Baixe Máquinas Elétricas CC Sem Escovas e Sem Ranhuras (Parte 2/2) e outras Notas de estudo em PDF para Tecnologia Industrial, somente na Docsity!
Máquinas Elétricas de Imãs Permanentes (Parte 2)
Máquinas de Imãs permanentes podem ser subclassificadas conforme as suas estruturas construtivas principais que, basicamente, podem ser duas: Maquinas de Imãs Permanentes de Fluxo Radial e Máquina de Imã Permanente de Fluxo Axial.
Do ponto de vista da complexidade pelo número de elementos agregados à máquina, ambas (máquinas de fluxo radial e axial), podem ser construídas de várias maneiras: da forma estator e rotor únicos, ou de várias combinações de forma de múltiplos estatores e / ou de múltiplo rotores.
Máquinas de Ímãs Permanentes de Fluxo Radial:
Máquinas Síncronas de ímãs permanentes de Fluxo Radial são as máquinas ímãs permanentes mais convencionais. Eles são amplamente utilizados para aplicações de acionamento direto.
A figura ao lado mostra duas vistas de uma máquina com as direções dos fluxos magnéticos e da corrente assinalados. O fluxo magnético flui radialmente na máquina enquanto os a corrente flui na direção axial.
Máquinas de Imãs Permanentes de Fluxo Radial são os mais fáceis e mais baratos de fabricar entre as máquinas de imãs permanentes, pois elas são os mais comumente utilizados e seus estatores são semelhantes aos das máquinas de indução convencionais. No entanto, eles são muito maiores do que as máquinas de fluxo axial e fluxo transversal, em termos de peso ativo e, obviamente maior comprimento axial.
Diferentes configurações possíveis de Máquinas Imãs Permanentes de Fluxo Radial são descritos abaixo. Podemos classificar estes motores como tendo cinco tipos principais com base na
Máquina Síncrona de Ímãs Permanentes de Fluxo Radial (com indicações de direção de fluxo e corrente).
Máquinas de Fluxo Radial e Axial em forma de Múltiplos Estágios
estruturação da montagem dos Ímãs Permanentes nos rotores:
- Imãs permanentes Montados em Superfície em Máquina com Rotor Interno;
- Imãs Permanentes Montados em Superfície em Maquina com Rotor Externo;
- Imãs Permanentes Montados por Inserção (Incrustados);
- Imãs Permanentes Embutidos (Arranjados em Forma de V);
- Imãs Permanentes Embutidos Tangencialmente Magnetizados.
Máquina com Rotor Interno de Imãs Permanentes Montados em Superfície:
Nestas máquinas, os ímãs permanentes são colocados na superfície do rotor, como mostrado na figura. Na verdade, esta é a configuração mais comumente utilizada.
A vantagem principal de uma máquina de imãs permanentes montada em superfície é a sua simplicidade e, consequentemente, o seu custo de construção mais baixos em comparação com outras máquinas de imãs permanentes.
A principal desvantagem é a exposição dos ímãs permanentes aos campos de desmagnetização. Além disso, os ímãs ficam sujeitos a forças centrífugas que aumentam com a velocidade de rotação, que pode causar a sua separação (descolagem) a partir do rotor.
A principal aplicação de acionamento direto da máquina rotor interno de imã permanente montado em superfície é a propulsão de navios, tal como a forma da máquina (pequeno diâmetro, comprimento grande) se adapta às exigências das embarcações. Geradores imã permanente montado em superfície também têm sido utilizados nas primeiras turbinas eólicas acionadas diretamente.
Máquina com Rotor Externo de Imãs Permanentes Montados em Superfície:
A máquina consiste num estator bobinado estacionário, localizado no centro da máquina, enquanto que os ímãs estão montados ao longo da circunferência interior do rotor.
Algumas das vantagens desta configuração são as seguintes:
- O diâmetro do rotor é maior do que para as máquinas de fluxo radiais convencionais,
Seção transversal de um motor com rotor interno de imãs permanentes montados em superfície (mostrando um par de polos).
Seção transversal de um motor com rotor externo de imãs permanentes montados em superfície (mostrando um par de polos).
determinado ângulo em um arranjo sob a forma de um "V". Entre as extremidades dos magnetos permanentes em forma de V e o no entreferro, existem duas pontes de ferro.
A principal desvantagem de rotores com Imãs Permanentes em forma de V embutidos é a presença das pontes de ferro.
