Uma Análise de Aspectos Construtivos de um Gerador de Fluxo Axial a Ímãs Permanentes para Aerogeradores

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1 1 Uma Análise de Aspectos Construtivos de um Gerador de Fluxo Axial a Ímãs Permanentes para Aerogeradores Heloísa G. Mendonça, Fabrício de S. Borges, Luan L. Glória, Thales A.C. Maia, Rogério P. Ribeiro, João A.Vasconcelos & Selênio R. Silva, Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Abstract--The growth of installed wind turbines around the world became a reality based on high-power turbines. This development incorporated in evolution over the last 20 years in electronic devices and materials. In this field, a market that still has much to explore is the low power wind turbines production, which operates at variable speed with high efficiency. This kind of generating system is calling for attention through the permanent magnet machines at isolated applications or in connection with poor electric rural grid by static converters. In this paper, will be consider the constructive aspects of the machine and analyze forms of correction of the assembly in the event that rotor and stator get attached together. Index Terms--Wind turbine, Axial Flux Permanent Magnet Generator, Torus Machine, Stress and Strain Mechanicals, Thermal Expansion. A I. INTRODUÇÃO preocupação com a intensificação do aquecimento global impulsionou a busca pelo desenvolvimento sustentável e a produção de novas alternativas de energia. A energia eólica tem se tornado uma fonte promissora pois é renovável, não poluente e de elevado retorno financeiro. Nesse contexto, um projeto de pesquisa integrado ao programa P&D da CEMIG/MG e desenvolvido através de um convênio com a UFMG, projetou e construiu um gerador elétrico para turbina eólica de 10 kw. Durante a montagem do gerador pôde-se perceber que a intensidade das forças envolvidas entre rotor e estator foram superiores as estimativas feitas durante o projeto indicando a grande desvantagem da estrutura de gerador Torus de fluxo axial. Dessa forma, este trabalho busca avaliar detalhadamente por cálculo analítico, simulação computacional e por ensaios experimentais os aspectos construtivos da máquina e avaliar o impacto na estruturas de rotor e estator, procurando contribuir para futuros projetos e para a concepção de uma topologia de gerador elétrico mais adequada a esta faixa de potência. II. GERADOR TORUS Quando no início do projeto do gerador, após comparação de diversas topologias existentes na literatura, foi eleita a topologia de máquina conhecida como Torus. A concepção usual deste modelo, em configuração de fluxo axial, consiste de ímãs permanentes alocados em dois discos externos de rotor em posição NN, sendo que os enrolamentos toroidais de estator, são alocados em um estator sem ranhuras, como ilustra a Fig. 1. Os benefícios desta máquina consistem em uma boa ventilação e resfriamento dos enrolamentos de estator por estarem expostos ao contato com o ar. A ausência de ranhuras não gera variações no fluxo magnético, garantindo assim que não haja perdas por correntes parasitas nos discos de rotor e nos ímãs, além da inexistência de cooging torque. As principais desvantagens desta estrutura se devem ao grande comprimento de entreferro efetivo devido à ausência de dentes e ranhuras, requerendo grande volume em ímãs permanentes de maior espessura e custo mais elevado. Neste projeto foram utilizados ímãs permanentes de alta energia de Nd-Fe-B (terras raras) que viabilizam a construção de uma máquina de alta eficiência, alta densidade de potência e alta densidade de torque. Fig. 1. Desenho Esquemático de um Gerador de Fluxo Axial a Ímãs permanentes. A. Rotor A máquina é composta por um conjunto de dois estatores e três rotores.os rotores são formados por discos carregando imãs permanentes na direção axial como mostra a Fig. 2. Os discos foram usinados em SAE 1020, aço com baixo teor de carbono, 0,2%, de fácil usinabilidade, alta tenacidade, baixa dureza e baixa expansão térmica, usado na mecânica em geral, que mostrou-se como melhor alternativa para a fabricação dessa peça. Os autores agradecem à FAPEMIG e ao CNPq pelo suporte financeiro aos projetos e às atividades de pesquisa.

