PROJETO E SIMULAÇÃO DA OPERAÇÃO DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA SEM ESCOVAS

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1 CONVÊNIOS CNPq/UFU & FAPEMIG/UFU Universidade Federal de Uberlândia Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação DIRETORIA DE PESQUISA COMISSÃO INSTITUCIONAL DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA 2008 UFU 30 anos PROJETO E SIMULAÇÃO DA OPERAÇÃO DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA SEM ESCOVAS Daniel Souto Siqueira 1 Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Avenida João Naves de vila 2160, Bloco 1F sala 1E04, Uberlândia, CEP: , soutoeletrica@gmail.com. Darizon Alves de Andrade 2 Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Avenida João Naves de vila 2160, Bloco 1F sala 1E04, Uberlândia, CEP: , darizon@ufu.br Resumo: O consumo de energia tornou-se uma das grandes preocupações dos nossos dias. O estudo de motores a Ímã permanente é uma proposta aliada ao contexto da eficiência energética, visto seu alto rendimento e fácil controle de velocidade. O desenvolvimento e redução do custo da eletrônica de potência, e o desenvolvimento de novos materiais magnéticos tem aumentado a aplicabilidade e viabilidade do motor de corrente contínua sem escovas. Assim, este trabalho visa o estudo do princípio de funcionamento e técnicas de projeto, aliadas ao método de elementos finitos. Palavras-chave: Motor de Corrente Contínua Sem Escovas, Brushless dc Machine, Ímã Permanente, Eficiência Energética. 1. INTRODUÇÃO O consumo de energia tornou-se uma das grandes preocupações dos nossos dias. Os Motores Elétricos são responsáveis pelo consumo de aproximadamente 25% da energia consumida no Brasil [1]. Dentro deste contexto a busca por eficiência das máquinas elétricas tornou-se de grande importância para a economia de energia. Com características construtivas e de operação favoráveis, devido à sua simplicidade e robustez, os motores de indução formam o tipo mais comum e largamente utilizado. Entretanto para cargas de pequena potência, isto é, cargas de potência fracionária e até algumas unidades de CV, são largamente utilizados os motores de indução monofásicos. Esses, apesar de bastante robustos, operam com rendimentos nunca superiores a 50%, além de ocuparem volume considerável. Apresentam também curva de conjugado por velocidade muito inflexível ao controle de velocidade. Uma alternativa aos motores de indução monofásicos é o motor de corrente contínua do tipo série (motor universal) ou o motor com ímãs permanentes. Os motores de corrente contínua convencionais de pequena potência, são também máquinas que não apresentam bom rendimento, embora sejam mais adequados ao controle de velocidade. Seu principal obstáculo na sua aplicação é a presença das escovas e do comutador, que limitam a potência dos motores, exigem manutenção constante, e restringe o espectro de aplicações do motor, como por exemplo, somente a ambientes de atmosferas favoráveis. Como alternativa a essas opções surge o motor de corrente contínua sem escovas (brushless dc motor). Essas máquinas são construtivamente semelhantes ao motor síncrono, com o fluxo de campo sendo gerado por ímãs permanentes localizados no rotor, e enrolamentos de armadura inseridos no estator da máquina. 1- Aluno, Engenharia Elétrica. 2- Orientador, Professor da Faculdade de Engenharia Elétrica.

