Projecto de uma Mquina de manes

Permanentes de Fluxo Axial Orientado para os

Sistemas de Converso de Energia Elica

ngela Paula Barbosa da Silva Ferreira

Dissertao submetida Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto para obteno do

grau de Doutor em Engenharia Electrotcnica e de Computadores

Dissertao de doutoramento realizado sob a orientao do

Prof. Doutor Artur Manuel de Figueiredo Fernandes e Costa

Professor Auxiliar do DEEC-FEUP

FEUP, Setembro de 2011

RESUMO

A elevada eficincia volumtrica dos materiais magnticos permanentes de terras raras,

disponveis, actualmente, a custos acessveis, possibilita a explorao de novas configuraes

de mquinas elctricas e a concretizao de factores de escala impraticveis nos sistemas de

excitao, classicamente obtidos atravs de densidades de correntes, favorecendo a reduo

das dimenses e, ainda, o rendimento daquelas.

No contexto tecnolgico actual de produtos elctricos integrados, as mquinas de manes

permanentes de fluxo axial apresentam um potencial considervel nas aplicaes de baixas

velocidades, atendendo s geometrias praticveis e superior densidade de binrio que as

caracteriza. Da anlise comparativa da configurao axial com a sua homloga radial,

demonstra-se que a mquina de manes permanentes de fluxo axial apresenta uma densidade

de binrio superior em projectos que utilizem mais de quatro pares de plos.

A geometria particular da configurao da mquina de manes permanentes de fluxo axial

introduz variveis que impem modificaes nos processos clssicos de projecto e construo

das mquinas elctricas. Neste trabalho, desenvolve-se uma rotina de projecto da mquina de

manes permanentes de fluxo axial, com nfase na configurao de duplo entreferro, rotor

interno. A rotina desenvolvida incorpora as interaces electromagnticas e trmicas, sendo

baseada em ferramentas analticas e de simulao com recurso ao Mtodo dos Elementos

Finitos.

Foi ainda projectado e construdo um prottipo, cujas decises de projecto foram orientadas

para os micro e mini sistemas de converso de energia elica. A implementao prtica e a

sua experimentao laboratorial permitiram validar a exequibilidade do processo construtivo e

corroborar as variveis iniciais definidas no anteprojecto.

ABSTRACT

The superior efficiency of rare earth permanent magnet materials, available nowadays at

affordable costs, allows the exploitation of new configurations of electrical machines and the

implementation of scale factors not allowed with conventional excitation systems. Permanent

magnet excitation allows a significant decrease of the pole pitch and an increase in efficiency.

In the technological trend of integrated drive solutions, permanent magnet axial flux machines

have increased scope in low speed applications, due to their feasible geometries and higher

torque density. A comparative study of axial flux permanent magnet machines and their radial

counterparts, shows that the axial flux configuration has a higher torque density in projects

using more than four pole pairs.

The axial flux configuration introduces specific variables to electrical machinery design and

manufacturing, which require modification of classical formulae. This work presents a routine

design of an axial flux permanent magnet machine intended for wind energy systems

applications. Emphasis has been placed on the design of dual airgap, internal rotor

configuration. The design incorporates thermal and electromagnetic interactions and uses

analytical tools and Finite Element Analysis.

A prototype machine, whose design decisions were focused on the micro and mini wind energy

systems applications, has been designed and constructed. The practical implementation and

testing aimed to evaluate the feasibility of the construction process and confirm the preliminary

design.

RSUM

Les hautes performances volumtriques des matriaux magntiques permanents base de

terres rares, actuellement disponibles cots accessibles, rendent possible lexploration de

nouvelles configurations de machines lectriques et la concrtisation de facteurs dchelle qui

seraient impraticables dans les systmes dexcitation, classiquement obtenus par les densits

de courants, favorisant la rduction des dimensions et aussi le rendement de la machine.

Dans le contexte technologique actuel de produits lectriques intgrs, les machines flux

radial aimants permanents prsentent un potentiel considrable pour les applications basse

vitesse, compte tenu des gomtries praticables et de la densit suprieure de binaire qui les

caractrisent. Par lanalyse comparative de la configuration axiale avec son homologue radiale,

on dmontre que la machine flux radial aimants permanents prsente une densit de

binaire suprieure dans les projets qui utilisent plus de quatre paires de ples.

La gomtrie particulire de la configuration de la machine flux radial aimants permanents

introduit des variables imposant des modifications dans les procdures classiques de projet et

de construction de machines lectriques. La routine de projet de la machine flux radial

aimants permanents, dveloppe ici, met laccent sur la configuration du double entrefer, rotor

interne. Elle incorpore les interactions lectromagntiques et thermiques, prenant appui sur les

outils analytiques et de simulation avec recours la Mthode des lments Finis.

Un prototype a t projet et construit. Les options du projet ont ts orientes vers les micro et

mini systmes de conversion dnergie olienne. Limplmentation pratique du prototype et son

exprimentation en laboratoire ont permis de valider la possibilit dexcution du processus

constructif et attester les variables initiales dfinies dans lavant.

AGRADECIMENTOS

Findo este trabalho, chegado o momento de agradecer a um conjunto de pessoas e

entidades cujo apoio e suporte foram cruciais na prossecuo das diversas actividades

envolvidas.

Em primeiro lugar, quero agradecer ao meu orientador cientfico, Prof. Doutor Artur Fernandes

e Costa, pelo apoio e disponibilidade constantes e, principalmente, pela pacincia demonstrada

para com o meu mtodo de trabalho peculiar.

Agradeo tambm ao Prof. Doutor Amndio Morim Silva, presente na fase inicial deste

trabalho.

Aos Prof. Doutor Carlos S, Prof. Doutor Rui Arajo e Prof. Doutor Jos Rui Ferreira, o meu

sincero agradecimento pelas contribuies e apoio sempre manifestado.

Gostaria ainda de agradecer as facilidades concedidas pelo corpo tcnico da FEUP,

nomeadamente Sr. Carla Silva, ao Sr. Jos Antnio Nogueira e ao Eng. Pinheiro Jorge.

Escola Superior de Tecnologia e de Gesto de Bragana, na figura dos meus superiores

hierrquicos, agradeo as facilidades concedidas durante a realizao deste trabalho.

Um agradecimento especial aos meus amigos Joo Paulo Almeida, Paula Odete Fernandes,

Paula Monte, Prudncia Martins, Ana Isabel Pereira, Susana Freitas e Vicente Leite, que me

ajudaram em aspectos cientficos e/ou de logstica.

Quero ainda agradecer a preciosa colaborao do Sr. Jos Afonso Santos na construo do

prottipo.

Aos meus pais, Lena, Ana e ao Manuel, pelo incentivo e pacincia demonstrados, o meu

muito obrigada.

Por fim, ao Leonel, a quem devo um agradecimento muito especial, por ter resistido aos ltimos

tempos e pelo incentivo sempre dado.