Com a espessura mínima das pontes sendo determinada por restrições mecânicas, existe uma grande parte das fugas do fluxo dos ímãs permanentes através dessas pontes, em vez de atravessar o entreferro e contribuir para o torque.
Além disso, o rotor em forma de V não é muito facilmente adaptado para números elevados de polos: quanto maior o número de polos, menor o espaço disponível para cada imãs permanentes e tanto menor é o ângulo entre os dois imãs em forma de V.
Portanto, o ferro entre os ímãs permanentes pode facilmente ficar saturado se o ângulo for muito pequeno. Outra desvantagem da configuração do de imãs permanentes em forma de V é o elevado número de ímãs permanentes, o que aumenta o custo de produção.
Ainda assim, podemos encontrar dessas máquinas com Imãs Permanentes em forma de V operando como motores síncronos em aplicações de indústria de papel e celulose até 45 kW.
Máquina de Imãs Permanentes Tangencialmente Magnetizados:
Nesta segunda configuração de imãs permanentes embutidos (ver figura), conhecido como tangencialmente magnetizado de imãs permanentes, o rotor é composto de diferentes peças de ferro e permanente ímãs que estão fixadas juntos em volta de um eixo não- ferromagnético (com um eixo ferromagnético, uma grande parte do fluxo gerado pelos magnetos permanentes vazaria através do eixo).
O motor de imãs permanentes tangencialmente magnetizados tem o inconveniente de que muitas peças de ferro e ímãs permanentes têm de ser manipulados quando o número de polos é elevado. Por isso, podem surgir
Seção transversal de um motor com rotor de Imãs Permanentes Montados Embutidos (mostrando um par de polos).
Seção transversal de um motor com rotor de Imãs Permanentes Tangencialmente Magnetizados (mostrando um par de polos).
algumas dificuldades de produção.
No entanto, este motor não conter nenhuma ponte de ferro em comparação com a configuração com imãs permanentes em forma de V e, assim, a fuga de fluxo é muito reduzida.
A concepção de uma máquina e imãs permanentes tangencialmente magnetizados é uma das quais o emprego mais tem crescido.
Máquinas de Imãs Permanentes de Fluxo Axial:
Máquinas de imãs permanentes do tipo de fluxo axial (de discos) experimentaram interesses crescentes nas duas últimas décadas. Nos anos 90 foram sendo cada vez mais utilizadas em ambos, aplicações militares e comerciais, e, na última década, começaram a ser implementas em aplicações de tração de veículos elétricos, como uma alternativa para as máquinas de fluxo radiais convencionais.
Máquinas de Fluxo Axial tem algumas vantagens distintas sobre Máquinas de Fluxo Radial, em primeiro lugar, porque elas podem ser concebidas para ter uma relação potência / peso mais elevada, resultando em menos material do núcleo e uma maior eficiência. Em segundo lugar, elas são menores em tamanho do que os seus homólogos de fluxo radial e tem forma de disco do rotor e do estator estruturas.
Esta é uma característica importante das máquinas de fluxo axial, porque a forma e tamanho adequados, para corresponder à limitação de espaço, é crucial para algumas aplicações, tais como a dos veículos elétricos. Em terceiro lugar, elas têm entreferros planares e ajustável, e as máquinas de fluxo radial não. Além disso, a direção principal do fluxo no entreferro pode ser variada e muitas topologias discretas podem ser derivadas.
Máquinas de fluxo axial são classificados com base na estrutura do rotor. Eles são, de uma forma especial, denominadas:
- Máquina de Indução de Fluxo Axial, se a estrutura de rotor é uma gaiola de esquilo;
- Máquina de Fluxo Axial de Imãs Permanentes Montado em Superfície, se o rotor é formado por ímãs permanentes montados em superfície;
- Máquina de Imãs Permanentes de Fluxo Axial Interior, se o rotor possui uma estrutura de
Máquina de Ímãs Permanentes de Fluxo Axial (com indicações de direção de fluxo e corrente).
Uma versão idealizada da estrutura da máquina é mostrado na figura a seguir. A máquina tem um único estator ensanduichado entre dois discos de rotor de imãs permanetes.
O estator da máquina, é realizado por um núcleo de formato toroidal, que pode ser feito a partir de metal magnético suave, com enrolamento feito de condutor em fita finas, enrolados em torno do núcleo do estator, no qual toda a extensão da circunferência do núcleo é enrolado de tal maneira que cada espira se encaixa perfeitamente na espira anterior, formando múltiplos enrolamentos idênticos, que são concatenados e separados por um espaçamentos de ar, numa conexão encadeada, na qual o fim de um enrolamento é conectado ao ínicio do seu subsequente (back-to-back connection).
