ANÁLISE DE UMA MÁQUINA TORUS COM DIFERENTES FORMATOS DE ÍMÃS PERMANENTES

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1 ANÁLISE DE UMA MÁQUINA TORUS COM DIFERENTES FORMATOS DE ÍMÃS PERMANENTES JONAS O. M. OSÓRIO*, ÁLY F. FLORES FILHO*, ADILSON M. TAVARES**, LUIZ T. DOS R. LOUREIRO* *Laboratório de Máquinas Elétricas, Acionamentos e Energia Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul Av. Osvaldo Aranha, 13 Porto Alegre RS Brasil CEP Telefone/fax: (51) **Coordenadorias de Eletrotécnica e Engenharia Elétrica Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Sul-rio-grandense Praça Vinte de Setembro, 455 Pelotas - RS Brasil CEP Telefone/fax: (53) s:jonasobert@hotmail.com, aly.flores@ufrgs.br, adilson@pelotas.ifsul.edu.br, tiaraju@ufrgs.br Abstract This article presents a study on a Torus machine employed in regenerative braking of electric vehicles. The machine is analyzed with focus on its specific characteristics compared to existing analysis.the static and dynamic tests of the machine for two formats of NdFeB permanent magnets are presented and compared to the results of a finite element analysis. The results are presented and outline the promising aspects for future implementation in a vehicle. Keywords Torus Machine, Topologies for axial flux machines, Drive and control of electrical machines, Electrical vehicles. Resumo O presente artigo apresenta um estudo sobre uma máquina Torus visando sua utilização na frenagem regenerativa de veículos elétricos, através de sua operação no modo gerador. Neste estudo inicial, a máquina é analisada com enfoque em suas características específicas, frente às análises existentes no estado da arte. São apresentados ensaios dinâmicos e estáticos para a máquina, realizando o comparativo com os resultados pelo método dos elementos finitos; para essas análises foram considerados dois formatos de ímãs de Neodímio-ferro-boro: quadrados e setoriais. Analisam-se os dados obtidos e destacam-se os aspectos promissores para implementação futura em um veículo. Palavras-chave Máquinas Torus, Topologias para máquinas de fluxo axial, Acionamento e controle de máquinas elétricas, Veículos elétricos. 1 Introdução A grande variedade de máquinas elétricas disponíveis, os diversos campos de aplicação e a busca por novas oportunidades de uso de máquinas elétricas em substituição a outros tipos de máquinas são importantes motivações que levam à busca de melhores desempenhos, principalmente quando da necessidade de características específicas. É nesse contexto que as máquinas de fluxo axial, tipo Torus vêm retomando espaço após a supremacia das máquinas de fluxo radial, principalmente nas aplicações de veículos elétricos, cadeiras de rodas e equipamentos domésticos. Este artigo objetiva apresentar um estudo da máquina Torus desenvolvida no Laboratório de Máquinas Elétricas, Acionamentos e Energia LMEAE - da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, sob o ponto de vista de testes estáticos e dinâmicos como motor e com vistas à aplicação como gerador na frenagem de veículos, e conseqüente geração de energia para o sistema de armazenamento de energia (baterias e ultracapacitores). A máquina é analisada sob o ponto de vista experimental e numérico através do método dos elementos finitos e considerando dois formatos de ímãs permanentes. 2 Características e vantagens das máquinas Torus para uso em veículos elétricos Conforme Spooner et al. (1991), a melhor classificação para as máquinas Torus é: máquinas com estator simples, rotor duplo, cuja configuração remete a uma alta relação conjugado/massa, em função de uso dos ímãs permanentes de terras raras. Apesar da definição, acrescenta-se que essas máquinas são capazes de atuar como motores ou geradores e apresentam diversas topologias possíveis, através da combinação de um número variável de rotores tipo disco, com ímãs permanentes, e estatores de núcleo toroidal para alojar as bobinas. Em Huang (21) podemos ver os dois arranjos principais para a máquina Torus definida por Spooner, onde os ímãs distribuídos no rotor, 4911