2 2 Fig. 2. Caminhos de Fluxo Magnético na Máquina Torus B. Estator O estator é formado por uma fita de material ferromagnético, bobinas de cobre e uma peça de sustentação usinada em liga de Alumínio. As lâminas de material ferromagnético de grão não-orientado são enroladas na direção transversal em torno de uma coroa de alumínio que também funciona como dissipadora do calor produzido nas bobinas, como mostrado na Fig. 3 e Fig. 4. Consegue-se uma boa ventilação e resfriamento dos enrolamentos do estator devido a exposição desses ao ar. O material ferromagnético utilizado para o núcleo do estator foi o aço silício de grão não orientado E110 da fabricante ArcelorMital, com laminação de 0,35mm e adequado para aplicação com baixas perdas em geradores elétricos. Nesse trabalho será analisada a fita de aço silício e a peça de alumínio, que funciona como um suporte para o estator, uma vez que são mais suscetíveis a deformações por ação das forças de atração. C. Força Magnética de Atração Estator-Imã Para avaliar a força foi feita uma simulação 3D em elementos finitos usando o software COMSOL multiphysics como apresentado na Fig. 5. Simulado em situação de simetria, o valor da força de atração foi maior que o valor calculado analiticamente. Na figura, o volume total da peça apresenta uma mesma colocação (verde) em função da força magnética atuar no volume total do material. Devido a lei de ação e reação, as peças de rotor e estator são atraídas com a mesma força de atração, as quais são retransmitidas as demais peças. Para um entreferro efetivo de 7mm obteve-se uma estimativa de força de atração total de 1327Kgf. Fig. 5. Simulação da força de atração entre as peças de estator e ímãs em elementos finitos. D. Estudo das Forças Magnéticas com o Aquecimento dos Imãs A estimativa da força de atração entre rotor e estator é baseada em (1) [2] e é dada por: (1) Em que: Fig. 3. Modelo 3D das peças de estator em duas vistas. F MaxStr É a força de atração magnética entre ímã e estator. B - É o campo magnético do ímã. A- Área Superficial do ímã permanente. μ 0 - Permeabilidade Magnética do ar p - Número de par de pólos. Fig. 4. Estatores bobinados e prontos para a montagem. De acordo com a equação pode-se perceber que a força magnética entre ímã e estator é proporcional ao quadrado da indução magnética no entreferro que é proporcional a densidade de fluxo remanente dos ímãs. Sendo assim, foi feito um experimento a fim de se avaliar como a densidade de fluxo remanente dos ímãs varia em função da temperatura e, assim, fazer um novo estudo de força, sobre o efeito da temperatura. Para o procedimento foi usada uma estufa com controle de temperatura, onde o ímã de Nd-Fe-B foi alocado. Variou-se a

3 3 temperatura de 14 C a 79 C em intervalos regulares a fim de se medir a variação da densidade de fluxo em um ponto central da superfície de um imã típico da estrutura. Com o fluxo superficial e por cálculo de campo estimou-se a densidade de fluxo remanente no imã. A partir de (2) calculou-se o efeito da temperatura sobre os valores da indução remanente com base nos valores medidos e dados fornecidos pelos fabricantes. (2) Em que: B r - Densidade de fluxo remanente dos ímãs permanentes na temperatura θ PM. B r14 - Densidade de fluxo remanente dos ímãs permanentes na temperatura de ( K)(14 C). α B - Coeficiente de variação de temperatura da grandeza Br em %/ C. θ PM - Temperatura de trabalho do ímã permanente. A Fig. 6 mostra a relação entre os Br s medidos e calculados de acordo com a temperatura. Com os resultados da desmagnetização parcial do ímã foi feito um novo estudo de força por método de elementos finitos usando o campo magnético obtido a 79 C, o resultado é mostrado na Fig. 7. Percebe-se uma queda considerável da força magnética (24% do valor inicial) com a diminuição do campo remanente Fig. 7. Estudo de força após desmagnetização parcial do ímã. resultante do aquecimento do ímã. A queda da força de atração por efeito térmico pode se tornar um grande técnica para uma possível desmontagem da estrutura. E. Principais Propriedades Mecânicas A Tabela I contém as propriedades necessárias para o cálculo analítico e a análise por método de elementos finitos da deflexão na peça de alumínio e na fita de aço silício buscando avaliar o efeito desta força de atração na redução do entreferro da máquina. Fig. 6. Relação entre Br s medidos e calculados de acordo com a temperatura