A estrutura de rotor é formada por um núcleo do rotor em forma de anel de superfície plana, onde os ímãs permanentes de NdFeB são montados e o eixo é passado pelo orifício central. Os dois rotores em forma de disco sustêm, os ímãs permanetes de NdFeB axialmente magnetizados, que são montados, sobre as superfícies do lado interior de ambos os discos do rotor. Vistas detalhadas da estrutura do estator e estrtutura do rotor são apresentados na figura a seguir. As porções ativas de condutores são as porções radiais dos enrolamentos do núcleo toroidal do estator que faceiam as duas estruturas de rotor.
Diferentes tipos de máquinas de imãs permanentes de Fluxo Axial de topologia de múltiplos rotores e / ou estatores existem, mas a topologia que é mais comumente estudada é da Máquina de Torus NS (estator não ranhurado).
A topologia TORUS sem handuras tem como uma característica uma alta potência em relação ao peso em devido ao seu elevado torque em relação ao peso, por causa do seu comprimento axial curto.
Motor de Fluxo Axial de Ímãs Permanentes montados em superfície Tipo Torus Não-Ranhurado (Torus-NS (Non-Sloted))
(a) Estrutura do estator da máquina de TORUS Sem Ranhuras (TORUS-NS), com enrolamentos espaçados por ar; (b) Estrutura do rotor da máquina Torus
As porções do intervalo de ar entre os enrolamentos são assumidos como sendo preenchidos com resina epoxi, como é comumnte feito em todas as estruturas não ranhuradas, a fim de aumentar a robustez e proporcionar um melhor condutor de dissipação de calor.
Os enrolamentos são bastante curtos, o que resulta em tornar a perda de cobre da máquina Torus-NS menor, com maior eficiência e a transferência de calor do condutor mais fácil.
O intervalo de ar não-ranhuradas dos enrolamentos fornece valores mais baixos de fugas e indutâncias mútuas. Efeitos que seriam normalmente resultados das ranhuras tais como: ondulação do fluxo, o torque de retenção (cogging torque), perdas em frequência elevada no rotor, e saturação nos dentes do estator são todos eliminados e esta característica conduz a uma máquina de baixo ruído.
Mais ainda, o efeito de desmagnetização dos imãs é muito pequeno devido ao grande entreferro efetivo, uma vez que consegue uma elevada densidade de fluxo no entreferro, utilizar os ímãs de NdFeB não é um problema. Em adição, uma outra característica importante desta máquina é que a auto-indutância é menor.
Entretanto, devemos tomar o cuidado em observar que, como nessa máquina o estator é colocado entre os dois rotores externos, que estão rigidamente ligados ao eixo mecânico, os ímãs permanentes que são colocados ao longo de cada rotor, quando ambos os rotores são agregados ao conjunto da máquina, teremos cada imã de um rotor estando face-a-face com um imã do outro do outro rotor, mesmo com estator separando-os, eles interagem entre si, definindo a conformação do fluxo de campo.
Assim, existem duas maneiras de se combinar a disposição dos imãs entre os dois rotores do conjunto da máquina:
- Com os imãs faceando em Polaridades Magnéticas Opostas, com um ímã de polo Norte de um rotor ficando de frente para um ímã de polo Norte do outro rotor (consequentemente, polo Sul com polo Sul);
- Com os imãs faceando em Polaridades Magnéticas Coincidentes, com um ímã de polo Norte de um rotor ficando de frente para um ímã de polo Sul do outro rotor (consequentmente, polo Sul com polo Norte).
A máquina Torus de estator não ranhurada, Torus-NS (Non Sloted), se enquadra apenas no primeiro caso, ou seja, do ponto de vista do alinhamento dos imãs dos rotores, a máquina Torus-NS alinha polos iguais entre os dois rotores (Norte com Norte) e, com isso, dizemos que ela é uma máquina de Topologia Magnética NN (Norte com Norte).
Já, quando os rotores são alinhados de modo facear pólos opostos entre os imãs entre os dois rotores (Norte com Sul), dizemos que esta é uma máquina de Topologia Magnética NS (Norte com Sul). Todavia, a Topologia Magnética NS (que alinha polos opostos, Norte com Sul), exige, inexoravelmente, uma extrutura ranhurada de estator (estator não pode ser sem ranhuma), ou seja, ela é uma máquina de fluxo axial Torus-S (Sloted).