A todos, muito obrigada,

i

NDICE Lista de Figuras .. vi

Lista de Tabelas xii

Lista de Smbolos .... xiii

Abreviaturas ..... xxiii

CAPTULO 1 .. 1

1. Introduo .... 3

1.1. mbito e Motivao do Trabalho .... 3

1.2. Sistemas de Converso de Energia Elica ...... 4

1.2.1. Evoluo tecnolgica dos sistemas elicos ..... 4

1.2.2. Micro e mini sistemas elicos 9

1.2.3. Geradores de manes permanentes 10

1.2.3.1. Geradores de manes permanentes de fluxo transversal ... 12

1.2.3.2. Geradores de manes permanentes de fluxo radial 15

1.2.3.3. Geradores de manes permanentes de fluxo axial ..... 18

1.3. Objectivos e Contribuies do Trabalho ...... 19

1.4. Estrutura do Trabalho .. 20

Referncias ..... 23

CAPTULO 2 ... 27

2. Estado de Arte da Mquina de manes Permanentes de Fluxo Axial . 29

2.1. Introduo ...... 29

2.2. Desenvolvimento das Mquinas de manes Permanentes de Fluxo Axial .. 29

2.3. Configuraes e Variantes Construtivas da Mquina de manes Permanentes de Fluxo Axial

... 31

2.3.1. Estrutura com um entreferro 33

2.3.2. Estrutura com duplo entreferro e estator interno . 34

2.3.3. Estrutura com duplo entreferro e rotor interno ..... 38

2.3.4. Estruturas rotricas ...... 39

2.3.5. Estruturas estatricas ..... 41

ii

2.4. Materiais Magnticos Permanentes ... 43

2.4.1. Propriedades bsicas do magnetismo permanente ...... 43

2.4.1.1. Magnetizao e ciclo histertico 44

2.4.1.2. Energia nos processos de magnetizao e desmagnetizao 47

2.4.2. Evoluo histrica dos materiais magnticos 50

2.4.3. Materiais magnticos permanentes de terras raras ...... 52

2.5. Materiais Magnticos Macios . 56

2.6. Resumo.... 62

Referncias...... 63

CAPTULO 3 ... 69

3. Fundamentos da Mquina de manes Permanentes de Fluxo Axial ... 71

3.1. Introduo ...... 71

3.2. Princpios Electromagnticos Fundamentais .... 72

3.2.1. Princpio da produo de binrio ...... 74

3.2.2. Fluxo magntico e fora electromotriz ... 77

3.2.3. Potncia e binrio electromagnticos .... 77

3.3. Modos de Funcionamento 78

3.3.1. Anlise comparativa entre os modos de funcionamento sinusoidal e quadrilateral ... 83

3.4. Equaes de Dimensionamento Bsicas 88

3.4.1. Razo de dimetros . 89

3.4.2. Dimetro externo 91

3.4.3. Dimenses axiais ... 94

3.5. Anlise Comparativa entre as Mquinas de manes Permanentes de Fluxo Axial e Radial

... 97

3.6. Resumo..... 101

Referncias ...... 103

CAPTULO 4 .... 105

4. Projecto Analtico da Mquina de manes Permanentes de Fluxo Axial 107

4.1. Introduo 107

4.2. Modelo da Mquina de IPFA 108

4.3. Projecto Magntico .... 109

4.3.1. Funcionamento dinmico dos manes permanentes .. 110

iii

4.3.1.1. Variao da temperatura de funcionamento .... 111

4.3.1.2. Variao da linha de carga do circuito magntico 113

4.3.1.3. Modelo dos manes permanentes .. 115

4.3.2. Intensidade de corrente mxima admissvel no desmagnetizante dos manes

permanentes 116

4.3.3. Rede de relutncias ... 119

4.3.3.1. Fluxo de fugas dos manes permanentes . 122

4.3.3.2. Fluxo de fugas do entreferro . 125

4.4. Projecto Elctrico 127

4.4.1. Dimensionamento dos materiais activos do estator 128

4.4.2. Enrolamentos . 132

4.4.2.1. Enrolamentos imbricados concentrados 133

4.4.2.2. Enrolamentos concentrados fraccionrios .... 135

4.4.3. Clculo da resistncia por fase ... 137

4.4.4. Clculo das indutncias sncronas 139

4.4.4.1. Indutncias de magnetizao ... 140

4.4.4.2. Indutncia de fugas do estator . 143

4.4.4.3. Indutncia mtua entre os estatores 144

4.5. Resumo . 145

Referncias ...... 147

CAPTULO 5 . 149

5. Perdas e Transferncia de Calor ... 151

5.1. Introduo 151

5.2. Perdas Joule ......152

5.3. Perdas no Ferro ... 152

5.3.1. Modelo parcelar das perdas no ferro ... 154

5.3.2. Modelo de Steinmetz modificado ... 156

5.3.3. Variao das perdas no ferro com a temperatura 161

5.4. Perdas Suplementares 162

5.5. Perdas Mecnicas ...... 163

5.6. Perdas por Correntes de Foucault nos manes Permanentes e na Estrutura do Rotor .... 164

5.7. Modelo Trmico ... 166

iv

5.7.1. Transferncia de calor .. 167

5.7.1.1. Conduo . 167

5.7.1.2. Conveco ... 169

5.7.1.3. Radiao ... 171

5.7.2. Rede de resistncias trmicas . 173

5.8. Resumo . 180

Referncias ... 182

CAPTULO 6 .... 185

6. Projecto Assistido pelo Mtodo dos Elementos Finitos 187

6.1. Introduo 187

6.2. O mtodo dos Elementos Finitos .. 188

6.2.1. O mtodo de Galerkin .. 189

6.2.2. Anlise 2D versus anlise 3D .. 191

6.2.3. Condies de fronteira . 191

6.2.4. Discretizao do domnio e preciso ... 193

6.3. Induo magntica . 195

6.3.1. Induo magntica no entreferro ... 196

6.3.2. Fluxo de fugas dos manes permanentes e do entreferro ... 197

6.4. Indutncias .. 198

6.4.1. Indutncias sncronas ... 198

6.4.2. Indutncias de magnetizao ...... 200

6.4.3. Indutncia de fugas nas ranhuras . 201

6.4.4. Indutncia mtua entre os estatores 202

6.4.5. Influncia do nvel de saturao do ferro do estator ...... 203

6.4.6. Comparao entre os resultados analticos e os resultados obtidos pelo MEF .... 205

6.5. Fora Electromotriz em Vazio . 206

6.6. Binrio Electromagntico 208

6.6.1. Binrio de ranhura .. 209

6.6.2. Clculo dos binrios de ranhura e electromagntico . 210

6.7. Optimizao do Volume de Material Magntico Permanente ... 215

6.7.1. Fluxo totalizado em funo do volume dos manes 216

6.7.2. Coeficiente polar optimizado 220

v

6.8. Resumo 223

Referncias ...... 225

CAPTULO 7 .... 227

7. Implementao e Experimentao de uma Mquina de manes Permanentes de Fluxo Axial

.... 229

7.1. Introduo ... 229

7.2. Configurao do Prottipo da Mquina de IPFA .. 229

7.3. Processo Construtivo 231

7.3.1. Rotor ... 232

7.3.2. Estator 234

7.3.3. Enrolamentos . 236

7.4. Experimentao Laboratorial ... 238

7.4.1. Layout do sistema de experimentao ... 238

7.4.2. Resultados experimentais .. 239

7.4.3. Discusso dos resultados ...... 242

7.5. Resumo 245

Referncias 247

CAPTULO 8 .... 249

8. Concluso 251

8.1. Sntese do Trabalho e Concluses .. 251

8.2. Prossecuo do Trabalho e Desenvolvimentos Futuros . 253

ANEXO A

Coeficiente de Carter ..... 257

ANEXO B

Factor de Enrolamento dos Enrolamentos Imbricados ... 263

ANEXO C

Parmetros e Formulao dos Coeficientes Trmicos ...... 269

ANEXO D

Equaes de Maxwell ........ 275

vi

LISTA DE FIGURAS Figura 1.1: Sistema de converso de energia elica baseado no gerador de induo duplamente alimentado [Figura

adaptada de Blaabjerg, et al. (2010)]. .. 8

Figura 1.2: Sistema de converso de energia elica baseado no gerador sncrono de manes permanentes [Figura

adaptada de Blaabjerg, et al. (2010)]. ..... 9

Figura 1.3: Sistema de micro converso de energia elica, com sistema de proteco passivo [Figura adaptada de Bumby,

et al. (2008)]. ..... 10

Figura 1.4: Mquina de IPFT com os manes dispostos na superfcie rotrica [Figura original de Kastinger (2002)]. 12

Figura 1.5: Mquina de IPFT com concentrao de fluxo [Figura original de Dubois, et al. (2002)]. . 13

Figura 1.6: Mquina de IPFT com os manes dispostos na superfcie do rotor e ncleos de ferro do estator para retorno do

fluxo [Figura original de Blissenbach, Viorel (2003)]. ..... 13

Figura 1.7: Mquina de IPFT com fluxo comutado. (a) Representao tridimensional de um par de plos. (b) Princpio da

comutao de fluxo [Figuras originais de Jianhu, et al. (2009)]. ...... 14

Figura 1.8: Mquina de IPFT com o fluxo nos entreferros na direco axial [Figura original de Muljadi, et al. (1999)]. . 14

Figura 1.9: Configurao radial com os manes embutidos na estrutura rotrica, com concentrao de fluxo. (a) manes

dispostos em V. (b) manes com magnetizao tangencial ao entreferro. ..... 16

Figura 1.10: Mquina de IPFR multipolar. (a) Estator externo. (b) Rotor externo. .... 16

Figura 1.11: Seco transversal de um gerador de IPFR sem ferro magntico [Figura original de Spooner, et al. (2005)]. . 17

Figura 1.12: Seco longitudinal de um gerador IPFR com duplo entreferro, estator interno [Figura original de Mueller e

McDonald (2009)]. .... 17

Figura 2.1: Configuraes bsicas das mquinas de IPFA. (a) Estrutura com um entreferro. (b) Estrutura com duplo

entreferro, estator interno. (c) Estrutura com duplo entreferro, rotor interno. . 32

Figura 2.2: Estrutura modular da mquina de IPFA, com dois estatores e trs discos rotricos. ...... 33

Figura 2.3: Percursos do fluxo til para a estrutura com duplo entreferro, estator interno. (a) Topologia Norte-Norte. (b)

Topologia Norte-Sul. .... 34

Figura 2.4: Topologia Norte-Norte para a estrutura com duplo entreferro, estator interno sem ranhuras. 35

Figura 2.5: Estrutura toroidal com manes adicionais na parte circunferencial do rotor. ......... 35

Figura 2.6: Mquina de IPFA duplo entreferro, estator interno com os manes dispostos em filas de Halbach, com direces

de magnetizao a 90. (a) A induo magntica concentra-se no interior da estrutura. (b) Componentes da induo

magntica no espao do estator. ... 36

Figura 2.7: Construo de uma mquina de IPFA trifsica, 8 plos, sem ferro magntico, com os manes dispostos em fila

de Halbach. (a) Disco rotrico. (b) Enrolamento estatrico. (c) Disco rotrico e enrolamento estatrico. (d) Discos rotricos

e enrolamento estatrico no interior (Gieras, et al., 2004, p. 191). ...... 37

Figura 2.8: Estrutura com duplo entreferro, estator interno, com os manes embutidos nos rotores. (a) Seco transversal

de um disco rotrico. (b) Sector axial planificado. ...... 38

Figura 2.9: Percursos do fluxo til para a estrutura com duplo entreferro, rotor interno. (a) manes na superfcie rotrica. (b)

manes embutidos no rotor. 38

vii

Figura 2.10: Estrutura polar com reduo da reaco do induzido transversal [Figura adaptada de Weh, et al. (1984, p.

1759)]. . 40

Figura 2.11: Sector radial do rotor com os manes na superfcie, com um plo constitudo por duas seces (man

permanente e ferro magntico macio), para controlo por enfraquecimento do campo. ... 41

Figura 2.12: Automao da construo de estatores com ranhuras para mquinas de fluxo axial [Figura original de

BrookCrompton (2007), com autorizao]. ...... 42

Figura 2.13: Ciclos histerticos normal e intrnseco de um man permanente ideal [Figura adaptada de Campbell (1994, pp.

14-15)]. ... 45

Figura 2.14: Caractersticas de desmagnetizao normais e intrnsecas de um man de NdFeB (N40UH) [Figura adaptada

de ChenYang-Engineering (2010)]. ... 46

Figura 2.15: Variao de energia ao longo do ciclo histertico normal [Figura adaptada de Campbell (1994, p. 17)]. .. 48

Figura 2.16: Variao por unidade de volume da energia associada ao campo magntico (a), da energia cintica interna (b)

e da energia potencial (c) [Figura adaptada de Campbell (1994, p. 98)]. ... 49

Figura 2.17: Produto energtico em funo do campo magntico ao longo da caracterstica de desmagnetizao. . 50

Figura 2.18: Desenvolvimento dos materiais magnticos permanentes no sculo XX, em funo do produto energtico

mximo [Figura adaptada de ArnoldMagnetics (2010), com autorizao]. . 52

Figura 2.19: Principais propriedades magnticas dos materiais magnticos macios comerciais mais comuns [Figura

adaptada de ArnoldMagnetics (2010), com autorizao]. .. 57

Figura 2.20: Ciclos histerticos de uma liga amorfa (Metglas 2605SA1), antes e depois do tratamento termomagntico nas

direces longitudinal e transversal [Figura adaptada de Metglas (2010)]. 60

Figura 2.21: Esquema de um material magntico compsito [Figura adaptada de Hultman, Jack (2003, p. 516)]. ....... 61

Figura 3.1: Distribuies da induo magntica no entreferro da mquina bipolar equivalente. (a) Distribuio quadrilateral.