2 A literatura indica diversas vantagens desse tipo de motor quando comparado com as máquinas convencionais [2], [3] e [4], a saber: máquina compacta e de elevada relação potência por volume devido à presença de ímãs permanentes, elevado rendimento, fácil controle de velocidade, robusto e de reduzida manutenção, confiabilidade mais elevada, ruído reduzido, vida útil mais longa devido à ausência de desgaste da escova, eliminação da ionização do comutador, e a redução de interferência eletromagnética. A eliminação do coletor mecânico e das escovas do rotor permite ainda a redução da inércia, ruídos, faíscas e aquecimento do motor, aumentando a velocidade de rotação, diminuindo as perdas e a manutenção, [5]. Aplicações de motores de corrente contínua sem escovas são reportadas para o acionamento de sistemas de refrigeração, periféricos de computador, veículos elétricos, máquinas industriais e servo motores. Devido à sua alta confiabilidade este tipo de motor é aplicado até mesmo à circulação artificial em bombas de sangue [6]. De acordo com Pereira [7], a utilização do motor brushless DC pode simplificar os componentes integrantes dos sistemas proporcionando ainda um ganho de espaço. O uso de controle de velocidade possibilita maior aplicabilidade e potencial redução de consumo [8]. O desenvolvimento de dispositivos que levem a economia e a conservação de energia tornase imprescindível. Assim, o estudo de um motor de corrente contínua sem escovas é desenvolvido neste trabalho, visando à eficiência energética e o aproveitamento da eletrônica aplicada para o controle de velocidade. 2. MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA SEM ESCOVAS 2.1 Motor a Ímã Permanente Os Motores a Ímã Permanente (MIP) vem se destacando ao longo dos anos, em aplicações que vão desde periféricos de computadores a aplicações aeroespaciais. Essa categoria de motores se destaca devido a sua grande eficiência energética quando comparado com as outras categorias de máquinas elétricas. A sua crescente utilização se dá devido ao desenvolvimento da indústria na fabricação de imã permanentes e componentes eletrônicos. Outro fator que também contribuiu para a sua utilização foi à evolução da eletrônica de potência, pois a mesma, permitiu o desenvolvimento de técnicas mais precisas para o controle da máquina. Os motores a imã permanente podem ser divididos em duas categorias: i) motor de corrente contínua sem escova ou Brushless dc Machine (BDCM) ; e ii) motor síncrono de ímãs permanentes ou Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM). Estruturalmente essas duas máquinas são idênticas, ou seja, possuem o estator trifásico e o imã permanente no rotor. A sua diferença esta no controle, pois, o motor síncrono de imã permanente possui a distribuição da força contra eletromotriz de forma senoidal, assim, requerendo um controle mais sofisticado e refinado. O motor de corrente contínua sem escovas por sua vez gera uma onda de força contra eletromotriz de forma trapezoidal, e seu controle é mais simples Princípio de Funcionamento O princípio de funcionamento do motor de corrente contínua sem escovas BDCM pode ser entendido a partir do modelo apresentado na Figura 1. Ele possui o estator bobinado e o rotor formado com imã permanente. 2

3 O imã permanente é o responsável pelo estabelecimento de campo magnético principal da máquina. O motor pode ser entendido a partir do principio da tendência dos alinhamentos dos campos magnéticos. O fluxo magnético gerado pelo imã permanente reage com o fluxo criado pelas correntes do estator resultando num conjugado eletromecânico, esse conjugado age na máquina no sentido de alinhar esses dois campos. No instante do alinhamento há a inversão do sentido da corrente através de um circuito eletrônico de chaveamento, mantendo a rotação. Figura 1 - Esquema simplificado do motor de corrente contínua sem escovas. Como podemos observar o fluxo magnético criado pelas correntes do estator gira a frente do fluxo magnético criado pelo imã permanente, assim, aquele arrasta o último e conseqüentemente o rotor, produzindo trabalho. A figura 2 mostra um esquema típico de um motor de corrente continua sem escovas de 2 pólos: Figura 2 - Motor de corrente contínua sem escovas. Quando θ é igual a zero, temos que fluxo magnético do ímã está atravessando a bobina a-a e neste instante o fluxo concatenado nessa bobina é máximo. À medida que o rotor movimenta-se e o ângulo θ aumenta, temos que o fluxo magnético concatenado pela bobina diminui até atingir o valor zero em 90º. A partir deste, ocorre à inversão do fluxo concatenado. Isto pode ser visualizado na Figura 3. 3

4 Figura 3 - Fluxo magnético concatenado em função da posição angular θ. Pela lei de Faraday, a tensão gerada na bobina é equivalente à taxa de variação do fluxo concatenado: dλ dλ dθ dλ e = = = ωm dt dθ dt dθ (1) Onde ωm é a velocidade angular. Assim, a derivada angular do fluxo magnético concatenado resulta na força contra-eletromotriz da Figura 4. Figura 4 - Força contra-eletromotriz induzida. No motor de corrente contínua sem escovas, o circuito eletrônico de chaveamento tem a função de fornecer corrente I com a polaridade invertida da força contra-eletromotriz e nos mesmos instantes, como na Figura 5. Figura 5 - Corrente fornecida pelo circuito eletrônico de chaveamento. 4