Por sua vez, a máquina de Topologia Magnética NN (polos iguais, Norte com Norte), pode ser construída tanto sem ranhuras (Torus-NS), quanto com ranhuras (Torus-S).
Melhor do que palavras para esplicar estes acrônimos, os quais verdadeiramente podem criar uma certa confusão, melhor é um diagrama que apresente os três tipos de máquinas resultantes:
Máquinas Torus Com Estator Ranhurado (Torus-S):
Entre as diferentes configurações de motores de fluxo axial, as configuração de duplo rotores laterais (Torus), são as que têm melhores e mais variadas aplicações. Assim, os motores de fluxo axial são projetados tanto com estatores ranhurados, quanto sem ranhura. No entanto, a configuração com ranhura (Torius-S (Slotted)) têm maiores densidades de torque e de energia, do que as não ranhuradas.
Como em máquinas Torus com estator ranhurado (Torus-S) podemos ter qualquer um dos dois tipos de combinação de alinhamento de polaridade magnetica dos imãs (tanto Magnetos NN quanto Magnetos NS), isso tornas essas máquinas ideais para um estudo comparativo entre estes casos.
Muito embora a disposição dos ímãs na superfície interna dos rotores também tenham efeito sobre o caminho de fluxo principal do rotor ou do estator da máquina, tal qual as possíveis configurações de enrolamentos do estator, comparativamente, entre as máquinas Torus (ranhurada (S) e não não ranhurada (NS)), não existe diferença significativa na estrutura dos rotores.
Em ambos os caso dessas topologia Torus, o fluxo principal irá escoar, igualmente, tanto axialmente através do estator, quanto circunferencialmente na armação de suporte do estator. Todavia, o alinhamento dos polos magnéticos entre os imãs dos rotores, quando eles são fixados ao eixo da máquina Torus-S pode ser tanto igual, quanto diferente da Torus-NS, pois os dois casos de combinações de polos existem na topologia ranhurada Torus-S.
Na máquina Torus ranhurada (Torus-S) de Magnetos NN, ímãs de polos iguais estão alinhados entre si, em cada um dos rotores e, na máquina Torus ranhurada (Torus-S) de Magnetos NS, ímãs de polos opostos estão alinhados entre si, em cada um dos rotores.
Já, com respeito à estruturação dos estatores, as duas máquinas (Torus-S NN e Torus-S NS) são considerávelmente diferentes entre si, tanto na espessura da armação de suporte do estator, quanto na disposição de enrolamento.
Para a estrutura Norte-Norte (NN), o estator tem uma estrutura de aço ranhurada, com os enrolamentos de fase enrolados em torno do núcleo do estator, concatenados nas ranhuras, uniformemente distribuído, conectados em cadeia, dando voltas finais curtas, em ambas direções, axial e radial da máquina. Os enrolamentos na direção radial são usados para a produção de torque.
Nessa estrutura, as perdas no cobre são reduzidas devido aos enrolamentos finais muito curtos. Mas, uma vez que o fluxo principal tem que fluir circunferencialmente, ao longo do núcleo do estator, uma armação de suporte do estator. espessa é necessária que, por sua vez, aumenta as perdas no ferro, bem como os comprimentos de fim do enrolamento.
Para a estrutura do Norte-Sul (NS), o fluxo principal flui, apenas, axialmente, passando pelos entreferros e atravessando o estator, pelo que, em princípio, a estrutura não necessita de uma armação de suporte do estator ferromagnética (a armação de suporte do estator é eliminada ou reduzida, significativamente, em comparação com o Torus-S NN).
Isto diminui as perdas no ferro, mas, por outro lado, enrolamentos de bobinas sucessivas que se sobrepõem umas as outros (lap winding) precisam ser utilizados, para que a máquina seja capaz de produzir torque. Isto aumenta o comprimento dos finais de enrolamento finais, o que mais uma vez aumenta as perdas no cobre.
Comparando as máquinas de estrutura ranhurada NS e NN, também o diâmetro externo da máquina com a estrutura NS é aumentada. Como conclusão, a estrutura NN tem menores perdas no cobre e um diâmetro externo menor, mas as perdas de ferro são mais elevados, e um comprimento axial maior.
A imagem 3D de ambas as máquinas, o Torus-S NN tipo e Torus-S tipo NS são exibidos na figura a seguir:
A estrutura da máquina Torus-S do tipo NN, a sua disposição de enrolamentos e a direção do fluxo ao longo de um pare de polos, são mostrados na figura seguinte, em (a).