(b) Distribuio sinusoidal correspondente componente fundamental. 73

Figura 3.2: Forma de onda quadrilateral e componente fundamental da induo magntica no entreferro ao longo do raio

til da mquina; m 0,7. ... 74

Figura 3.3: Componentes harmnicas da forma de onda da induo magntica; m 0,7;

max max 4 sin 2 ,h mB B h h h 1, 3, 5, 7. ... 74

Figura 3.4: Princpio de produo de binrio numa mquina de fluxo axial. (a) Representao simplificada da mquina de

fluxo axial ideal. (b) Superfcie elementar ds . .... 76

Figura 3.5: Formas de onda da corrente da mquina de IPFA. (a) Modo sinusoidal. (b) Modo quadrilateral. ..... 79

Figura 3.6: Diagrama fasorial de uma mquina sncrona anisotrpica (gerador sobrexcitado). . 80

Figura 3.7: Formas de onda tericas da fem induzida e da intensidade de corrente da mquina de IPFA quadrilateral. .. 81

Figura 3.8: Circuito elctrico da mquina de IPFA quadrilateral ligada a um conversor electrnico de energia com duas

fases activas. . 81

Figura 3.9: Fluxos totalizados e fem induzidas numa mquina trifsica no modo de funcionamento quadrilateral. 83

Figura 3.10: Espao disponvel para a disposio dos enrolamentos entre o veio da mquina e o raio interno. (a)

Enrolamento a duas camadas com uma ranhura por plo e por fase. (b) Enrolamento concentrado num estator com

Dk 0,6 [Figura original de Parviainen (2005), p. 23]. ...... 90

viii

Figura 3.11: Dimetro externo em funo da potncia til e da razo de dimetros, Dk ; coswk 0,8; 0,9;

rn 300 min-1; 2m ; max1B 1 T; maxA 8 kA/m. .... 93

Figura 3.12: Dimetro externo em funo da potncia til e da velocidade de rotao; coswk 0,8; 0,9; 1 3Dk ;

2m ; max1B 1 T; maxA 8 kA/m. 93

Figura 3.13: Sector axial planificado no dimetro mdio da mquina de IPFA com duplo entreferro e rotor interno. .... 94

Figura 3.14: Caracterstica de desmagnetizao dos manes permanentes e linha de carga do circuito magntico. ....... 95

Figura 3.15: Dimenses das mquinas de manes permanentes; (a) mquina de IPFA; (b) mquina de IPFR. . 99

Figura 3.16: Razo entre as densidades de binrio das mquinas de manes permanentes de fluxo axial e de fluxo radial;

max1 sB B 0,67; Dk 0,6; mgk 0,8. 101

Figura 4.1: Estator de uma mquina de IPFA com uma geometria das ranhuras constante e largura dos dentes varivel ao

longo do raio til. .... 108

Figura 4.2: Formas dos manes das mquinas de IPFA. (a) Coeficiente polar constante; (b) e (c) coeficiente polar varivel.

109

Figura 4.3: Definio da geometria dos materiais activos nos diferentes planos de computao da mquina de IPFA. . 109

Figura 4.4: Variao da induo magntica com a temperatura [Figura adaptada de Campbell (1994), p. 68]. ... 112

Figura 4.5: Funcionamento dinmico de um man permanente por variao da linha de carga. ..... 114

Figura 4.6: Modelo equivalente de um man permanente. (a) Equivalente de Norton. (b) Equivalente de Thvinin. ... 116

Figura 4.7: Circuito magntico equivalente simplificado da mquina de manes permanentes de fluxo axial. ..... 117

Figura 4.8: Pontos de funcionamento limite correspondentes no desmagnetizao de um man permanente (a) com uma

caracterstica de desmagnetizao no linear e (b) com uma caracterstica de desmagnetizao linear. .... 118

Figura 4.9: Rede de relutncias da mquina ao longo de um passo polar. y a relutncia de um elemento do ncleo do

estator, t a relutncia de um dente, s a relutncia da abertura da ranhura, , ( )g d q a relutncia do entreferro

equivalente na direco polar (interpolar), m a relutncia interna correspondente a meio man, I a fmm devida ao

enrolamento do estator e mr a fmm devida aos manes permanentes em circuito aberto. ...... 121

Figura 4.10: Permeabilidade relativa em funo da induo magntica do ferro laminado M470-50A. ......... 122

Figura 4.11: Distribuio do fluxo magntico e da fmm ao longo do comprimento axial do man permanente [Figura

adaptada de Gieras e Wing (2002), p. 47]. ........ 123

Figura 4.12: (a) Fluxo de fugas nos prprios manes e fluxo de fugas entre manes adjacentes. (b) Rede de relutncias

associada aos manes com a incluso dos percursos dos fluxos de fugas. .... 123

Figura 4.13: Modelo equivalente de um man permanente, incluindo os fluxos de fugas. (a) Equivalente de Norton. (b)

Equivalente de Thvinin. ... 124

Figura 4.14: Relutncias da abertura da ranhura, no percurso do fluxo de fugas do entreferro; (a) relutncia mnima; (b)

relutncia mxima. ..... 126

Figura 4.15: Variao do fluxo de fugas do entreferro em funo do coeficiente polar, para as relutncias mnima e mxima;

ro row l 0,2 cm; r 0,717 cm; r 300; 2008 A 2r rw ; 1 q 5. . 127

Figura 4.16: Ncleo de ferro laminado na direco radial. ..... 130

Figura 4.17: Geometria da espira alojada nas ranhuras da mquina de IPFA, com 1q ; 3b r o passo da bobina. 131

ix

Figura 4.18: Tipos de enrolamentos imbricados utilizados nas mquinas de manes permanentes; (a) enrolamentos

concentrados, q 1; (b) enrolamentos distribudos, q 2. ... 133

Figura 4.19: (a) Disposio dos enrolamentos imbricados concentrados. (b) Distribuio espacial da fmm devida s

componentes fundamentais das intensidades de corrente no estator com q 1; maxai I ; max 2b ci i I . ... 134

Figura 4.20: Componentes harmnicas da forma de onda de onda da fmm de ordem 1 at 11; max3 I ,Ih fN hp h 1,

5, 7, 11. ........ 135

Figura 4.21: Enrolamentos concentrados fraccionrios, q 1, (a) de duas camadas e (b) de uma camada. ... 136

Figura 4.22: (a) Fluxo de fugas atravs da ranhura devido s correntes que circulam nos condutores. (b) Variao do

campo magntico ao longo do comprimento da ranhura. J y a densidade superficial de corrente; cn o nmero de

camadas de condutores na direco axial da mquina; rN o nmero de condutores por ranhura; i a intensidade de

corrente em cada condutor da ranhura; rw a largura da ranhura. . 138

Figura 4.23: Formas de onda da induo magntica no entreferro, devidas componente fundamental da fmm do estator

da mquina, com os manes dispostos na periferia do rotor de (a) material no magntico e de (b) material magntico

[Figura adaptada de Gieras e Wing (2002), pp. 188-189]. ...... 140

Figura 5.1: Amplitude dos ciclos histerticos menores na forma de onda da induo magntica no sinusoidal. 155

Figura 5.2: Formas de onda da induo magntica nos dentes de ferro; (a) ,t eq mw , (b) ,t eq mw , (c)

,t eq mw . ..... 159

Figura 5.3: Forma de onda da induo magntica num elemento do ncleo do estator. ... 160

Figura 5.4: Perdas especficas no ferro laminado M470-50A, sob induo sinusoidal frequncia de 50 Hz. . 161

Figura 5.5: Formas de onda da induo magntica devida aos manes permanentes ao longo de um passo polar na

presena de (a) uma ranhura aberta e de (b) uma ranhura semi-aberta. . 165

Figura 5.6: Interface entre a ranhura e o ferro do dente da mquina de IPFA. 168

Figura 5.7: Transferncia de calor por conduo num volume de controle com gerao de energia distribuda e uniforme e

condies de fronteira assimtricas. 175

Figura 5.8: Modelo de parmetros concentrados de um volume de controle com gerao de energia distribuda e uniforme.

176

Figura 5.9: (a) Estrutura dos condutores na ranhura. (b) Modelo simplificado com dois materiais homogneos. . 177

Figura 5.10: Rede de resistncias trmicas do prottipo da mquina de IPFA (as fontes de corrente que modelam a

injeco das perdas na rede, so suprimidas e representadas por setas). .. 178

Figura 6.1: Seco circunferencial planificada da mquina de IPFA correspondente a um par de plos e condies de

fronteira e de simetria associadas. ...... 192

Figura 6.2: Discretizao do domnio atravs de uma malha com 92864 elementos triangulares, 46709 pontos, 2612

elementos de fronteira e 80 vrtices. .. 194

Figura 6.3: Distribuio da induo magntica no plano mdio da mquina, em vazio ( rB 1,12 T). ... 195

Figura 6.4: Distribuio da induo magntica no plano mdio da mquina, em carga ( rB 1,12 T, 22ai A;

2b ci i A). . 195

x

Figura 6.5: (a) Forma de onda da induo magntica no entreferro ao longo de um passo polar, no plano mdio da

mquina em vazio ( rB 1,12 T). (b) Contedo harmnico. ... 196

Figura 6.6: (a) Forma de onda da induo magntica no entreferro ao longo de um passo polar, no plano mdio da

mquina em carga ( rB 1,12 T, 22ai A; 2b ci i A). (b) Contedo harmnico. ... 197

Figura 6.7: Fluxos de fugas dos manes permanentes e do entreferro. (a) Fluxo de fugas do entreferro atravs do percurso

de relutncia mxima. (b) Fluxo de fugas no entreferro atravs do percurso de relutncia mnima. ... 197

Figura 6.8: Distribuio das fases nas ranhuras correspondente fmm mxima coincidente com o eixo d ; o eixo da fase

a , 'a , coincide com o eixo d , e as intensidades de corrente so 22ai A, 2b ci i A. 199

Figura 6.9: Induo magntica de reaco do induzido segundo o eixo d , max 22i A; (a) forma de onda ao longo de um

passo polar; (b) contedo harmnico. . 201

Figura 6.10: Induo magntica de reaco do induzido segundo o eixo q , max 22i A; (a) forma de onda ao longo de

um passo polar ; (b) contedo harmnico. . 201

Figura 6.11: (a) Fluxo de fugas nas ranhuras; (b) Vector potencial magntico ao longo da dimenso axial da ranhura. 202

Figura 6.12: Distribuio do vector potencial magntico ao longo de um par de plos na estrutura axial, com os dois

estatores; as densidades de corrente no estator superior correspondem a 22qi A e 0di e no estator inferior so

nulas. . 203

Figura 6.13: Variao da permeabilidade relativa no ferro da mquina com 22di A e 0qi , na presena de (a) campo

de reaco do induzido e (b) campos indutor ( rB 1,12 T) e de reaco do induzido. 204

Figura 6.14: Variao da permeabilidade relativa no ferro da mquina com 22qi A e 0di , na presena de (a) campo

de reaco do induzido e (b) campos indutor ( rB 1,12 T) e de reaco do induzido. 204

Figura 6.15: Fluxo totalizado numa fase da mquina em vazio relativamente posio rotrica (em radianos elctricos);

rB 1,12 T. . 207

Figura 6.16: Fem por fase em vazio ( f 100 Hz); (a) forma de onda e componente fundamental; (b) Contedo harmnico.