4 4 A partir de (4) e (5) pode-se calcular a deflexão sofrida pelo estator para o suporte fixo e livre, respectivamente: (4) F. Solução por Método Analítico As equações correspondentes para calcular a deflexão máxima no disco do rotor devido à carga estática são dadas por Young [1989]. Foi usada a mesma metodologia para o cál-culo da deflexão nas peças do estator. Para tal cálculo considerouse duas estruturas conforme a Fig. 8 e Fig. 9, em que os suportes de fixação são fixos e livres, respectivamente. Assumindo o apoio livre como o pior caso, obteve-se uma boa estimativa de máxima deflexão. A Tabela II contém as dimensões que serão analisadas. Em que os Kn s são constantes dadas por Young[1]. G. Solução por Método de Elementos Finitos Dois softwares de cálculo por elementos finitos 3D foram usados a fim de se comparar o valor calculado analiticamente e obter uma boa aproximação. A Fig. 10 e a Fig. 11 mostram o resultado dessa simulação e a Tabela III apresenta a comparação entre os métodos de cálculo. (5) Fig. 8. Suporte fixo para o Estator, o disco tornou-se flange sobre o eixo. Fig. 10. Resultado da Simulação da Deflexão usando Solidworks Fig. 9. Ponto de apoio para fixação do Estator(suporte livre) no raio r sup. De acordo com Parviainen [3], é aceitável considerar uma deflexão para o disco do estator como 10% do entreferro. (3) Fig. 11. Resultado da Simulação da Deflexão usando COMSOL Multyphisics

5 5 Apesar da diferença entre os resultados, foi possível obterse uma boa aproximação por meio do método de elementos finitos.o resultado para a estimativa aceitável ficou próximo do resultado do método analítico mas tal ferramenta de cálculo não apresenta muita precisão. Ainda que a validade do método de elementos finitos seja maior não podemos afirmar que esse seja um resultado confiável, sendo necessários testes com aplicações de carga e medições nas peças do estator para comprová-lo. H. Comportamento do Estator com Aquecimento Alguns procedimentos foram considerados a fim de separar o rotor do estator, tais quais o uso de um guincho hidráulico com aplicação de uma carga superior à que mantém as peças unidas,o uso das bobinas do estator alimentadas para redução da força e um procedimento térmico de desmagnetização parcial dos ímãs. O procedimento que se mostrou mais viável foi a desmagnetização parcial dos ímãs a fim de diminuir a força de atração entre as peças uma vez que pode-se alcançar uma força passível de trabalho sem comprometer as estruturas do rotor e do estator e sem comprometer totalmente as propriedades magnéticas dos ímãs de Nd-Fe-B. Foi feito um estudo usando elementos finitos 3D a fim de se obter uma estimativa da deflexão do estator com a nova força resultante do aquecimento. A Fig. 12 mostra esse resultado. Pode-se perceber uma queda, ainda que sutil, na deflexão do estator com a força resultante do procedimento térmico de desmagnetização dos ímãs. III. FERRAMENTAS Foram utilizados os softwares de análise 3D Solidworks e COMSOL Multiphysics para validação dos resultados.vale ressaltar que a análise pelo COMSOL Multiphysics apresenta uma maior confiabilidade comparada ao solidworks uma vez que esse Software é usado majoritariamente para desenhos mecânicos. IV. CONCLUSÃO A máquina Torus como descrita se apresenta de forma simples como uma alternativa de solução economicamente viável que pode