo pelo qual os corpos de prova deste
trabalho foram compactados com esta mesma pressão.
A sinterização dos corpos de prova 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 10oC por minuto, ate a
temperatura de 500 oC, tendo as peças permanecido nesta temperatura por 30 minutos
para retirada do lubrificante sólido (estearato de zinco). A seguir a temperatura foi
elevada para 1.150 oC ocorrendo a sinterização, permanecendo nesta temperatura por 60
minutos [7,8]. Finalmente as peças mantiveram-se no forno para resfriamento lento até a
temperatura ambiente.
2.2. Obtenção das propriedades físicas
As propriedades magnéticas foram obtidas a partir das curvas magnéticas (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). Por sua vez, a partir da curva de magnetização, foram adquiridas a
permeabilidade magnética e a indução de saturação ou indução máxima (que também
pode ser visualizada a partir do laço de histerese) [9]. A determinação das propriedades
magnéticas básicas dos materiais na forma de anel (toróide), segue a norma ASTM
A773 [10]. As curvas magnéticas foram obtidas a partir de um Traçador de Curva de
Histerese fabricado por GlobalMag modelo TLMP-TCH-14. A permeabilidade é obtida
a partir da curva de magnetização, através da razão entre a indução magnética e o
campo magnético aplicado, ou a declividade da reta tangente, conforme a equação 1 [9].
o
rH
B
[equação 1]
sendo B a indução magnética [T], H o campo magnético [A/m], µ a permeabilidade
magnética [H/m], µr a permeabilidade relativa, µo a permeabilidade magnética do vácuo
(4π x 10-7 H/m).
A resistividade elétrica das ligas estudadas foi determinada a partir do cálculo da
resistência elétrica dos corpos de prova. Para medição de resistência elétrica utiliza-se
um dispositivo denominado de multímetro ou multiteste, dispositivo este que mede
diretamente a resistência elétrica do corpo. Entretanto, para medição de resistência
elétrica muito baixa, aplica-se uma tensão no corpo de prova e mede-se a corrente
elétrica. Portanto, o corpo de prova para determinação da resistividade deve ter a forma
de uma barra fina e comprida. Um artifício é a utilização de um anel cortando-se um
segmento do mesmo, fazendo que este tenha a forma de uma barra curvada, ou seja de
grande comprimento e pequena área de seção transversal. A lei de ohm estabelece que
[11]:
l
A
I
V
l
AR
I
VR . [equação 2]
sendo ρ a resistividade elétrica [μΩ.m], R a resistência elétrica [Ω], V a tensão elétrica
aplicada [V], I a corrente elétrica aplicada [A], A, a área da seção transversal da rarra
[m2] e l o comprimento da barra (ou segmento de um anel) [m].
Para avaliação da resistência a vibração de um material a ser utilizado em uma
máquina elétrica rotativa, também, foram realizados ensaios mecânicos nos corpos de
prova. Os ensaios de dureza (Brinel – HB) foram realizados em um durômetro
Precision-England com indentador de esferas de 2,5 mm e carga de 187,5 Kgf, segundo
a norma ASTM E10 [12]. Os ensaios de compressão foram realizados em uma máquina
de ensaios universal Emic DL20000 na qual utilizaram-se velocidades de 2,0 mm/min,
segundo a norma ASTM E9 [13].
2.3. Projeto da Máquina
A máquina síncrona desenvolvida neste trabalho foi montada sobre a base de um
motor de indução de alto rendimento, produzido por Voges Motores (Ex Eberle
Motores) de Caxias do Sul. Os dados da máquina e chapas do estator encontram-se na
figura 3. Os dados do detalhamento das ranhuras encontram-se na figura 4.
Carcaça de motor para 10cv 220v 60Hz
Numero de Polos: 4
Diâmetro externo do disco: 210 mm
Diâmetro interno do disco: 138 mm
Número de ranhuras: 48
Diâmetro Interno: 138 mm
Pacote de chapas: 148 mm
Número de chapas: 320
Figura 3 – Esquema das chapas do estator da máquina
ES =2,5
A1S= 5,05
A2S= 6,55
DS= 0,83
CS= 2,19
BS= 11,5
RM= 3,28
Figura 4 – Detalhamento da ranhura do estator
Para a construção da máquina síncrona desenvolvida, o pacote de lâminas do
Estator ficou com 150 mm, com ângulo de inclinação das ranhuras de 10 graus.