.... 208

Figura 6.17: Superfcie infinitesimal do rotor da mquina de IPFA e componentes da induo magntica. .. 212

Figura 6.18: Energia magntica em vazio ao longo de um passo de ranhura (a aproximao obtida pelos coeficientes de

Fourier representada pela curva SF). ...... 214

Figura 6.19: Binrio de ranhura ao longo de um perodo; (a) formas de onda obtidas pelo mtodo do tensor de tenses de

Maxwell (TTM) e pelo mtodo do deslocamento virtual; (b) harmnicos na forma de onda do binrio de ranhura (TTM). . 215

Figura 6.20: Bobina da mquina de IPFA, representada, por simplificao, com uma espira. . 217

Figura 6.21: Distribuio do produto interno ri IH B na rea reservada aos manes permanentes, com m 1. ... 221

Figura 7.1: Rotor do prottipo, com os rolamentos posicionados no veio; (a) e (b) pormenores da fixao do rotor ao veio.

233

Figura 7.2: Veio do prottipo. 234

Figura 7.3: Processo construtivo dos estatores; (a) pea de ferro compactada; (b) e (c) obteno das ranhuras. .. 234

xi

Figura 7.4: Processo de fixao dos estatores carcaa; (a) tampa e (b) um estator com a furao do sistema de fixao.

.... 235

Figura 7.5: Pormenor do encaixe providenciado na carcaa para ajudar a fixar os estatores. . 236

Figura 7.6: Processo de obteno dos enrolamentos; (a) disposio dos enrolamentos nas ranhuras e (b) fixao e

isolamento dos enrolamentos no activos. 237

Figura 7.7: Prottipo da mquina de IPFA; (a) terminais dos enrolamentos; (b) vista segundo a direco axial. . 238

Figura 7.8: Layout do sistema de experimentao do prottipo. 239

Figura 7.9: Valor eficaz da fem induzida em vazio, por fase, em funo da frequncia. 239

Figura 7.10: (a) Forma de onda da fem induzida em vazio a 100 Hz; (b) valores eficazes das componentes harmnicas. 240

Figura 7.11: Evoluo das perdas no ferro e perdas mecnicas com a frequncia. ... 240

Figura 7.12: Tenso simples nos terminais da mquina em funo da corrente fornecida, com factor de potncia unitrio.

241

Figura 7.13: Potncia fornecida, com factor de potncia unitrio. . 241

Figura 7.14: Rendimento medido em funo da corrente fornecida. . 241

Figura 7.15: Evoluo das perdas Joule (a) e das perdas no ferro e mecnicas com a carga, a 100 Hz (b) e a 50 Hz (c). 242

Figura 7.16: Induo magntica devida aos manes com geometria cilndrica; (a) distribuio da induo magntica num

plano do entreferro da mquina de IPFA; (b) forma de onda da induo magntica ao longo de um passo polar no dimetro

mdio da mquina. . 243

Figura A.1: Distribuio da induo magntica no entreferro ao longo de um passo de ranhura da mquina, para a largura

da abertura da ranhura fsica, 0rw , e para a largura da abertura da ranhura equivalente, 0,r eqw . .. 260

Figura A.2: Variao do coeficiente de Carter em funo das razes entre a largura da ranhura e o comprimento do

entreferro, row g , e entre a largura da ranhura e o passo de ranhura, ro rw . .... 261

Figura B.1: Efeito da distribuio do enrolamento na fem induzida. .. 265

Figura B.2: Efeito do encurtamento do passo das bobinas na fem induzida. ... 266

Figura B.3: Inclinao das ranhuras relativamente direco polar radial. . 267

xii

LISTA DE TABELAS Tabela 1.1: Designaes das mquinas de manes permanentes, de acordo com as direces do fluxo no entreferro e no

ncleo do estator. .. 11

Tabela 2.1: Principais caractersticas das classes de manes permanentes sinterizados com relevncia comercial actual

[Tabela adaptada de Trout (2008), com autorizao]. 56

Tabela 5.1: Designao das resistncias da rede de resistncias trmicas. 179

Tabela 6.1: Comparao entre as abordagens analtica e numrica no clculo das indutncias da mquina de IPFA. Na

abordagem analtica, r dsd q md qL L L L . sd qL indutncia sncrona longitudinal (transversal), md qL indutncia de

magnetizao longitudinal (transversal), rL indutncia de fugas nas ranhuras, dL indutncia diferencial, M indutncia

mtua entre os estatores. ......... 205

Tabela 6.2: Fluxo totalizado em vazio por unidade de comprimento radial da mquina de IPFA em funo do coeficiente

polar ( rB 1,06 T, i 2 A). ........ 223

Tabela 7.1: Parmetros do prottipo da mquina de IPFA implementado. ...... 231

Tabela 7.2: Propriedades magnticas dos manes permanentes de NdFeB, graduao N30SH. ... 231

Tabela 7.3: Resultados tericos e experimentais da sobrelevao da temperatura. .. 242

Tabela 7.4: Regime nominal do prottipo da mquina de IPFA. .... 245

Tabela B.1: Factor de distribuio para um enrolamento com 2q . ...... 266

Tabela B.2: Factor de passo da bobina para um enrolamento com b 2/3. ........ 266

Tabela C.1: Propriedades fsicas e trmicas de materiais seleccionados, relevantes em mquinas elctricas. d massa

volmica; th condutividade trmica; pc capacidade especfica de calor; viscosidade dinmica; d viscosidade

cinemtica; th pdc difusividade trmica; th emissividade; p thPr c nmero de Prandtl (Incropera, et al., 2007;

Pyrhnen, et al., 2008). ......... 271

Tabela C.2: Comprimentos equivalentes de interfaces, eql , e coeficientes de transferncia de calor por contacto, ,th uh , entre

materiais em mquinas elctricas (Pyrhnen, et al., 2008). ....... 272

Tabela C.3: Coeficientes mdios de transferncia de calor por conveco, ,th vh . Ra nmero de Rayleigh; g acelerao da

gravidade (m/s2); coeficiente trmico de expanso volumtrica (K-1); fT temperatura da pelcula (K); sT temperatura da

superfcie (K); T temperatura quiescente (K); Nu nmero de Nusselt mdio; L comprimento caracterstico (m); DRe

nmero de Reynolds na periferia do disco; Re nmero de Reynolds rotacional; r velocidade angular de rotao (rad/s);

outr raio externo (m); G razo entre o comprimento do entreferro, g , e o raio externo; as designaes das resistncias

trmicas correspondem s utilizadas em 5.7.2. ........... 272

xiii

LISTA DE SMBOLOS a , b , c fases do sistema trifsico

x , y , z variveis do sistema de coordenadas cartesianas

xu , yu , zu versores do sistema de coordenadas cartesianas

A densidade linear de corrente, A/m; vector potencial magntico, Wb/m

'a eixo da fase a

B induo magntica, T

rB induo remanente, T

sB induo de saturao, T

mC parmetro emprico associado ao modelo de Steinmetz

thC capacidade de calor, J/K

c velocidade de uma onda electromagntica num meio material, m/s

dc coeficiente de resistncia aerodinmica

pc capacidade especfica de calor, J/(kg.K)

0c velocidade de uma onda electromagntica no vazio, m/s

D dimetro, m; domnio; vector deslocamento elctrico, C/m2

cD dimetro de um fio condutor incluindo o isolamento, m

,c uD dimetro de um fio condutor, m

rD deslocamento elctrico residual, C/m2

d eixo longitudinal; espessura da chapa de ferro, m; massa volmica, kg/m3

ard massa volmica do ar, kg/m3

E campo elctrico, V/m; fora electromotriz, V

e espessura da chapa de ferro incluindo o isolamento, m

F fora de Lorentz, N

fora magnetomotriz, A

mc fora magnetomotriz coerciva, A

xiv

mci fora magnetomotriz coerciva intrnseca, A

mr fora magnetomotriz em circuito aberto, A

f frequncia, Hz; funo

wrf frequncia fundamental dos harmnicos de ranhura, Hz

vector das foras magnetomotrizes, A

G razo entre o comprimento do entreferro e o raio externo

thG condutncia trmica, W/K

g acelerao da gravidade, m/s; comprimento fsico do entreferro, m

Cg comprimento do entreferro corrigido pelo coeficiente de Carter, m

thG matriz das condutncias trmicas, W/K

H campo magntico, A/m

cH campo magntico coercivo, A/m

ciH campo magntico coercivo intrnseco, A/m

h ordem do harmnico

,th rh coeficiente de transferncia de calor por radiao, W/(K.m2)

,th uh coeficiente de transferncia de calor por conduo, W/(K.m2)

,th vh coeficiente de transferncia de calor por conveco, W/(K.m2)

I , i intensidade de corrente, A

J densidade de corrente elctrica, A/m2

eJ densidade de corrente elctrica externa, A/m2

ank coeficiente de perdas anmalas

Ck coeficiente de Carter

cFk coeficiente de perdas por correntes de Foucault

Dk razo entre os dimetros interno e externo da mquina (razo de dimetros)

dk factor de distribuio

hk coeficiente de perdas por histerese

xv

hck factor de correco das perdas por histerese

Mk coeficiente de acoplamento magntico

,mec ak factor das perdas mecnicas por atrito nos rolamentos

mgk razo entre o comprimento axial dos manes e do entreferro e o comprimento axial do

ncleo do estator

pk factor de encurtamento de passo de uma bobina

rk factor de preenchimento da ranhura

sk factor de inclinao

satk factor de saturao

strk factor das perdas suplementares

wk factor de enrolamento

ck coeficiente da permencia de fugas dos enrolamentos no activos

dk coeficiente da permencia diferencial

rk coeficiente da permencia da ranhura

k factor de correco do fluxo til

1k razo entre a amplitude da componente fundamental e a amplitude mxima

L comprimento caracterstico, m; operador diferencial de segunda ordem

mdL indutncia de magnetizao longitudinal, H

mqL indutncia de magnetizao transversal, H

sdL indutncia sncrona longitudinal, H

sqL indutncia sncrona transversal, H

l comprimento, m

cl comprimento mdio de uma espira de material condutor, m

el comprimento axial do estator, m

,l eql espessura equivalente dos materiais isolantes na ranhura, m

rol comprimento axial da abertura da ranhura, m

xvi

sl comprimento da fita do estator, m

L indutncia de fugas do estator, H

cL indutncia de fugas dos enrolamentos no activos, H

dL indutncia diferencial, H

rL indutncia de fugas das ranhuras, H

M indutncia mtua, H; magnetizao, A/m

sM magnetizao de saturao, A/m

m massa, kg; nmero de fases;