2 posicionados frente a frente, possuem polaridades opostas NS ou idênticas NN. Na figura 1 é possível ver o caminho de fluxo que se estabelece em trajetória axial para um passo polar; para a máquina em estudo, foi adotada a topologia NN. (a) (b) Figura 1. Arranjos apresentados por Huang (21). (a) topologia NN; (b) topologia NS. Em muitos artigos pode ser encontrada a análise do uso das máquinas Torus para emprego em veículos elétricos; essas aplicações se devem às características particulares desse tipo de máquina, dentre as quais se pode destacar: comprimento axial reduzido; uso de ímãs permanentes de elevado produto energético, conforme Loureiro (28); utilização em configurações não adequadas a outros tipos de excitação; a ausência de escovas e enrolamentos de excitação, Loureiro (28); a evolução da eletrônica de potência que permite estratégias de controle inteligentes; a alta densidade de potência e elevada relação conjugado/massa; facilidade e baixo custo para construção, inclusive em escalas reduzidas, sem necessidade de ferramental pesado/especial, Spooner et al. (1991). Além disso, para a máquina estudada, veremos que o estator não possui ranhuras, o que implica em um menor torque de relutância em função da não interação entre os ímãs permanentes do rotor e as ranhuras do estator. Destaca-se ainda que o arranjo compacto e a ação natural dos discos do rotor refrigeram o enrolamento do estator, ou seja, possui adequada dissipação de calor. Tais características são apresentadas em Spooner et al. (1991). Como já havia sido mencionado, existem inúmeras aplicações atrativas para as máquinas Torus. Na literatura, fala-se no seu uso como motor de arranque; em Chan (1987) é apresentada sua aplicabilidade em ventiladores, bombas, motor no interior de rodas, uso em aeronaves e aplicações domésticas, em função das formas lisas da máquina, sua elevada relação potência/peso e de sua operação suave mesmo em baixas velocidades. Já Gieras et al. (24) destaca que, em virtude de poder acomodar grande número de pólos, são ideais para máquinas de baixa rotação e elevado torque, encontrando espaço para uso em geradores eólicos e motores para veículos elétricos. Chikkam (25), em sua tese, estabelece o uso de uma máquina Torus alojada no interior de rodas de cadeiras de rodas, em substituição aos motores de corrente contínua usados tradicionalmente. Além disso, destaca a não existência de escovas, comutadores e redutores (transmissão mecânica); estes problemas são reduzidos, pois o motor pode ser conectado diretamente à roda, em função do alto torque e suavidade a baixas velocidades. Isso contribui para aumento no rendimento, redução das perdas pelo uso de redutores de velocidade, aumento da vida útil da bateria, redução do custo, aumento da confiabilidade do sistema e diminuição da frequência de manutenções normalmente provocadas pelo uso de escovas e comutadores. Por todos estes aspectos, é possível concluir que o uso dessa topologia de máquina em veículos elétricos (cite-se automóveis, scooters ou cadeiras de rodas) é possível. As características destacadas são reforçadas em Zhu et al. (27), como alta densidade de torque e potência, alto torque a baixas velocidades, ampla faixa de velocidade de operação, custo aceitável e alta confiabilidade e robustez. Com base nisso, estudos iniciais sobre o protótipo Torus construído no LMEAE foram realizados objetivando evoluir e atingir o emprego em um sistema de recuperação de energia através da frenagem regenerativa. A alteração inicial foi a substituição dos ímãs permanentes quadrados pelo formato setorial e a avaliação da melhora de desempenho. 3 Aspectos construtivos e formatos de ímãs utilizados Primeiramente, é interessante apresentar a máquina Torus produzida no LMEAE. Trata-se de uma máquina de fluxo axial, com dois rotores tipo disco, planos e maciços, constituídos de aço AISI 11, e um estator montado entre eles. Sobre cada um dos rotores são dispostos 6 ímãs permanentes de neodímio-ferro-boro numa seqüência alternada de pólos N e S, na topologia NN (conforme apresentado na figura 1(a), onde as linhas com setas indicam o fluxo magnético no dispositivo), distanciados 6º um em relação ao outro. A configuração da máquina pode ser mais bem entendida através da figura 2. (a) 4912