5 Considerando uma velocidade angular constante, obtemos um conjugado unidirecional dado na Figura 6. Figura 6 - Conjugada unidirecional. O conjugado produzido por uma bobina não é constante e existem regiões onde este conjugado é nulo. Como podemos observar na figura 2 o motor foi projetado de tal forma que possua enrolamento trifásico, com três bobinas defasadas de 120º. Conseqüentemente, o conjugado produzido também ficará defasado de 120º. Cuja soma resulta em um conjugado constante igual à 2T. O funcionamento do motor de corrente contínua sem escovas pode ser entendido a partir da figura 7. Temos um circuito eletrônico conversor que realiza a operação de chaveamento baseado na informação do posicionamento do rotor e também da montagem dos ímãs. A corrente fornecida pelo conversor às bobinas tem sua polaridade invertida ao longo de sua operação e obedecem a uma ordem seqüencial, determinada pela posição do rotor. É aplicada em uma bobina tensão positiva, tensão negativa a outra, e a ultima permanece desenergizada para cada instante de funcionamento, ou seja, somente duas bobinas são energizadas ao mesmo tempo. A informação do posicionamento do rotor é obtida através de sensores. Para realizar essa função podemos utilizar sensores ópticos, codificador magnético ou sensores de efeito Hall. Os sensores mais usados são os de efeito Hall que é um dispositivo semicondutor onde o fluxo de elétrons é afetado por um campo magnético perpendicular à direção do mesmo. Figura 7 Esquema de funcionamento de um motor de corrente continua sem escovas. A seguir, temos a explicação do funcionamento do motor de corrente contínua sem escovas da figura 7. Se considerarmos nosso eixo de referência do rotor no pólo sul, e o rotor girando no sentido anti-horário. Temos a seqüência de chaveamento das bobinas apresentado na figura 8. A posição do rotor é detectada pelos sensores e essa informação é enviada para o sistema de controle, assim, energizando as bobinas corretas. 5

6 2.3. Característica de Torque e Velocidade Figura 8 Seqüência de chaveamento das bobinas. Deve-se garantir que o motor terá força suficiente para a partida, até atingir o ponto de velocidade nominal [2]. O conjugado do motor de corrente contínua sem escovas é definido por: T = pdrl NBI (2) Onde p é o número de pólos, DR é o diâmetro do rotor, l é o comprimento axial do rotor, N o número de espiras, B é a densidade de fluxo magnético no entreferro e I a corrente no motor. O conjugado é proporcional à corrente do motor, visto que parâmetros como número de espiras, fluxo do ímã, comprimento e diâmetro do rotor não variam, uma vez definido o projeto [2]. A tensão gerada, ou força-eletromotriz é dada por: e = prrl NBω f ( θ ) (3) Como podemos constatar a força contra-eletromotriz e proporcional a parâmetros tais como: número de pólos, comprimento e raio do rotor, densidade de fluxo magnético, número de espiras, velocidade angular do motor e a uma função. Essa função é responsável pela tradução da posição do rotor. Assim a força contra-eletromotriz é proporcional à posição do rotor. A seguir temos o gráfico normalizado da força contra-eletromotriz. m Figura 9 Força contra-eletromotriz O motor de corrente contínua sem escovas pode ser representado pelo seguinte circuito elétrico equivalente: 6

7 Figura 10 Circuito equivalente. Representando na forma matricial o circuito: V a Ls M M i a i a e a d V b = M Ls M i b + RS i b + e b dt Vc M M Ls ic ic ec (4) Cada fase é representada por um valor da indutância, resistência da bobina e força contraeletromotriz induzida Análise Computacional Utilizando o Método dos Elementos Finitos O uso do método dos elementos finitos para analisar o comportamento eletromecânico de dispositivos eletromagnéticos tem se popularizado nos últimos anos [9]. Isto se deve ao desenvolvimento rápido de sua teoria, computadores com maior capacidade de processamento, menor custo destes e quantidade de programas disponíveis no mercado, como o Femlab e o Femm. Com o uso do método, topologias mais complexas ou não convencionais podem ser mais bem estudadas. Análises bidimensional ou tridimensional são executáveis para o cálculo da distribuição de potencial, fluxo magnético, densidade de fluxo, energia e força por exemplo, [9]. Entretanto, este é essencialmente uma ferramenta de análise e não de projeto, não substituindo o modelo teórico através do qual se faz o projeto inicial. Serve para fornecer informações precisas sobre o desempenho do mesmo, sem a necessidade da construção e teste de inúmeros protótipos. O projetista obtém assim, o resultado otimizado a partir de um modelo teórico, ganhando tempo e custo. A simulação executada neste capítulo foi através do programa computacional Femm (Finite Element Method Magnetic). O objetivo desta análise é verificarmos a distribuição de fluxo magnético na máquina. A figura 11 nos mostra a configuração física do motor de corrente contínua sem escovas.. Figura 11 Configuração física do motor. 7