mm momento de um dipolo magntico, A.m2

rm massa do rotor, kg

vm massa do veio, kg

N nmero de planos de computao

fN nmero de espiras em srie por fase

rN nmero de condutores por ranhura

uN nmero de Nusselt

n velocidade de rotao, min-1; vector unitrio perpendicular fronteira

cn nmero de camadas de condutores numa ranhura na direco axial

pn nmero de condutores em paralelo por espira da bobina

1N conjunto dos nmeros naturais, excluindo o 0

P polarizao elctrica, C/m2; potncia activa, W

anP perdas anmalas no ferro, W

cFP perdas por correntes de Foucault, W

elmP potncia electromagntica, W

FeP perdas no ferro, W

,Fe sP perdas especficas do ferro, W/kg

fP potncia fornecida, W

xvii

hP perdas por histerese, W/kg

JP perdas Joule, W

mP polarizao magntica, T

,mec aP perdas mecnicas por atrito, W

,mec fP perdas mecnicas por frico, W

Pr nmero de Prandtl

strP perdas suplementares, W

p nmero de pares de plos

rp permetro da ranhura, m

permencia, H

mm permencia de fugas entre manes adjacentes, H

mlk permencia de fugas prpria do man, H

P vector das potncias de perdas injectadas, W

Q nmero de ranhuras por estator

thQ quantidade de calor, J

q eixo transversal; nmero de ranhuras por plo e por fase

R resistncia por fase,

Ra nmero de Rayleigh

Re nmero de Reynolds rotacional

DRe nmero de Reynolds na periferia do disco em rotao

rR resistncia trmica de radiao, K/W

uR resistncia trmica de conduo, K/W

vR resistncia trmica de conveco, K/W

g relutncia, H-1

mm relutncia de fugas entre manes adjacentes, H-1

mlk relutncia de fugas prpria do man, H-1

xviii

s relutncia da abertura da ranhura , H-1

r posio no espao , ,r x y z ; raio, m

ur raio til do estator, m

vr raio do veio, m

*r resduo

matriz das relutncias, H-1

S seco, m2

bS seco da bobina, m2

,Cu rS seco transversal de cobre por ranhura, m2

cS seco do condutor incluindo o isolamento, m2

,c uS seco do condutor, m2

elmS potncia aparente electromagntica, VA

iS superfcie equivalente dos enrolamentos no activos no raio interno, m2

oS superfcie equivalente dos enrolamentos no activos no raio externo, m2

'S superfcie infinita

T perodo, s; temperatura, C; temperatura absoluta, K

ambT temperatura ambiente, C ou K

CT temperatura de Curie, C ou K

cogT binrio de ranhura, N.m

elmT binrio electromagntico, N.m

fT temperatura da pelcula, C ou K

sT temperatura da superfcie, C ou K

T temperatura quiescente, C ou K

T tensor de Maxwell de segunda ordem

t tempo, s

U tenso (simples), V

V potencial escalar elctrico, V; volume, m3

xix

extV volume exterior mquina, m3

gV volume do material da mquina com permeabilidade aproximadamente igual do vazio, m3

'V volume associado ao espao infinito, m3

v velocidade, m/s

W energia, J

mW energia magntica, J

w funo peso; largura, m

row largura da abertura da ranhura, m

mdX reactncia de magnetizao longitudinal,

mqX reactncia de magnetizao transversal,

sX reactncia sncrona,

sdX reactncia sncrona longitudinal,

sqX reactncia sncrona transversal,

X reactncia de fugas,

ngulo elctrico, rad ou ; difusividade trmica, m2/s; parmetro da equao de Steinmetz

m coeficiente polar

s ngulo de inclinao da ranhura, rad ou

coeficiente trmico de expanso volumtrica, K-1; parmetro associado s perdas no ferro

ngulo elctrico entre o centro do plo (eixo longitudinal d ) e o enrolamento da fase,

suposta a , do estator, rad ou

m largura polar, rad, ou m

ngulo de binrio, rad ou

ij delta de Kronecker

l ngulo de carga, rad ou

erro relativo; espessura do isolamento de um lado da lmina de ferro, m; permitividade

absoluta, F/m; razo entre os valores por fase da tenso nos terminais da mquina e a fem

em vazio

xx

r permitividade relativa

th emissividade

,th r emissividade relativa entre as superfcies emissora e absorvente

0 permitividade do vazio, F/m

rendimento

ngulo geomtrico, rad ou ; diferena de temperatura, K ou C

vector da sobrelevao da temperatura, K

coeficiente de temperatura da resistividade, C-1; funo escalar ou vectorial

B coeficiente de temperatura reversvel da induo remanente, C-1

H coeficiente de temperatura reversvel do campo magntico coercivo intrnseco, C-1

* funo de interpolao

razo entre a largura da abertura equivalente e a largura da ranhura

comprimento de onda, m; fluxo totalizado, Wb;

,a m fluxo totalizado na bonina a devido unicamente ao fluxo indutor, Wb

,a mI fluxo totalizado na bonina a devido aos fluxo indutor e de reaco do induzido, Wb

permeabilidade absoluta, H/m; viscosidade dinmica, Pa.s

ar viscosidade dinmica do ar, Pa.s

r permeabilidade relativa

,r rec permeabilidade relativa de restabelecimento dos manes permanentes

0 permeabilidade do vazio, H/m

viscosidade cinemtica, m2/s

densidade de binrio, N.m/m3

densidade volmica de carga elctrica, C/m3; resistividade elctrica, .m

condutividade elctrica, S/m

SB constante de Stefan-Boltzmann, W/(K4.m2)

th condutividade trmica, W/(K.m)

passo polar, rad, ou m

xxi

b passo da bobina, rad, ou m

r passo da ranhura, rad, ou m

profundidade de penetrao num condutor, m

j funo linear

fluxo magntico, Wb

,m lk fluxo de fugas do man permanente, Wb

,m u fluxo magntico til no entreferro, Wb

',m u fluxo magntico til nas superfcies polares, Wb

r fluxo magntico remanente, Wb

th fluxo trmico, W

e susceptibilidade elctrica

m susceptibilidade magntica

vector dos fluxos magnticos, Wb

ngulo de fase, rad ou

fronteira de um domnio

frequncia angular elctrica, rad/s

r velocidade angular de rotao, rad/s

operador diferencial

Sufixos

a ambiente, fase a do sistema trifsico

c condutores

Cu cobre

d longitudinal

e estator

eq equivalente

Fe ferro

xxii

f carcaa

g entreferro

I induzido

i enrolamentos no activos no raio interno

l isolamento e impregnao das ranhuras

h ordem do harmnico

in interno

m manes permanentes

max mximo

med mdio

min mnimo

N nominal

o enrolamentos no activos no raio externo

out externo

q transversal

r ranhura; disco rotrico de suporte dos manes permanentes

t dentes do estator

y ncleo do ferro do estator

Sufixos adicionais

A axial

qd quadrilateral

R radial

xxiii

ABREVIATURAS AC Corrente Alternada

DC Corrente Contnua

EDP Equao Diferencial Parcial

EWEA European Wind Energy Association

fem fora electromotriz

fmm fora magnetomotriz

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

IPFA manes Permanentes de Fluxo Axial

IPFR manes Permanentes de Fluxo Radial

IPFT manes Permanentes de Fluxo Transversal

MEF Mtodo dos Elementos Finitos

MDF Medium Density Fiberboard

N polo norte

PWM Pulse Width Modulation

Re Parte real

S polo sul

SF Srie de Fourier

TTM Tensor de Tenses de Maxwell

2D duas dimenses

3D trs dimenses

CAPTULO 1

INTRODUO

2

NDICE

1. Introduo ................................................................................................................................. 3

1.1. mbito e Motivao do Trabalho.............................................................................................. 3

1.2. Sistemas de Converso de Energia Elica .............................................................................. 4

1.2.1. Evoluo tecnolgica dos sistemas elicos .......................................................................... 4

1.2.2. Micro e mini sistemas elicos ................................................................................................ 9

1.2.3. Geradores de manes permanentes .................................................................................... 10

1.2.3.1. Geradores de manes permanentes de fluxo transversal ................................................. 12

1.2.3.2. Geradores de manes permanentes de fluxo radial .......................................................... 15

1.2.3.3. Geradores de manes permanentes de fluxo axial ........................................................... 18

1.3. Objectivos e Contribuies do Trabalho ................................................................................ 19

1.4. Estrutura do Trabalho ............................................................................................................. 20

Referncias ....................................................................................................................................... 23

3

1. INTRODUO

1.1. MBITO E MOTIVAO DO TRABALHO

O presente trabalho insere-se no mbito do projecto e modelao de mquinas elctricas de

manes Permanentes de Fluxo Axial (IPFA) orientadas para aplicaes a baixas velocidades,

nomeadamente, os sistemas de converso de energia elica, como geradores.

O potencial das mquinas de manes permanentes est directamente associado a dois vectores

de desenvolvimento tecnolgico, o primeiro e mais decisivo dos quais est relacionado com a

evoluo dos materiais magnticos permanentes baseados em terras raras. Devido sua elevada

eficincia energtica, estes materiais permitem uma reconfigurao dos circuitos magnticos e a

utilizao de factores de escala nos sistemas de excitao das mquinas elctricas, permitindo

configuraes e volumetrias no praticveis nas solues convencionais.

O segundo vector decorre da maturao e vulgarizao dos sistemas de converso electrnica de

energia, que permitem o desacoplamento da mquina elctrica da rede, com a consequente

eliminao de dispositivos de interface.

Por outro lado e no contexto tecnolgico actual, a configurao axial da mquina de manes

permanentes, se realizada com um nmero de plos elevado, apresenta uma densidade de binrio

superior sua homloga radial, o que motiva a sua explorao em aplicaes caracterizadas por

baixas velocidades de rotao. Acresce ainda o potencial associado geometria com que podem

ser desenhadas, ideal para aplicaes em que o comprimento axial da mquina limitado pelos

requisitos da aplicao.

O estado de arte dos geradores elicos de manes permanentes e dos sistemas de converso de

energia elica demonstram a adequabilidade da mquina de IPFA aos requisitos desta aplicao,

4

tal como se apresenta na seco seguinte em modo de enquadramento do presente trabalho e

justificao dos seus principais objectivos.

1.2. SISTEMAS DE CONVERSO DE ENERGIA ELICA

Os sistemas de converso de energia elctrica proveniente de fontes renovveis, so,

inquestionavelmente, a principal linha de aco no sector, quer devido vulnerabilidade do

mercado dos combustveis fsseis, quer devido a uma crescente sensibilizao sobre os preceitos

ambientais vigentes. A energia elica registou um crescimento anual mdio de 35% nos ltimos 20

anos, tendo atingido em 2009, uma capacidade instalada de 158 GW em todo o mundo (Brown,

2011). A EWEA (European Wind Energy Association) estabeleceu como meta para o ano de 2030,

que 23% do consumo elctrico tenha como fonte primria a energia elica, o que indicia uma

ainda crescente competitividade tecnolgica dos sistemas de converso desta fonte energtica.

1.2.1. Evoluo tecnolgica dos sistemas elicos

Desde os finais da dcada de 90 do sculo passado, tem-se assistido a uma mudana dos

sistemas convencionais, caracterizados por um aproveitamento da energia do vento numa faixa

estreita de velocidades do vento sistemas a velocidade fixa, para os sistemas a velocidade

varivel.