3 (b) (c) de energia, KERS (Kinetic Energy Recovery System). Esta máquina foi projetada para trabalhar como motor a uma rotação de 45RPM com conjugado de 3 Nm. Como dimensões principais destaca-se o diâmetro externo de,16m e o comprimento axial de,545m, e o comprimento de entreferro total de 1,9 mm (desde a face polar até o núcleo da armadura). A figura 4 apresenta os aspectos dimensionais da máquina, e a figura 5, o protótipo montado, destacando suas partes construtivas. (d) Figura 2. Características construtivas da máquina. (a) topologia NN e fluxo axial; (b) Disposição dos ímãs setoriais no rotor; (c) Disposição dos ímãs quadrados no rotor; (d) Concepção da máquina. Já o estator é composto por um núcleo maciço de aço AISI 11, formato toroidal, sem ranhuras, onde são posicionadas 18 bobinas. Cada bobina possui 78 espiras, usando fio esmaltado de secção 1,1mm², cuja corrente máxima suportada é 2,67A; a indutância medida fica entre 4 µh e 5 µh e a resistência,,2ω. As 18 bobinas são divididas em 3 conjuntos de 6 bobinas, caracterizando uma máquina de 6 pólos, cujo controle trifásico é realizado em corrente contínua com acionamento retangular, onde dois conjuntos são acionados por vez, conforme detalhado na figura 3. Figura 4. Dimensões da máquina em metros. Figura 5. Protótipo montado. Figura 3. Esquema de acionamento em função do tempo e disposição das bobinas no estator. O princípio de operação das Torus é baseado em uma máquina síncrona, onde o chaveamento das bobinas excitadas com corrente elétrica ocasiona a interação com o campo magnético dos ímãs, produzindo torque proporcional ao valor desta corrente e da densidade de fluxo magnético dos ímãs, na operação como motor. A velocidade do rotor depende da frequência com que as bobinas são excitadas. No modo gerador, os ímãs permanentes de alto produto energético e o curto comprimento axial da máquina permitem aplicações em espaço restrito, principalmente envolvendo sistema de recuperação Inicialmente esta máquina foi objeto de tese em Loureiro (28a), quando possuía ímãs permanentes no formato quadrado, sob operação como motor, Loureiro (28b). Entretanto, atualmente a máquina vem sendo objeto de dissertação sob nova topologia de ímãs permanentes de NdFeB, no formato setorial. Os formatos dos ímãs, volumes por peça e características são encontrados na tabela 1; já as dimensões são encontradas na figura (a) 25 (b) Figura 6. Dimensões dos ímãs permanentes de NdFeB. (a) quadrado; (b) setorial. 4913

4 Tabela 1. Características dos ímãs permanentes. Produto energético máximo Pólos Quadrados 28±1% kj/m³ Pólos Setoriais 28±1% kj/m³ Força coercitiva mínima 86 ka/m 86 ka/m Indução remanente 1,2±1% T 1,2±1% T Espessura Magnetização 8 mm Normal à maior face Volume ímãs 5. cm³ 5.39 cm³ Zhu et al. (27) destacam que as máquinas brushless de ímãs permanentes são inerentemente mais eficientes para aplicação em veículos elétricos justamente em função da excitação por ímãs permanentes. Além disso, afirma que a melhor estratégia de controle para máquinas Brushless DC é com corrente de acionamento retangular, controle este empregado na máquina do LMEAE. Discursa, ainda, sobre o uso de estator sem ranhuras, que apresenta a vantagem de eliminar o torque de relutância, entretanto expõe o enrolamento ao fluxo do entreferro. Figura 7. Força eletromotriz induzida pelos ímãs quadrados sobre um dos enrolamentos do estator - resultado experimental. 4 Análise experimental e pelo método dos elementos finitos 4.1 Procedimentos Experimentais Como procedimentos iniciais foram realizados testes estáticos e dinâmicos para a máquina com os dois formatos de ímãs. Os três testes principais realizadas visavam obter: 1. Força eletromotriz induzida pelos ímãs, onde a máquina foi operada como um gerador a vazio, em quatro valores de velocidade, observando-se a tensão induzida nos terminais das bobinas. 