ser adotada não somente para aplicações na geração eólica como também em qualquer outra utilização industrial que se busque alto rendimento na conversão de energia e alta densidade de potência ou conjugado. Apesar dos benefícios da máquina constatamos dificuldades no aspecto construtivo, como a grande força de atração entre rotor e estator que dificulta a montagem. Foram propostos alguns métodos de correção da montagem e á partir de experimento térmico com o ímã de Nd-Fe-B foi possível constatar que a melhor alternativa seria a desmagnetização parcial dos ímãs.deste modo, seria possível diminuir a força magnética entre estator e os ímãs permanentes tornandose viável a remontagem da máquina. V. REFERÊNCIAS Livros: [1] Young, W. C., Roark s formulas for stress and strain, Singapore: McGraw-Hill Book Co., p [2] Maxwell s Stress Tensor[Griffiths, 1999, Gieras et al., 2008]. Relatório Técnico: [3] S. R. Silva. (2011, Dez.). Desenvolvimento de centrais eólicas adaptadas às condições de vento do estado de Minas Gerais. Dissertações: [4] Parviainen, A."Design of Axial Flux Permanent Magnet Low speed Machines and Performance Comparison Between Radial flux and Axial flux Machines", Thesis of Doctor of Science, Lappeenranta University of Technology, [5] MAIA, T. A. C., Projeto e Construção de um Gerador a Ímãs Permanentes de Fluxo Axial para Turbina Eólica de Pequena Potência. Dissertação de Mestrado, PPGEE/UFMG, Artigos: [6] Sabioni, C. L., Maia. T. A. C., Faria, O., Guedes, H., Cardoso, A., Vasconcelos, J. A., Silva, Selênio R., LOPES, Bruno Marciano, Nascimento, C. A. M.; METODOLOGIA DE PROJETO DE UM GERADOR DE FLUXO AXIAL DE ALTA EFICIÊNCIA PARA APLICAÇÕES EM TURBINAS EÓLICAS DE PEQUENO PORTE In: XXI Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica, 2011, Florianópolis; Anais do XXI SNPTEE. Florianópolis: Eletrosul Centrais Eletricas SA, v.1. p.1-6. [7] Maia. T. A. C., Sabioni, C. L., Pereira, J. A. A., MIRANDA, M. S., LOPES, Bruno Marciano, Vasconcelos, J. A., Silva, Selênio R.; Project of an Axial Flux Permanent Magnet Machine for Small Wind Turbine In: European Wind Energy Conference and Exhibition (EWEC) 2010, 2010, Warsaw; Proceedings of EWEC2010. Warsaw: EWEA, v.1. p.1-6. Fig. 12. Resultado da deflexão com o aquecimento da peça.

6 6 VI. BIOGRAFIAS Heloísa Guedes Mendonça - nasceu no dia 27 de Abril de 1988,em Belo Horizonte, Minas Gerais, Graduação em Engenharia Mecânica (2012) pela Universidade Federal de Minas Gerais. Fabrício de Souza Borges - nasceu no dia 20 de Novembro de 1989, na cidade de Ipatinga, Minas Gerais, Graduação em Engenharia Elétrica (2012) pela Universidade Federal de Minas Gerais. Luan Leão Glória - nasceu em Diamantina, MG em 11 de maio de 1991.Estudante de Engenharia Elétrica na Universidade Federal de Minas Gerais(2014). Thales Alexandre Carvalho Maia - nasceu em Belo Horizonte, MG em 12 de setembro de 1984.Graduação (2009), Mestrado (2011) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Minas Gerais UFMG. Rogério Pinto Ribeiro - Doutorado (2006 UFMG), Mestrado (2000 UFMG), Graduação (1981) em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Minas Gerais UFMG. João Antônio Vasconcelos - Doutorado (1994 École Centrale de Lyon - França), Mestrado (1985 UFPB), Graduação (1982) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Minas Gerais UFMG. Professor Titular do Departamento de Engenharia Elétrica da UFMG. Selênio Rocha Silva é Professor Titular do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), onde ingressou em Recebeu os graus de bacharel e mestre em Engenharia Elétrica pela UFMG respectivamente nos anos de 1980 e 1984, e o título de doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal da Paraíba em Campina Grande (atual UFCG) em Seus interesses incluem máquinas elétricas, acionamentos elétricos, qualidade da energia e sistemas de geração de fontes alternativas de energia.