Os sistemas a velocidade fixa baseiam-se num gerador de induo estandardizado, accionado

atravs de uma caixa de velocidades e ligado directamente rede elctrica. Independentemente

da velocidade do vento, a velocidade de rotao da mquina , praticamente, imposta pela

frequncia da rede elctrica. As vantagens dos sistemas de converso de energia elica a

velocidade fixa so a sua robustez e a facilidade de explorao, quando ligados a redes elctricas

fortes, com garantia de controlo estvel da frequncia. As desvantagens inerentes utilizao

destes sistemas so a baixa eficincia na captao de energia elica, por utilizarem uma gama de

velocidades estreita, e a elevada fadiga dos componentes mecnicos devido s flutuaes da

velocidade do vento, com repercusses na oscilao da potncia elctrica fornecida. Estes

5

sistemas requerem geralmente dispositivos de controle de energia reactiva, ligados ao estator da

mquina.

Os sistemas de converso de energia elica a velocidade varivel so projectados para obter um

rendimento aerodinmico mximo numa gama larga de velocidades, adaptando continuamente a

velocidade de rotao do gerador velocidade do vento. Ao contrrio dos sistemas a velocidade

fixa, os sistemas a velocidade varivel mantm o binrio do gerador aproximadamente constante,

sendo as variaes do vento compensadas pelas variaes da velocidade do gerador (Hansen, et

al., 2004). Do ponto de vista da turbina elica, os sistemas a velocidade varivel permitem uma

reduo do rudo e da fadiga mecnica dos elementos do sistema e, ainda, maximizar o

rendimento aerodinmico, com um aumento na captao de energia mdia anual, atingindo

valores 10% superiores (Mutschler, Hoffmann, 2002), o que, em 20 ou 30 anos de vida til,

representam um retorno significativo. Nesta soluo, o gerador de induo duplamente alimentado

frequentemente utilizado em sistemas com potncia superior a 1,5 MW. A sua utilizao

pressupe a ligao turbina, propriamente dita, atravs de uma caixa de velocidades que pode

ter mltiplas relaes, j que, construtiva e funcionalmente, no vivel a utilizao de um nmero

elevado de plos na mquina. O seu estator ligado directamente rede, enquanto o rotor, com

um enrolamento trifsico bobinado, ligado rede atravs de um conversor electrnico cuja

potncia da ordem de 30% da potncia nominal da mquina (Blaabjerg, et al., 2010). Esse

conversor electrnico permite o controlo do trnsito de potncia com a rede e o controlo do ponto

de funcionamento do gerador, garantindo-se ajuste de velocidade na gama de aproximadamente

25% da velocidade sncrona (Bauer, et al., 2000). Para deslizamentos elevados, a energia que

seria dissipada por efeito Joule nos enrolamentos do rotor pode ser recuperada para a rede. Alm

disso, o conversor permite efectuar a compensao do factor de potncia e garante uma ligao

suave rede elctrica.

De acordo com as propostas do mercado, os sistemas a velocidade varivel baseados no gerador

de induo duplamente alimentado tm obtido um sucesso considervel, com vrios fabricantes a

6

proporem esta soluo para sistemas com potncias elevadas: Vestas (2011), Gamesa (2011),

GE Energy (2011), DeWind (2011), Mitsubishi Power Systems (2011), entre outros.

Como alternativa ao gerador de induo duplamente alimentado, aparece o gerador sncrono,

convencional ou de manes permanentes, com ou sem caixa de velocidades, este ltimo caso

correspondendo a uma terceira tendncia dos sistemas de converso de energia elica: os

sistemas com accionamento directo do gerador.

A mquina sncrona de manes permanentes, comparativamente ao gerador de induo

duplamente alimentado e, mesmo, mquina sncrona convencional, apresenta um rendimento

superior, por eliminar as perdas Joule no circuito elctrico do rotor e reduzir as do circuito do

estator, bem como uma maior fiabilidade e uma menor manuteno ao eliminar o sistema de anis

e escovas. A banalizao dos manes permanentes de terras raras, devido melhoria das suas

propriedades e ao abaixamento do seu preo, permite a obteno de mquinas economicamente

competitivas, transferindo para os restantes elementos do sistema aerogerador a viabilidade

econmica da soluo, com destaque para o sistema de controlo de potncia j que este ter que

ser dimensionado para a potncia nominal da mquina. Mas, aqui, tambm o decrscimo

substancial no custo dos componentes electrnicos a que se assistiu ao longo da ltima dcada,

potencia a sua utilizao em larga escala sem onerar excessivamente a soluo global.

Como aspecto negativo da soluo, refira-se que, embora o gerador de manes permanentes

apresente rendimentos mais elevados, o processamento de toda a potncia convertida atravs do

conversor electrnico agrava as perdas neste, comparativamente soluo baseada no gerador

de induo duplamente alimentado (Baroudi, et al., 2007).

Aerogeradores com mquinas sncronas de manes permanentes accionadas atravs de uma

caixa de velocidades, com potncias iguais ou superiores a 2 MW, so hoje produtos de grandes

fabricantes (Vestas (2011), GE Energy (2011), DeWind (2011), WinWind (2011) e Areva (2011))

acentuando a tendncia de utilizao crescente da mquina por parte dos mesmos, incluindo

aqueles que, no passado, haviam baseado os seus produtos exclusivamente no gerador de

induo (Vestas e a GE Energy, nomeadamente).

7

Os sistemas de converso de energia elica com accionamento directo, ao dispensarem a caixa

de velocidades, eliminam tambm as perdas na mesma, aumentam a fiabilidade e reduzem a

necessidade de manuteno e o rudo, bem como possibilitam relaes de potncia/peso muito

mais favorveis. Estas vantagens justificam, alis, a tendncia mais geral de eliminao das

caixas de velocidades em sistema electromecnicos, conduzindo a que as mquinas elctricas

sejam, hoje e cada vez mais, projectadas para a aplicao especfica a que se destinam,

afastando-se assim do conceito base de projecto e fabrico estandardizado.

Os geradores elicos utilizados sob o conceito do accionamento directo so o gerador sncrono

excitado electricamente, como proposto pela Enercon (2011), e o gerador sncrono com o sistema

de excitao baseado em manes permanentes, soluo que adoptada pelos fabricantes

stxWindpowerB.V. (2011) e Lagerwey Wind (2011), e.g.. Os geradores so projectados para

baixas velocidades e elevados binrios, em contraposio aos geradores estandardizados, e, por

isso, tendem a ser maiores e mais pesados, com maior volume dos materiais activos, e, tambm,

a terem maiores perdas, especialmente no caso de excitao convencional elctrica.

A excitao da mquina sncrona baseada em manes permanentes ajuda a mitigar aquelas

tendncias, ao reduzir o volume de material activo e a aumentar o rendimento da mquina, pois

elimina as perdas de excitao e de atrito nos contactos anis escovas, e permite a reduo do

passo polar, o que, por sua vez, diminui as partes no activas dos enrolamentos e as perdas Joule

associadas.

Os sistemas de converso de energia elica de potncias mdias e elevadas, na ordem dos mega

watts, sincronizados com a rede elctrica, no devem comprometer a estabilidade do sistema

elctrico, i.e., devem contribuir activamente para a recuperao das perturbaes na rede

elctrica, de forma similar s centrais convencionais, tendo de produzir potncia activa e reactiva

para a recuperao da tenso e da frequncia nominais e cumprir com os critrios da qualidade de

energia (Blaabjerg, et al., 2010; Conroy, Watson, 2007; Tremblay, et al., 2006). Nos pases com

uma elevada penetrao de energia elica tem vindo a ser produzida regulamentao neste

8

sentido (Altin, et al., 2010), o que motiva uma constante investigao nos sistemas electrnicos de

potncia, responsveis pela interface entre o gerador elico e a rede elctrica.

Os primeiros sistemas a velocidade varivel utilizavam rectificadores e conversores baseados em

dodos e tiristores, comutados pela tenso da rede, com uma frequncia de comutao baixa e,

consequentemente, formas de onda com harmnicos a baixas frequncias. Nestes casos, o

gerador tinha necessariamente que ter capacidade de produo de energia reactiva (gerador

sncrono convencional), ou era necessrio utilizar baterias de condensadores adicionais. Na

dcada de 90, p.p., ficaram disponveis os interruptores electrnicos de potncia comutados por

um sinal de controlo (IGBT, e.g.) na gama de potncias requeridas pelos sistemas de converso

de energia elica. Os conversores com estes interruptores electrnicos so capazes de controlar

as potncias activa e reactiva, independentemente do gerador utilizado, e, devido elevada

frequncia de comutao, os harmnicos a baixas frequncias so significativamente reduzidos.

Nas Figura 1.1 e Figura 1.2 so apresentados os esquemas de controlo dos sistemas elicos a

velocidade varivel para integrao na rede elctrica, baseados no gerador de induo

duplamente alimentado e no gerador sncrono de manes permanentes directamente accionado,

de acordo com as tendncias tecnolgicas que coexistem actualmente.

G~

DC

AC DC

AC

Rede

Transformador

FiltroConversor

Sistema de controlo da rede

Controlo da potncia

Controlo da velocidade

Controlo do gerador

Controlo da rede

PWM PWMDCV IrI

conv,refredeP

rconv,refredeQ

refDCV

rede redeP Q

redeP

refredeP

Passo das ps

Caixa de velocidades Gerador de Induo

duplamente alimentado

Figura 1.1: Sistema de converso de energia elica baseado no gerador de induo duplamente alimentado [Figura

adaptada de Blaabjerg, et al. (2010)].

9

G~ DC

DC DC

AC

RedeFiltro

Conversor elevador

Sistema de controlo da rede

Controlo da turbina

Controlo do gerador

Controlo da rede

PWM PWMDCV IDCI

conv,refredePr conv,refredeQ

refDCV

rede redeP Q

redeP

refredeP

Passo das ps

DC

AC

Rectificador Conversor

Gerador sncrono de manes

permanentes Transformador

Figura 1.2: Sistema de converso de energia elica baseado no gerador sncrono de manes permanentes [Figura

adaptada de Blaabjerg, et al. (2010)].

No possvel afirmar de forma determinstica qual a melhor opo de acordo com critrios

econmicos e/ou de fiabilidade da soluo integral. Os geradores que integram as duas solues

apresentam impactes distintos na fiabilidade e nos custos dos outros elementos, pelo que, os

estudos efectuados com os dados disponveis at data, no so totalmente conclusivos

(Arabian-Hoseynabadi, et al., 2010; Polinder, et al., 2006).