2. Conjugado estático através de uma mesa de conjugado, onde a máquina foi travada em posições específicas de a 3 em relação ao alinhamento dos ímãs, e operada como motor com corrente de excitação 2,5 A. 3. Distribuição de fluxo próximo à superfície polar dos ímãs e no entreferro, através de um gaussímetro, gabaritos de posicionamento e ponteira transversa de efeito Hall. Os resultados experimentais, de igual forma, foram subdivididos em três partes. As figuras 7 e 8 apresentam os gráficos da força eletromotriz induzida pelos ímãs nos enrolamentos, em quatro velocidades 3 RPM, 35 RPM, 4 RPM e 45 RPM. Nos gráficos as quatro curvas foram sobrepostas, sendo apresentado um período completo da frequência, o que possibilita comparar a amplitude das ondas e seus respectivos períodos. Com o aumento da velocidade, houve incremento no valor da força eletromotriz induzida até o limite de 4,5V a 45 RPM, velocidade nominal da máquina. Figura 8. Força eletromotriz induzida pelos ímãs setoriais sobre um dos enrolamentos do estator - resultado experimental. O aumento do volume do ímã em 7,8% ocasionou um aumento na força eletromotriz induzida, em proporção, conforme é visto na figura 9, que relaciona as curvas do ímã setorial e do ímã quadrado, em ambos os casos à velocidade nominal de 45 RPM. Figura 9. Comparativo da FEM produzida nos enrolamentos da máquina para os dois formatos de ímãs, a 45 RPM - resultado experimental. A figura 1 demonstra as linhas de tendência para o conjugado estático da máquina como motor. Os valores máximos obtidos foram de 1,88 Nm para ímãs quadrados e 2,33 Nm para ímãs setoriais, 4914

5 demonstrando um incremento de aproximadamente 24%. Conjugado Estático [N.m] 2,5 2 1,5 1, Ângulo [º] Setoriais (Dados medidos) Setoriais (Linha de Tendência) Quadrados (Linha de Tendência) Figura 1. Conjugado estático para ímãs quadrados e setoriais verificado experimentalmente. As figuras 11 e 12 ilustram os resultados da densidade de fluxo magnético a,5 mm e 1, mm do ímã setorial, com rotor estático. A figura 13 apresenta um dos modelos combinados construído, para o qual foram realizadas as análises de forma análoga aos experimentos. Figura 13. Modelo construído no software de Método dos Elementos Finitos MEGA, combinando estator e rotor. As figuras 14 e 15 apresentam um corte longitudinal ao longo do eixo do rotor, a,5 mm da superfície polar, no entreferro, onde pode ser vista a indução próximo à superfície do ímã e no restante do rotor. Assim, observa-se na superfície do ímã quadrado um intervalo de,35 T e,58 T e entre,38 T e,74 T para os ímãs permanentes setoriais.,6 Figura 11. Resultado experimental da densidade de fluxo magnético a,5 mm do ímã para ímãs setoriais.,4 Indução (Teslas),2 -,2 -,4 -,6,,3,6,9,12,15,18,21 Figura 12. Resultado experimental da densidade de fluxo magnético a 1, mm do ímã para ímãs setoriais (entreferro). Na figura 11 observam-se valores maiores em todo o gráfico, quando comparado à medição da figura 12, pois no primeiro caso a sonda de efeito Hall do gaussímetro foi posicionada encostada na superfície polar, sendo que para essa condição é importante ressaltar que a distância considerada é de,5 mm da superfície polar, metade da espessura da sonda. Na figura 12, a sonda está posicionada a,5 mm da face polar, ou seja, o sensor está a 1 mm da face. 4.2 Modelagem pelo Método dos Elementos Finitos Aliado aos testes experimentais, foram construídos modelos 3D pelo método dos elementos finitos no software Mega, onde um plano base 2D foi extrudado de maneira a construir o modelo do estator, que foi combinado a dois modelos de rotor (ímãs quadrados e setoriais). Posição ao longo do eixo (m) Figura 14. Indução (Bz) ao longo do eixo que corta dois ímãs quadrados em oposição (N e S orientados para os enrolamentos, respectivamente) obtidos pelo método dos elementos finitos. Indução (Teslas),8,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -,8,,3,6,9,12,15,18,21 Posição ao longo do eixo (m) Figura 15. Indução (Bz) ao longo do eixo que corta dois ímãs setoriais em oposição (N e S orientados para os enrolamentos, respectivamente) obtidos pelo método dos elementos finitos. 4915