Observa-se que, no motor de indução original, o pacote tem 148 mm e as ranhuras não
são inclinadas. Os dados da bobinagem estão relacionados a seguir:
E/B: 28
C/R: 28
FIO: 1x20+2x21
ESQUEMA BOBINAGEM: 4D0111-22-1
PASSO: 1:10:12
CABO: 12 AWG
ISOLAÇÃO: F
Corrente Nominal: 14,2 A
Número de Condutores em Série por Fase: 192
O rotor com quarto polos foi desenvolvido a partir dos conceitos de máquina
elétrica síncrona com ímãs permanentes, com polos lisos e ímãs de Nd-Fe-B (figura 5).
Figura 5 – Projeto dimensional do núcleo do rotor
2.4. Procedimentos para simulação da Máquina
Os resultados das interações 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 [14].
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
eficiência do motor e as propriedades que devem ser trabalhadas para atingir o ponto
ideal de trabalho.
Para a simulação do motor proposto, foi inserido no FEMM 4.2 a topologia do
motor (figuras 3, 4 e 5), características do bobinamento e a curva de magnetização do
material do núcleo do rotor (figura 12-b). Foram realizadas três simulações para o
estator com núcleo de chapas M15 (aço silício), entretanto com variações no material do
rotor, ou seja, rotor a partir de chapas M15, rotor a partir da liga sinterizada Fe2%P e
Ferro puro sinterizado. A corrente nominal foi de 14,2 A por fase e 192 Condutores em
Série por Fase. Salienta-se que, o material sinterizado com propriedades mais
magnéticas e elétricas mais adequadas, foi a liga Fe-2%P, contudo, devido a altíssima
dureza da mesma, esta foi descartada. A liga (ou material) Ferro puro sinterizada
apresentou propriedades magnéticas e elétricas inferiores, contudo baixa dureza. Como
o núcleo do rotor foi compactado em blocos e posteriormente usinado, um material com
dureza elevada tornaria tal ação inviável.
2.5. Montagem do Estator
A carcaça (figura 6-a) e as chapas (figura 6-b) foram adquiridas junto a Voges
Motores, foram soldadas na forma de um pacote de chapas com as ranhuras inclinadas
no ângulo de um ranhura entre a parte posterior e anterior, ou seja, de 10 graus. Após o
estator pintado de azul e bobinado (figura 7), de acordo com as especificações citadas
anteriormente.
(a) (b)
Figura 6 – Máquina desenvolvida – (a) Carcaça – (b) Pacote de chapas
Figura 7 – Estator bobinado do Terceira Protótipo
2.6. Montagem do Rotor
A construção do núcleo do rotor foi a partir do ferro puro sinterizado. Devido ao
alto custo de uma matriz para a construção deste núcleo de acordo com as
especificações do projeto (figura 5), optou-se pela utilização de uma matriz para
compactação de blocos na forma de tarugo para posterior usinagem. A compactação foi
realizada em uma prensa FKL de 750 toneladas (figura 8-a), e a matriz utilizada pode
ser melhor visualizada na figura 8-b.
As bolacha obtidas a partir da matriz da figura 8-b, foram usinadas para a forma
final do núcleo do rotor (figura 5). Após foram inseridas no eixo da máquina e em
seguida foram fixados os ímãs permanentes de Nd-Fe-B. A figura 9 mostra a fotografia
do núcleo do rotor montado.
(a) (b)
Figura 8 – Compactação do rotor da máquina – (a) Prensa FKL e (b) Detalhe da
matriz
(a) (b)
Figura 9 – Núcleo do rotor do terceiro protótipo desenvolvido
2.7. Bancada de Ensaios e Testes da Máquina
A figura 10 mostra a máquina com o rotor (figura 9) inserido no núcleo do
estator (figura 7), sem as tampas. No presente momento, iniciaram-se os ensaios
preliminares da máquina em bancada e os dados ainda estão sendo compilados para
posterior divulgação. A figura 11 mostra a bancada a ser utilizada onde pode-se
observar a máquina desenvolvida neste trabalho conectado a um motor de indução de
mesma potência funcionando como máquina primária, com os eixos acoplados a partir
de uma célula de carga. Observa-se também um osciloscópio onde se pode visualizar as
formas de onda, dispositivo para aquisição de dados e um painel de controle, onde se
pode observar as tensões, correntes e potência.
Neste ensaio, mede-se a potência gerada pela máquina como gerador (potência
elétrica), o torque e velocidade angular no eixo de acoplamento da máquina primária
(potência mecânica). O rendimento da máquina será calculado a partir da relação entre a
potência elétrica de saída e a potência mecânica de entrada.