1.2.2. Micro e mini sistemas elicos

As polticas governamentais de apoio actividade de produo descentralizada de electricidade

em pequena escala, recorrendo a recursos renovveis, tm vindo a incrementar as solues de

micro e mini produo elica, com potncias mximas atribuveis, no caso da ligao rede

elctrica de servio pblico, de 5,75 kW e 250 kW, respectivamente, de acordo com a legislao

portuguesa (Decreto-Lei n. 363/2007, alterado e republicado pelo Decreto-Lei n. 118-A/2010, no

caso da micro produo, e Decreto-Lei n. 34/2011, no caso da mini produo).

Os sistemas de converso de energia elica fornecem ainda uma alternativa economicamente

vivel e fivel aos grupos electrogneos convencionais, para aplicaes autnomas ou sistemas

isolados em zonas rurais (Byrne, et al., 2007). Neste tipo de aplicaes frequente recorrer a

baterias para acumular energia, devido no simultaneidade entre a produo e o consumo (IEA,

2010).

10

O sistema de excitao do gerador elico baseado em manes permanentes, devido baixa

potncia destas aplicaes, no encarece em demasia o sistema de converso e, pelas vantagens

j referidas, favorece a fiabilidade e o rendimento, reduzindo tambm os requisitos de

manuteno.

Nesta gama de potncias, as solues comerciais utilizam geralmente o accionamento directo do

gerador, eliminando as desvantagens inerentes caixa de velocidades (Bergey, 2011; Zephyr,

2011). Ao contrrio dos sistemas de potncias superiores, o passo das ps geralmente fixo e

so utilizados sistemas de proteco passivos relativamente a rajadas de vento (Driesen, et al.,

2005). A ligao rede realizada atravs de um conversor electrnico de potncia e as turbinas

so exploradas geralmente em malha aberta, embora existam solues com controlo do passo

das ps ou controlo da velocidade do rotor (Colet-Subirachs, et al., 2010; Rodrigo, et al., 2007).

As solues urbanas dos sistemas de micro produo elica surgem frequentemente associadas a

turbinas de eixo vertical (QuietRevolution, 2011; WePower, 2011), ao contrrio das solues em

mdias e elevadas potncias, em que predominante a soluo de eixo horizontal.

Um esquema tpico para os sistemas de micro converso de energia elica apresentado na

Figura 1.3.

DCV

Figura 1.3: Sistema de micro converso de energia elica, com sistema de proteco passivo [Figura adaptada de Bumby,

et al. (2008)].

1.2.3. Geradores de manes permanentes

Os geradores com o sistema de excitao baseado em manes permanentes so uma alternativa

promissora para os sistemas de converso de energia elica, quer em mdias e elevadas

potncias, quer em sistemas de baixas potncias. Nestes sistemas, a interface com a rede (ou

com a carga) realizada atravs de um conversor electrnico de potncia dimensionado para a

11

potncia nominal do sistema, o qual garante um completo desacoplamento entre o sistema de

gerao e a rede/carga. Dependendo do grau de penetrao do sistema de converso de energia

elica na rede, o conversor desempenha um papel mais ou menos activo no controlo da qualidade

de energia produzida. A eliminao da caixa de velocidades, atravs da utilizao de geradores

accionados directamente, uma soluo frequentemente implementada em sistemas de baixa

potncia e, tendencialmente, a ser utilizada em sistemas de mdia e elevada potncia, pelos

requisitos de baixa manuteno e elevada fiabilidade que proporcionam, com especial importncia

em aplicaes em alto mar, e.g..

Nesta seco, so apresentadas as configuraes das mquinas de manes permanentes e

alguns prottipos propostos na literatura, com potencial para os sistemas de converso de energia

elica, com accionamento directo.

As concepes topolgicas possveis das mquinas de manes permanentes so definidas atravs

de duas caractersticas bsicas:

orientao do fluxo no entreferro relativamente ao eixo de rotao: radial ou axial;

orientao do fluxo no ncleo do estator relativamente direco do movimento do rotor:

transversal ou longitudinal.

As quatro combinaes que resultam das caractersticas bsicas classificativas das mquinas de

manes permanentes so apresentadas nas seces seguintes, com as designaes propostas na

Tabela 1.1.

Tabela 1.1: Designaes das mquinas de manes permanentes, de acordo com as direces do fluxo no entreferro e no ncleo do estator.

Fluxo no entreferro

Fluxo no ncleo do estator Designao

Radial Transversal Fluxo transversal

Axial Transversal

Radial Longitudinal Fluxo radial

Axial Longitudinal Fluxo axial

12

1.2.3.1. Geradores de manes permanentes de fluxo transversal

A configurao da mquina de manes Permanentes de Fluxo Transversal (IPFT) caracterizada

por uma estrutura complexa, com percursos de fluxo tridimensionais atravs de mltiplos

elementos de ferro macio laminado nas estruturas do estator e do rotor. A utilizao de elementos

distintos em vez de peas nicas favorece o aumento do fluxo totalizado, o que satisfaz o princpio

da ampliao do binrio (Dinyu, et al., 1999). A configurao transversal ainda caracterizada

pela utilizao de enrolamentos com a forma anular dispostos ao longo do permetro da mquina e

que suportam uma intensidade de corrente que flui na direco de rotao (Figura 1.4). A

obteno de uma mquina polifsica conseguida atravs da utilizao de vrios mdulos, um

por cada fase, dispostos na direco axial.

r

Figura 1.4: Mquina de IPFT com os manes dispostos na superfcie rotrica [Figura original de Kastinger (2002)].

A configurao transversal da mquina de manes permanentes, dedicada a um sistema de

converso de energia elica com accionamento directo remonta dcada de oitenta, p.p.,

sugerida por Weh, et al. (1988). Dubois, et al. (2002), propem uma mquina de fluxo transversal,

com um entreferro, estator externo e rotor ranhurado no qual so dispostos os manes numa

disposio conducente concentrao de fluxo (Figura 1.5).

Uma configurao com os manes na superfcie do rotor, e com ncleos de ferro no estator para

retorno do fluxo na forma de I (Figura 1.6) proposta por Blissenbach e Viorel (2003) e por

Svechkarenko, et al. (2009).

13

1 2

3 3

4

5

1 Estator2 Concentrador de fluxo3 manes permanentes4 Estrutura do rotor dentado5 Dente do rotor

Figura 1.5: Mquina de IPFT com concentrao de fluxo [Figura original de Dubois, et al. (2002)].

Um trabalho recente de Jianhu, et al. (2009), apresenta uma mquina de fluxo transversal em que

os manes e o enrolamento so dispostos na parte esttica da mquina, sendo o rotor composto

unicamente por ncleos de ferro magntico com uma disposio tal que o sentido do fluxo

totalizado no enrolamento inverte o seu sentido continuamente com o movimento do rotor (Figura

1.7).

Figura 1.6: Mquina de IPFT com os manes dispostos na superfcie do rotor e ncleos de ferro do estator para retorno do

fluxo [Figura original de Blissenbach, Viorel (2003)].

Em oposio ao fluxo radial no entreferro das mquinas de fluxo transversal apresentadas, uma

configurao modular da mquina de IPFT com fluxo axial nos entreferros da mquina, foi

proposta por Muljadi, et al. (1999), de acordo com a Figura 1.8.

14

Figura 1.7: Mquina de IPFT com fluxo comutado; (a) representao tridimensional de um par de plos; (b) princpio da

comutao de fluxo [Figuras originais de Jianhu, et al. (2009)].

1

1 Ncleo do rotor2 Veio 3 Enrolamento4 Ncleo do estator

234

Figura 1.8: Mquina de IPFT com o fluxo nos entreferros na direco axial [Figura original de Muljadi, et al. (1999)].

As mquinas de fluxo transversal apresentam como principal vantagem o facto das dimenses dos

circuitos magntico e elctrico serem independentes, ou seja, o espao disponvel para os

enrolamentos independente do passo polar empregue na mquina, o que permite a utilizao de

passos polares reduzidos e elevadas densidades de corrente. Em consequncia, a densidade de

binrio da configurao transversal superior das mquinas de fluxo longitudinal, onde o espao

disponvel para alojar os enrolamentos dependente do passo polar e uma reduo deste conduz

a uma reduo da densidade linear de corrente. Dubois (2004) defende que a densidade de

corrente de uma mquina de manes permanentes de fluxo transversal pode atingir valores at

dez vezes superiores que a densidade de corrente numa mquina de fluxo longitudinal. De

salientar que o aumento da densidade de corrente no se reflecte linearmente na densidade de

binrio. De forma qualitativa, possvel aferir que uma densidade de corrente elevada acarreta

uma reaco do induzido tambm elevada, com implicaes na induo de trabalho dos manes,

15

deslocando o ponto de funcionamento para valores mais prximos da coercividade, a que

corresponde uma induo magntica inferior.

Outra vantagem desta configurao a reduo das perdas Joule nos enrolamentos da mquina,

devido ausncia de partes dos enrolamentos no activas, inevitveis nas configuraes

baseadas no fluxo longitudinal. Em contraposio simplicidade construtiva dos enrolamentos,

dispostos na forma anular, toda a estrutura mecnica da mquina complexa, com vrias

dificuldades na sua implementao, como por exemplo, a dependncia da posio dos manes

das tolerncias mecnicas de outras peas rotricas e o nmero de partes individuais a manipular.

Um problema comum a todas as topologias da mquina de IPFT o baixo factor de potncia em

regime nominal. Valores tpicos encontram-se na gama de 0,35 a 0,53 (Zhao, Chai, 2005) sendo

referenciados valores ligeiramente superiores apenas na topologia com concentrao de fluxo. O

factor de potncia destas mquinas , de forma simplificada, decrescente com o aumento da

razo sIX E , sendo I a intensidade de corrente numa fase da mquina, sX a reactncia

sncrona (admitindo a isotropia magntica associada disposio dos manes na superfcie

rotrica) e E a fora electromotriz (fem) induzida (Harris, et al., 1997). O baixo factor de potncia

acarreta um aumento de perdas Joule nos enrolamentos, assim como um sobredimensionamento

do conversor electrnico de potncia, contrariando assim a vantagem associada elevada

densidade de binrio desta configurao.

1.2.3.2. Geradores de manes permanentes de fluxo radial

Os geradores de manes Permanentes de Fluxo Radial (IPFR) projectados para os sistemas

elicos, com accionamento directo, utilizam geralmente os manes dispostos na superfcie rotrica.

A utilizao dos manes embutidos no ferro magntico do rotor tem como vantagem a

concentrao do fluxo no entreferro, o que permite obter indues superiores s indues de

remanncia dos manes. A disposio dos manes embutidos de acordo com a Figura 1.9 (a) no

favorvel para aplicaes com um elevado nmero de plos, pois o espao disponvel para os

manes reduzido, conduzindo a um elevado fluxo de fugas e saturao das pontes de ferro

16

macio; estes efeitos so minorados na disposio dos manes embutidos de acordo com a Figura

1.9 (b).

d

q

d

q Figura 1.9: Configurao radial com os manes embutidos na estrutura rotrica, com concentrao de fluxo; (a) manes

dispostos em V; (b) manes com magnetizao tangencial ao entreferro.