8 Os dados de entrada para simulação são as dimensões e materiais do motor. Tabela 1 - Especificação do motor de corrente contínua sem escovas Números de pólos 4 Densidade de fluxo magnético do imã permanente [T] 0,6 Entreferro [mm] 0,51 Diâmetro interno do estator [mm] 50,22 Diâmetro externo do estator [mm] 100,44 Comprimento axial do motor [mm] 25,11 Quantidade de ranhuras 24 Largura do dente da ranhura [mm] 3,00 Diâmetro interno a ranhura [mm] 53,22 Diâmetro externo a ranhura [mm] 75,28 Altura da carcaça [mm] 12,58 Espessura do imã permanente [mm] 5,10 Diâmetro do rotor [mm] 49,20 Diâmetro do núcleo do rotor [mm] 39,00 Diâmetro do eixo do rotor [mm] 24,19 Numero de espiras de cada bobinas 90 A figura 12 nos mostra a distribuição das linhas de campo magnético na máquina para uma determinada posição. Figura 12 Distribuição do campo magnético no interior da máquina. A densidade de fluxo magnético no entreferro da máquina pode ser visualizada no gráfico: 8

9 Figura 13 Densidade de fluxo no entreferro da máquina. Como podemos observar na figura 13, a densidade de fluxo magnético no entreferro assume o valor próximo a 0.6, que é o valor de projeto de imã. Na figura 14 podemos visualizar o gráfico de cores da densidade de fluxo magnético. Figura 14 Visualização das regiões de concentração da densidade de fluxo magnético. Na figura 14, a maior concentração da densidade de fluxo magnético está nos dentes do estator, e esses valores estão na ordem de 1,3 a 1,4 Tesla. O valor de projeto recomendado para essa região é de 1.3 a 1.5 Tesla, ou seja, os valores da simulação estão destros do esperado. 3. AGRADECIMENTOS À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG). 4. REFERÊNCIAS [1] SOARES, G.A.; PINHEIRO, M.; Os novos níveis de rendimento dos motores de indução trifásicos. Eletricidade Moderna, n.387, jun [2] TEIXEIRA, Fernando H.P.; Metodologia para Projeto, Construção e Ensaios em Máquinas Síncrona a Ímã Permanente MSIP. Dissertação, 172p, Escola de Engenharia de São Carlos USP, [3] KIM, G.G.; et all; Study on Maximum Torque Generation for Sensorless Controlled Brushless DC motor with trapezoidal back EMF. Electric Power Applications, IEE Proceedings, V.152, Issue2, p , mar

10 [4] CHAN, T.F. ; LAI, L.L.; Na Axial-Flux Permanent-Magnet Synchoronous Generator for a Direct-Coupled Wind-Turbine System. IEEE Transaction on Energy Conversion, vol.22, Nº1, march [5] RÜCOS, F.; Máquina Assíncrona Trifásica Brushless em Cascata Duplamente Alimentada v. 284p. (Mestrado). Universidade Federal de Santa Catarina Engenharia Elétrica, Santa Catarina, [6] FONCECA, J.W.G.; Técnica Sensorless para Acionamento de Motores Brushless DC Aplicados em Circulação Artificial v, 82p (Mestrado) Instituto Tecnológico de Aeronáutica Engenharia Elétrica e Computação, São José dos Campos, [7] PEREIRA, R.A.; Acionametos com motores Brushless para Sistemas de Ventilação de Emergência v. 89p.(Mestrado) Universidade de São Paulo Engenharia Elétrica, São Paulo, [8] LITTE, A.D.; Opportunities for energy saving in the residential and commercial sectors with high-efficiency electric motors. 131p, [9] GUCKELBERGER, D. e BRADLEY, B.; Setting a new standard for efficiency: Brushless DC Motors. Trane Engineers Newsletter,vol.33-4, ] MARTGNONI, Alfonso. Maquinas de Corrente Alternada. 7. ed. São Paulo: Globo, [11] JULIANI, Aline Durrer Patelli. Analise do Campo Magnético de um Motor de Ímã Permanente no Rotor Utilizando O Metodo dos Elemetos Finitos f. Dissetação (Mestrado) - Usp, São Carlos, [12] FITZGERALD, A.E. et al; Máquinas Elétricas., 6ªEdição, Bookman, PROJETO E SIMULAÇÃO DA OPERAÇÃO DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA SEM ESCOVAS SIQUEIRA, Daniel Souto 1 Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Avenida João Naves de vila 2160, Bloco 1F sala 1E04, Uberlândia, CEP: , soutoeletrica@gmail.com. ANDRADE, Darizon Alves de 2 Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Avenida João Naves de vila 2160, Bloco 1F sala 1E04, Uberlândia, CEP: , darizon@ufu.br. Abstract: The consumption of energy became one of the great concerns of our days. The study of motors to permanent Magnet is an allied proposal to the context of the energy efficiency,because your high revenue and easy control of speed. The development and reduction of the cost of the potency electronics, and the development of new magnetic materials has been increasing the applicability and viability of the motor of continuous current without brushes. Thus, this work aims to study the operating principles and techniques of project, allied to the finite element method. Keywords: Motor of Continuous Current Without Brushes, Brushless dc Machine, Permanent Magnet, Energy Efficiency. 10