Figura 10 – Rotor inserido no estator
Figura 11 – Bancada para testes preliminares da máquina
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. Propriedades Físicas Obtidas da Liga Sinterizada Fe-50%Ni
Os corpos de prova obtidos a partir do Ferro puro sinterizado (figuras 1 e 2)
apresentaram, após a sinterização, a densidade de 6,63 g/cm3, considerando a média de
três corpos de prova, apresentando valor um pouco abaixo das especificações do
material indicado na literatura (entre 6,8 a 7,3 – valor típico de 7,2 g/cm3) [3], conforme
pode ser observado na tabela 1.
A figura 12-a mostra a curva de histerese (para um dos três corpos de prova), e
figura 12-b mostra a curva de magnetização. As propriedades magnéticas de
retentividade e coercitividade foram observadas a partir da curva de histerese. A
permeabilidade magnética relativa foi obtida a partir das curvas de magnetização
utilizando-se a equação 1. A indução máxima foi observada a partir das curvas de
magnetização para um campo magnético de 6 kA/m.
Figura 12 – Gráficos magnéticos do Ferro puro sinterizado – (a) curvas de histerese
– (b) curva de magnetização
A resistividade elétrica foi medida a partir dos corpos de prova na forma de
anéis (figura 2) com o corte de um segmento de 10 mm, utilizando-se a equação 2. A
tabela 1 mostra os resultados da densidade, resistividade elétrica e das propriedades
magnéticas, a partir dos valores médios de três corpos de prova.
Tabela 1 – Propriedades físicas do material Ferro puro sinterizado
Material ρm
[g/cm3]
ρe
[µΩ.m]
Br
[T]
Hc
[A/m]
Bmax
[T]
µr
Ferro Puro (*) 7,20 0,12 1,18 127,0 1,36 3.700,0
Ferro Puro (**) 6,63 0,16 0,90 448,0 1,19 1.852,6
ρm é a densidade, ρe a resistividade elétrica, Br a retentividade, Hc a coercitividade,
Bmax a indução máxima (observada para campo de 6 kA/m), µr a permeabilidade
magnética relativa.
(*) Valores obtidos a partir de referências bibliográficas [3]
(**) Valores obtidos experimentalmente
Da tabela 1 pode-se observar que a média (três corpos de prova) da retentividade
resultou em 0,90 T, e a coercitividade em 448,0 A/m, sendo que as referências
bibliográficas apresentam valores de 1,18 T e 127,0 A/m respectivamente. A
permeabilidade magnética relativa (máxima) resultou em 1.852,6 e a indução máxima
em 1,19 (referências bibliográficas apresentam valores de 3.700 e 1,36 T
respectivamente). A resistividade elétrica resultou em 0,16 µΩ.m (referências
bibliográficas apresenta valor de 0,12 µΩ.m) [3].
As grandes diferenças entre as propriedades indicadas na literatura [3,15,16] e
aquelas obtidas a partir dos corpos de prova devem-se aos seguintes aspectos: Algumas
referências não indicam as pressões de compactação utilizadas para materiais
magnéticos macios por M/P, e em alguns estudos utilizam-se pressões até 800 MPa para
materiais compósitos por M/P [17], e tal pressão tende a alterar as propriedades físicas
obtidas. Salienta-se também que fatores, como forma e tamanho de partículas dos pós,
tempo e temperatura de sinterização e gás utilizada na sinterização, podem influenciar
nas propriedades físicas dos materiais sinterizados [7,8].
A tensão de escoamento resultou em 139,9 MPa, considerando a média obtida de
três ensaios em três corpos de prova diferentes. O aço 1008 (baixo carbono) apresenta
tensão de escoamento média de 170 MPa. A dureza média obtida foi de 52,1 HB. O aço
AISI 1008 possui dureza de 86 HB [18]. Portanto com relação as propriedades
mecânicas observa-se que o Ferro puro sinterizado possui dureza menor que o aço baixo
carbono, bem como tensão de escoamento menor. Entretanto, tais características
permitem o uso deste material em núcleos de máquinas elétricas rotativas.
A análise da microestrutura da superfície dos corpos de prova foi observada a
partir dos segmentos retirado do anel da figura 2. Inicialmente, as amostras foram
lixadas e polidas e, a seguir, foi empregado o microscópio eletrônico de varredura –
MEV, no qual pode-se observar a microestrutura dos corpos de prova e visualizar a
formação de alguns poros na superfície da peça. Salienta-se que os materiais
sinterizados sempre apresentarão poros em sua estrutura e sua proporção depende
principalmente da pressão de compactação, mas também do tempo de sinterização [7,8].