O gerador de IPFR surge na literatura com duas topologias bsicas: estator externo e rotor externo

(Figura 1.10). A topologia com o rotor externo, favorece o espao disponvel para acomodar a

estrutura multipolar, mas em contrapartida o comportamento trmico da mquina prejudicado,

sendo necessrio recorrer a sistemas de arrefecimento forado para extrair o calor originrio nas

perdas no estator interno. Na ltima dcada, a topologia com o rotor externo sugerida

frequentemente na literatura, em detrimento da topologia com o estator externo, proposta em

alguns trabalhos da dcada de noventa (Chen, Spooner, 1995; Lampola, Perho, 1996; Spooner,

Williamson, 1996).

1

2

(a) (b)

1

2

3 3

Enrolamentoman permanente

1 Rotor2 Estator3 Veio

Figura 1.10: Mquina de IPFR multipolar; (a) estator externo; (b) rotor externo.

Spooner, et al (2005) propem uma soluo radial com o rotor a ocupar a posio externa e o

estator interno, ambos os elementos sem ferro magntico, preconizando uma soluo com peso

reduzido (Figura 1.11). A induo de trabalho na rea dos enrolamentos baixa, da ordem de

0,25 T, mas os autores argumentam que o factor decisivo o elevado dimetro que o gerador

17

pode atingir, devido substancial reduo do peso da soluo final, da ordem de 20 a 30%

relativamente a projectos equivalentes baseados em estatores com ferro magntico. O prottipo

utiliza 108 plos e anunciada uma potncia de 11,1 kW.

Figura 1.11: Seco transversal de um gerador de IPFR sem ferro magntico [Figura original de Spooner, et al. (2005)].

Uma outra proposta de um gerador para accionamento directo utiliza uma estrutura com duplo

entreferro, estator interno (Mueller, McDonald, 2009). A inovao proposta pelos autores a

reduo do peso dos elementos estruturais, que, nesta soluo, s tm que suportar o peso dos

materiais activos. O estator no contm material ferromagntico e os enrolamentos so

suportados numa estrutura no magntica epxi. Os manes so dispostos numa estrutura em

ferro magntico, com a forma exemplificada na Figura 1.12. As foras atractivas entre o rotor e o

estator so eliminadas, o que simplifica o processo de montagem. A induo magntica na rea

dos enrolamentos 0,56 T, e o prottipo construdo de 20 kW, 100 min-1.

1 Enrolamento2 manes permanentes3 Ncleo de ferro do rotor4 Suporte do estator

1

2 34

Figura 1.12: Seco longitudinal de um gerador IPFR com duplo entreferro, estator interno [Figura original de Mueller e

McDonald (2009)].

A topologia com o rotor externo tambm adoptada por Jian, et al. (2009), na qual integrado no

espao interno um gerador de velocidade elevada com uma caixa de velocidades coaxial,

18

obtendo-se uma soluo final complexa, contrariando a simplificao associada ao conceito de

accionamento directo.

Outra configurao com o rotor externo proposta por Liu, et al. (2008), numa configurao

hbrida com excitao elctrica (DC) e manes permanentes, dispostos num estator interno. Um

segundo estator, exterior ao que contm os sistemas de excitao, contm o enrolamento

polifsico. Os autores defendem a soluo da dupla excitao de forma a permitir uma tenso

constante na gama de velocidades varivel de accionamento do gerador.

1.2.3.3. Geradores de manes permanentes de fluxo axial

A estrutura axial da mquina de manes permanentes fornece uma alternativa vivel estrutura

radial em aplicaes a baixas velocidades. A densidade de binrio da mquina de IPFA superior

da mquina de IPFR em configuraes com um nmero de plos elevado, pese embora o maior

volume de material magntico permanente geralmente associado configurao axial (Chen, et

al., 2005; Sitapati, Krishman, 2001).

As primeiras propostas do gerador de IPFA para os sistemas de converso de energia elica com

accionamento directo, surgiram na dcada de 90, p.p.. Sderlund, et al. (1996) e posteriormente

Chalmers e Spooner (1999) propuseram a topologia axial com duplo entreferro e estator

ferromagntico laminado interno sem ranhuras com um enrolamento toroidal, na gama de

potncias de 5 a 10 kW.

Um gerador para micro sistemas de converso de energia elica de 1 kW a 300 min-1

apresentado por Bumby e Martin (2005). A topologia proposta de duplo entreferro, estator

interno, com enrolamentos concentrados dispostos numa estrutura sem ferro, o que reduz o peso

da mquina.

A potencial aplicao de materiais magnticos macios compsitos nas estruturas estatricas das

mquinas de fluxo axial para sistemas de converso de energia elica foi discutida por Chen e

Pillay (2005).

19

A estrutura axial com um entreferro proposta por Parviainen, et al. (2005) tem como principal

desvantagem o no balanceamento das foras axiais entre o ferro do estator e os manes

permanentes.

O gerador elico proposto por Chan e Lai (2007) utiliza a topologia de duplo entreferro, estator

interno sem ferro magntico, e uma estrutura rotrica externa em ferro magntico com manes

permanentes apenas num dos lados, o que resulta numa densidade de potncia baixa

comparativamente s solues em que os dois entreferros so utilizados activamente na produo

de binrio. O peso total dos materiais activos utilizados no prottipo 3,36 kg e a potncia

nominal, a 60 Hz, 230 W.

A estrutura de duplo entreferro, estator interno ainda proposto por Brisset, et al. (2008). O

enrolamento do estator concentrado, com nove fases, igualmente distribudas no espao

geomtrico da mquina, dispostas numa configurao correspondente a trs estrelas. A utilizao

do enrolamento polifsico motivada pelo aumento da potncia, associada ao sistema electrnico

de potncia, atravs do estabelecimento em paralelo de trs conversores trifsicos modulares

convencionais (Vizireanu, et al., 2005).

A estrutura axial, nas suas variantes topolgicas e consequncias funcionais, so discutidas em

detalhe no Captulo 2.

1.3. OBJECTIVOS E CONTRIBUIES DO TRABALHO

A geometria da mquina de IPFA introduz variveis de projecto e opes construtivas que

dificultam e encarecem o processo de fabrico, condicionando a sua adopo de forma massiva.

Em comparao com as mquinas de IPFR, as solues comerciais de mquinas de IPFA so

muito mais raras, sendo bvio que os procedimentos para o seu projecto e fabrico esto ainda em

desenvolvimento. O projecto de uma mquina elctrica , pela complexidade e interdependncia

de fenmenos electromagnticos, trmicos e mecnicos, um processo recursivo complexo.

20

neste contexto e com o enquadramento dado nas seces anteriores que se estabeleceram os

dois principais objectivos que se pretendem alcanar com a realizao do presente trabalho:

1. Desenvolvimento de uma rotina de projecto da mquina de IPFA que integre as

particularidades geomtricas da configurao axial e reflicta as interaces

electromagnticas e trmicas, e contribua para a definio de ferramentas de projecto mais

eficazes e para o desenho de mquinas de IPFA melhoradas.

2. Construo de um prottipo de uma mquina de IPFA, com variveis de projecto orientadas

para o funcionamento da mquina como gerador elico directamente accionado, avaliando a

exequibilidade da configurao axial para aplicaes de baixa velocidade.

As contribuies cientficas que se desejam reunidas neste trabalho so sumariadas nos seguintes

moldes:

estudo comparativo entre as densidades de binrio das configuraes axial e radial em

funo do nmero de plos da mquina;

estudo e sntese da integrao dos materiais magnticos permanentes nas mquinas

elctricas de fluxo axial, considerando os efeitos da temperatura e da reaco do induzido

desmagnetizante;

adaptao de metodologias de projecto clssicas configurao axial da mquina de

manes permanentes de duplo entreferro, rotor interno, e esclarecimento do domnio de

validade das mesmas atravs do recurso simulao pelo Mtodo dos Elementos Finitos

(MEF) e da experimentao laboratorial do prottipo desenvolvido;

incluso do comportamento trmico na rotina de projecto da mquina de IPFA.

1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO

Para alm desta introduo, onde se caracteriza o estado de arte dos sistemas de converso de

energia elica e os geradores de manes permanentes, se enquadram e justificam as motivaes

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e se fixam os objectivos do trabalho, o corpo da dissertao est organizado em captulos cujos

contedos so apresentados, sumariamente, nesta seco.

No captulo dois apresentado o estado de arte da mquina de IPFA, caracterizando as suas

variantes construtivas e principais consequncias funcionais. Cumulativamente, apresentada

uma sinopse dos materiais magnticos permanentes de terras raras e macios, atendendo a que a

evoluo das mquinas elctricas, nos seus aspectos construtivos e funcionais, , em parte,

ditada pelo desenvolvimento daqueles mesmos materiais.

O terceiro captulo apresenta os fundamentos da mquina de manes permanentes de fluxo axial,

descrevendo o princpio do funcionamento electromagntico e os modos de funcionamento

sinusoidal e quadrilateral. So ainda derivadas as equaes dimensionais do projecto preliminar

da mquina, que fornecem a teoria subjacente a uma anlise comparativa, em funo das

densidades de binrio, entre as mquinas de manes permanentes de fluxo axial e radial.

O quarto captulo dedicado ao projecto da mquina de IPFA, utilizando ferramentas analticas.

analisado o funcionamento dinmico dos manes permanentes, imposto pela variao da

temperatura de funcionamento e da linha de carga do circuito magntico. O projecto magntico da

estrutura de duplo entreferro, rotor interno, analisada atravs de uma rede de relutncias

variveis com o nvel de saturao do ferro da mquina e incorporando a modelao dos fluxos de

fugas dos manes e do entreferro. O dimensionamento dos materiais activos do estator resulta da

interaco entre os resultados do projecto magntico e do projecto elctrico, estabelecendo, este

ltimo, o dimensionamento dos enrolamentos e a estimao dos parmetros elctricos

associados.

No quinto captulo so caracterizadas as perdas na mquina de IPFA e proposto um modelo

analtico para a previso do seu comportamento trmico em regime permanente, utilizando uma

rede de resistncias trmicas. A relao recursiva entre as perdas e o gradiente da temperatura da

mquina iterada com o projecto electromagntico at que a sobrelevao da temperatura seja

admissvel do ponto de vista dos materiais isolantes a utilizar na mquina.

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Definido o projecto electromagntico da mquina de IPFA com base na teoria descrita nos

captulos anteriores, renem-se condies para um projecto complementar, assistido pelo Mtodo

dos Elementos Finitos (MEF). Esta ferramenta de anlise, embora no substitua a macro

perspectiva do projecto analtico, faculta meios para uma anlise electromagntica detalhada e