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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: raulfmesquita@gmail.com. 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:

maiquel.pfingstag@ufrgs.br. 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: ecbprojetyo@gmail.com ; 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: sergio.bittencourt@ufrgs.br. 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: schaefer@ufrgs.br 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: moisesdias@feevale.br.

2

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

3

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.

7

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.

REFERÊNCIAS

[1] – NASAR, S.A. Handbook of Electric Machines. New York, McGraw-Hill, 1987.

[2] – FITZGERALD, A.E, KINGSLEY, Jr. C, UMANS, S.D. Electric Machinery. New York,

Bookman, 2008 (reimpressão), 6ª Edição.

[3] – JANSSON, P. Soft Magnetic Materials for A.C. Applications. Hoeganes A.B.,

Hoeganes Swed, Powder Metallurgy, v.35, n.1, 1992. p.63-66.

[4] – KRAUSE, R.F., BULARZIK, J.H., KOKAL, H.R. New Soft Magnetic Material for AC

and DC Motor Applications. Magnetics Inc, Burns Harbor, IN, USA. Journal of Materials

Engineering and Performance, v.6, n.6, Dec. 1997. p.710-712.

[5] – GERMAN, R.M. Powder Metallurgy Science. New Jersey, Metal Powder Industries

Federation, 1984, 279p.

[6] CREMONEZI, A.; KLEIN, A. N.; LOBERTO, A.; et al. A Metalurgia do Pó –

Alternativa Econômica com Menor Impacto Ambiental. Grupo Setorial de Metalugia do

Pó. Metallum Eventos Técnicos. , 1a Ed., São Paulo. 2009.

[7] – LUBORSKY, F.E., LIVINGSTON, J.D., CHIN, G.Y. Magnetic Properties of Metals

and Alloys. Physical Metallurgy. Amsterdam: Elsevier Science, 1996. [08]

[8] – LALL, C. The Effect Sintering Temperature and Atmosphere on the Soft Magnetic

Properties of P/M Materials, Advances in Powder Metallurgy, v.3, 1992.

[9] – JAMES, B. A., WILLIANS, G. Review of the Magnetic Properties of Sintered Iron.

Powder Metallurgy, v.22, n.2, 1979. p.75-85.

[10] – LANDGRAF, F.J.G., PLAUT, R.L. Efeito do Tamanho de Grão na Permeabilidade

Magnética Máxima da Liga Ferro 47,5% Níquel, Metalurgia – ABM, v.45, n.380, 1989.

p.677-681.

[11] – MOYER, K.H. The Effect of Proposity on the Properties of Iron Compacts.

Riverton, N.J. Hoeganes Corporation, 1980.

[12] – LALL, C; BAUM L.W. High Performance Soft Magnetic Components by Powder

Metallurgy and Metal Injection Molding, Modern Developments in P/M, v.18, 1998. p.363-

389.

16

[13] – LENEL, F.V. Magnetic Applications. Metals Hadbook, v.7, 1984. p.638-641.

[14] – BAS, J. A., PUIG, J., MOLINS, C.B. Soft Magnetic Materials in P/M: Current

Applications and State-of-the-Art. Modern Developments in Powder Metallurgy, Princeton,

New Jersey. Metal Powder Industries Federation, v.18, 1988. p.745-756.

[15] – TORO, VINCENT DEL, Fundamentos de Máquinas Elétricas, Rio de Janeiro,

Prentice-Hall do Brasil Ltda., 1994, 550p.

[16] MEEKER, D., Finite Element Method Magnetics. User’s Manual, v.4.2, 2010.

[17] – JILES, D. Introduction to Magnetism and Magnetic Materials. London, Chapman and

Hall, 1991.440p.

[18] – American Society for Testing and Materials. ASTM A773 / A773M – 01: Standard Test

Method for dc Magnetic Properties of Materials Using Ring and Permeameter Procedures

with dc Electronic Hysteresigraphs. West Conshohocken: ASTM, 2009.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem aos financiadores FINEP, FAPERGS, CNPq.