Uma estrutura com enrolamentos alojados ranhurada é utilizada nesta topologia. Uma estrutura com enrolamentos alojados em ranhuras é aquele no qual os enrolamentos são enrolados em torno da periferia do estator, em muito da mesma maneira que o de enrolamentos de um toroide. A corrente em cada enrolamento do estator flui na direção inversa em cada uma das ranhuras do estator que abraçam cada lado de um enrolamento.
Já, a máquina Torus-S do tipo NS é um outro tipo de máquina de torus, como mencionado anteriormente e uma seção abrangendo dois polos dessa máquina é ilustrado na figura seguinte, em (b). A corrente do estator flui no mesmo sentido em cada uma das ranhuras do estator face a face, a fim de criar torque.
Uma das diferenças básicas entre as máquinas Torus do Tipo NN e do Tipo NS é o caminho e a direção do fluxo magnético, como mostrado nas figura a seguir:
Modelos Conceituais de Máquinas Torus Ranhurada – Tipos por Alinhamento dos Polos dos Magnetos: (a) do Tipo NN (b) do Tipo NS
As estruturas físicas do estator e do rotor das máquinas são exatamente as mesmas, exceto a espessura da armação de suporte do estator e disposição dos enrolamentos.
Ao contrário da Torus tipo NN, a Torus tipo NS não requer qualquer ponte de ferro no estator, uma vez que o fluxo principal viaja axialmente. Esta característica implica em um aumento na densidade de potência e eficiência, e numa redução na espessura do estator e de eventuais perdas no ferro.
No entanto, quando usando bobinas enroladas na estrutura Torus NS, resulta em enrolamentos de comprimento maior e de maior final de enrolamento, o que implica maior diâmetro externo, com consequentes perdas no cobre mais elevadas e redução da eficiência e da densidade de potência.
Além disso, para ambos os tipos de máquina (NN e NS) a fim de criar o caminho de fluxo adequado, os ímãs voltados um para o outro em cada rotor devem ser polos N e N ou polos S e S em máquina Torus tipo e NN, e polos N e S ou polos S e N em máquina Torus tipo NS. Por conseguinte, a direção da corrente nos enrolamentos do estator tem de ser alternada de maneira adequada, de modo a criar o torque.
Com base nas estruturas dos magnetos de seus rotores, os vários tipos de motores de ímã permanente podem ser classificados em duas categorias principais, que são montadas à superfície motores PM onde imãs são coladas sobre a superfície do rotor e sepultado motores PM onde imãs são enterrados na do rotor.
O uso de superfície montado motores PM aumenta a quantidade de material de PM por polo usado no motor. A utilização de mais material de ímã geralmente aumenta a produção de binário do motor ao mesmo tempo que aumenta o volume do motor e, portanto, o custo. Enterrado PM do motor e do interior do motor PM utilizar os princípios de concentração de fluxo, onde o fluxo do ímã está concentrado no núcleo do rotor antes de chegar no entreferro. Estes motores geralmente têm relutância binário considerável que resulta do facto de que a utilização de concentração de fluxo no núcleo de ferro apresenta uma indutância dependente da posição e, portanto, a relutância do binário que pode ser benéfico em certos casos.
O esquema de acionamento sinusoidal substitui o pico plano do trapézio com uma onda sinusoidal que melhor corresponde à FCEM. É necessário sobrepor a comutação das fases, seletivamente disparando mais de um par de dispositivos de comutação de potência, ao mesmo tempo. Pode ser operado como uma configuração de controle em malha aberta ou em malha fechada, usando um sensor de realimentação de velocidade e é normalmente usado em aplicações de médio desempenho, que exigem controle de velocidade e de torque.
Ainda em construção ...
Notas:
(1) Cogging torque (ou torque de de retenção) de motores elétricos é o torque devido à interação entre os ímãs permanentes do rotor e as ranhuras do estator de uma máquina de ímã permanente (PM motor).
É também conhecido como torque de retenção, ou torque de "não corrente". Este torque é dependente da posição e a sua periodicidade, por revolução, depende do número de pólos magnéticos e o número de dentes no estator.
O torque de retenção é um componente indesejável para o funcionamento de todos os motores, mas é inerentemente presente em todas as máquinas de ímãs permanentes. É especialmente importante em velocidades mais baixas, com o sintoma de solavancos.
O torque de retenção resulta em ambas perturbações: do torque e da velocidade, no entanto, em altas velocidades, o momento de inércia do motor filtra o efeito do torque de retenção.