3.2. Resultado das Simulações
Foram realizadas a partir do FEMM 4.2 três simulações para o estator com
núcleo de chapas M15 (aço silício), entretanto com variações no material do rotor, ou
seja, rotor a partir de chapas M15 (figura 13), rotor a partir da liga sinterizada Fe2%P
(figura 14) e Ferro puro sinterizado (figura 15). Nestas figuras (14,14,15), pode-se
observar a esquerda a amplitude, em módulo, da indução de entreferro, e a direita, as
linhas de fluxo magnético geradas no plano longitudinal da máquina.
(a) (b)
Figura 13 – Simulação da máquina com rotor a partir de chapas aço M15 – (a)
Densidade de fluxo de entreferro – (b) Linhas de fluxo no plano longitudinal da
máquina
(a) (b)
Figura 14 – Simulação da máquina com rotor a partir da liga sinterizada Fe-2%P
– (a) Densidade de fluxo de entreferro – (b) Linhas de fluxo no plano longitudinal
da máquina
(a) (b)
Figura 15 – Simulação da máquina com rotor a partir do Ferro puro sinterizado –
(a) Densidade de fluxo de entreferro – (b) Linhas de fluxo no plano longitudinal da
máquina
A partir das Figuras 13, 14 e 15, pode-se observar que a indução magnética de
entreferro apresenta valores máximos entre 1,0 e 1,25 T para alimentação, não variando
muito entre os três tipos de materiais de rotores estudados. Tal características está de
acordo com as referências bibliográficas, que indicam para máquinas elétricas rotativas,
densidade de entreferro nesta faixa [1,2].
A partir do FEMM 4.2 obteve-se também o valor do Torque Resultante e
Amplitude Média de Indução de Entreferro (tabela 2).
Tabela 2 – Grandezas elétricas e magnéticas obtidas a partir da simulação
Tipo de
Rotor
Indução de
Entreferro
[T]
Torque
[N.m]
Chapas M15 1,17 33,65 Fe-2%P 1,21 33,61
Ferro Puro 1,17 33,66
Da tabela 2 pode-se observar que a indução no entreferro e o torque são bastante
semelhantes para os três tipos de rotor, o que resultará em uma máquina com
características similares quanto ao desempenho, o que está dentro de algumas
referências bibliográficas as quais citam o uso de tais materiais em determinadas
aplicações em núcleos de máquinas elétricas rotativas [19].
4. CONCLUSÕES
O materiais Ferro puro sinterizado utilizado não apresentou as propriedades
magnéticas e resistividade elétrica indicadas na literatura, uma vez que, as variantes
com relação a M/P são muito extensas.
As simulações indicaram que a máquina com rotor construído a partir do Ferro
puro sinterizado terá desempenho muito similar a uma máquina com núcleos de chapas
somente.
Salienta-se que, somente os ensaios definitivos darão uma real indicação do
desempenho desta máquina, sendo que, tais ensaios, estão sendo realizados no presente
momento, e após sua completa compilação e análise, serão posteriormente divulgados.
AGRADECIMENTOS:
Os autores agradecem a CAPES, CNPq, Fapergs e FINEP pelas bolsas e financiamento
do projeto.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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STUDY OF A SYNCHRONOUS MACHINE WITH ROTOR CORE OBTAINED
FROM POWDER METALLURGY PROCESS AND PERMANENT MAGNETS
APPLIED TO WIND TURBINES
ABSTRACT
The aim of this work was the development (design and construction) of a three-phase
synchronous electric machine with permanent magnets for application in wind turbines
where the rotor core, usually constructed from low carbon steel plates or FeSi,
laminated, was replaced by sintered pure iron obtained from Powder Metallurgy
process. The machine was assembled from a structural framework of a three phase high
yield induction motor of 10 CV, where the stator plates were stacked with an inclination
of a groove along the entire length of the machine. This is the classical solution in order
to not generate reluctance or locked torque effects on the machine. After mounting the
rotor and stator, the machine was coiled and mounted; at the actual stage of
development, the machine is being tested as a generator on a bench, using as primary
machine the same 10 CV motor.
Key-words: three-phase synchronous electric machine, Powder Metallurgy, Soft
Magnetic Materiais, Wind Turbines.