6 Como comparativo ao resultado experimental de mapeamento da densidade de fluxo obtido na figura 11, a,5 mm de distância da superfície polar, a figura 16 apresenta os resultados obtidos no software de elementos finitos. Pode-se observar um comportamento similar em amplitude de densidade de fluxo, assim como na forma como essa densidade se distribui. Figura 18. Comparativo da FEM produzida nos enrolamentos da máquina para os dois formatos de ímãs, a 45 RPM - resultado numérico. Figura 16. Resultado obtido pelo método dos elementos finitos da densidade de fluxo magnético a,5 mm do ímã setorial. Em termos de força eletromotriz induzida, em comparação aos resultados experimentais, optou-se por analisar os ímãs setoriais, conforme a figura 17, de maneira a comparar os resultados numéricos com os resultados experimentais apresentados na figura 8. Adotando-se as mesmas quatro faixas de velocidade, obteve-se um comportamento na amplitude e período similar quando comparamos uma velocidade à outra, ou seja, quanto maior a velocidade, menor o período e maior a amplitude da FEM induzida. FEM [V] ,1,4,7,1,13,16,19,22,25,28,31,34,37,4,43,46,49,52,55,58,61,64,67,7,73,76,79,82 Tempo [s] 3 RPM 35 RPM 4 RPM 45 RPM Figura 17. Força eletromotriz induzida pelos ímãs setoriais sobre um dos enrolamentos do estator - resultado numérico. Entretanto, se compararmos as curvas de maiores amplitudes (a 45 RPM) para os resultados experimentais e numéricos, obteremos o gráfico apresentado na figura 18. Embora o valor por simulação computacional seja um pouco superior, as diferenças são consideradas aceitáveis e os resultados podem ser validados. 5 Conclusões e perspectivas Neste artigo objetivou-se apresentar as principais características que levam as máquinas Torus a serem apropriadas ao emprego em veículos elétricos, trazendo diversos exemplos da literatura que comprovam isso. Apresentou-se a máquina desenvolvida no laboratório da Universidade Federal do Rio Grande do Sul e suas características, além de dois formatos de ímãs utilizados para análise. Foram realizados procedimentos experimentais e modelagem pelo método dos elementos finitos que possibilitaram concluir que a máquina estudada apesar de possuir uma característica construtiva simples e dimensões reduzidas, tem forte potencial para estudo na aplicação em veículos elétricos. A mudança de ímãs para o formato de setor de anel possibilitou o incremento no conjugado máximo desenvolvido pela máquina e manteve a tensão induzida nas bobinas em torno de 4,5V, quando operada como gerador. Resultados coerentes para a distribuição de fluxo nas proximidades do ímã setorial foram obtidos experimentalmente e no comparativo pelo método dos elementos finitos, verificou-se que os valores de indução na proximidade do ímã foram aumentados com a troca do formato quadrado para setorial, tendo uma alteração máxima de,58 T para,74 T. Da mesma forma, no comparativo das curvas de força eletromotriz induzida obtidas experimental e numericamente, pode-se dizer que os resultados são aceitáveis. Com base nas conclusões obtidas, pretende-se realizar testes e modelagem numérica para a máquina operando no modo de frenagem regenerativa, modelando pequenos veículos e verificando o potencial de recuperação de energia através do uso de um conversor regenerativo, colaborando na redução das perdas por atrito nos freios mecânicos. 4916

7 Referências Bibliográficas CHAN, C.C., Junho Axial-field Electrical Machines Design e Applications. IEEE Transactions on Energy Conversion, New York, Vol. EC-2, No. 2; pp CHIKKAM, D. R. (25). Performance of Disc Brushless DC Motor Applied as Gearless Drive for Wheelchair. Dissertação (Mestrado em engenharia), Louisiana State University, 85 p. GIERAS, J.F. et al. (24). Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines. Dordrecht, Kluwer Academic Publishers. HUANG, S. et al. (21). TORUS Concept Machines: pre-prototyping Design Assessment for Two Major Topologies. In: Industry Applications Conference 36, New York, Conference Record of the 21, Vol. 3, pp LOUREIRO, L. T. R. (28a). Um Estudo sobre a Máquina Torus. Tese (Doutorado em engenharia), Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 16p. LOUREIRO, L. T. R. (28b); et al. A Model of a Permanent Magnet Axial-Flux Machine Base don Lie s Symmetries. IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 44; pp SPOONER, E. et al. (1991). Motoring Performance of the Toroidal Permanent-Magnet Machine Torus. In: International Conference on Electrical Machines and Drives 5, London, Conference Publication No 341, pp ZHU, Z.Q.; HOWE, D., Abril 27. Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicle. In Proceedings of IEEE, Vol. 95, No. 4, pp