UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA ANÁLISE DO ESCOAMENTO E DA GERAÇÃO DE RUÍDO NO SISTEMA DE VENTILAÇÃO EXTERNO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO Dssetação submetda à UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA paa a obtenção do gau de MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA MARCELO VERARDI Floanópols, novembo de 8. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

2 PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA ANÁLISE DO ESCOAMENTO E DA GERAÇÃO DE RUÍDO NO SISTEMA DE VENTILAÇÃO EXTERNO DE UM MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO MARCELO VERARDI Esta dssetação fo julgada adequada paa a obtenção do título de MESTRE PROFISSIONAL EM ENGENHARIA ESPECIALIDADE ENGENHARIA MECÂNICA sendo apovada em sua foma fnal. PROF. AMIR ANTÔNIO MARTINS OLIVEIRA JR., Ph.D. Oentado PROF. ANDRÉ OGLIARI, D. Eng. Coodenado do Pogama PROF. FERNANDO CABRAL, Ph.D Coodenado do Cuso BANCA EXAMINADORA PROF. ARCANJO LENZI, Ph.D. Pesdente PROF. CÉSAR JOSÉ DESCHAMPS, Ph.D. PROF. EDSON BAZZO, D.Eng.

3 "A alega está na luta, na tentatva, no sofmento envolvdo. Não na vtóa popamente dta." Mahatma Gandh

4 v Dedco este tabalho à mnha esposa Adana e às mnhas flhas Rafaela e Anna Letíca, sem as quas todo o esfoço não tea valdo a pena.

5 AGRADECIMENTOS v À WEG Equpamentos Elétcos S.A. pelo fnancamento e a dsponblzação da estutua paa a ealzação deste tabalho. Aos pofessoes da UFSC que patcpaam do pogama de Mestado Pofssonalzante pelo conhecmento epassado. Aos colegas do depatamento de Pesqusa e Desenvolvmento pelo companhesmo, em especal ao colega Samuel Santos Boges pelas dscussões técncas e ao Cassano Antunes Cezáo, colega de empetada, cujos conselhos, dscussões, sugestões e cítcas foam sempe muto apopados e ajudaam no desenvolvmento deste tabalho. Ao geente do depatamento Sebastão Lauo Nau pelo ncentvo constante ao tabalho. Ao pofesso Am Antôno Matns Olvea J. pelo zelo, dedcação e ncentvo epassados na oentação deste tabalho. A todos que, de alguma manea, contbuíam paa a ealzação deste tabalho.

6 SUMÁRIO v LISTA DE FIGURAS...x LISTA DE TABELAS...x SIMBOLOGIA...xv RESUMO...xxv ABSTRACT...xxv 1 INTRODUÇÃO Vsão geal dos motoes elétcos Classe de solamento Códgo de poteção Método de esfamento Objeto de estudo Motvação do tabalho Objetvos do tabalho Estutua dos capítulos REVISÃO BIBLIOGRÁFICA As les de smladade dos ventladoes Les que elaconam vaáves de desempenho dnâmco Les paa pevsão do nível de uído.... Modelos de escoamento tubulento Modelo k-ε Modelo k-ω Modelo SST Pevsão de uído aeodnâmco atavés das analogas acústcas Consdeações ncas sobe aeodnâmca, aeoacústca e analogas acústcas A equação homogênea da onda sonoa Intensdade sonoa, densdade de enega sonoa e potênca sonoa Defnção dos níves de medção acústca Mecansmos de geação de som Analoga acústca de Lghthll...63

7 v.3.7 A teoa do som de vótces de Powell-Howe Analoga acústca de Lowson Método numéco Dscetzação das equações govenantes Acoplamento pessão-velocdade Função de foma Temos de dfusão Temo gadente de pessão Temo de advecção Resolução do sstema de equações Modelamento do escoamento póxmo à paede Análses expementas e smulações de CFD em motoes elétcos Análse expemental de motoes elétcos O uso de CFD aplcado a motoes elétcos METODOLOGIA Defnção do ctéo de efcênca do sstema de ventlação Expemento Descção do apaato e método expemental Seleção das confguações do sstema de ventlação a seem ensaadas Smulação Numéca Descção da geometa, malha de volumes fntos e condções de contono geométcas do método numéco Ctéos de convegênca RESULTADOS E ANÁLISE Método de análse dos esultados de medções expementas Análses em sstemas com mesmas dmensões e com vaação de otação Análses em sstemas com dmensões dvesas e com mesma otação Análse dos esultados de smulações em CFD Solução paa um caso padão Compaação dos valoes de vazão Compaatvo de valoes de potênca consumda Compaatvo dos valoes de nível de pessão sonoa NPS...14

8 v 5 CONCLUSÕES Sugestões REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICES Apêndce A - Dedução da velocdade de popagação da onda sonoa em um meo gasoso Apêndce B - Tabelas paa cálculo da vazão Apêndce C - Tabela de nceteza de medção...16

9 LISTA DE FIGURAS x Fgua 1.1 Dagama do unveso tecnológco de motoes elétcos. No dagama, essalta-se o tpo de moto analsado neste tabalho.... Fgua 1. Tempeatuas lmtes paa cada classe de solamento, confome NBR 794: Fgua 1.3 Convenção utlzada paa o códgo de poteção, confome NBR IEC 659: Fgua 1.4 Convenção utlzada paa o códgo do método de esfamento, confome NBR 511: Fgua 1.5 Conjunto montado de um moto 5 S/M fechado autoventlado....7 Fgua 1.6 Pncpas componentes de um moto fechado autoventlado...8 Fgua 1.7 Pncpas componentes do sstema de ventlação de um moto elétco autoventlado....8 Fgua 1.8 Dstbução das pedas em um moto elétco típco e suas espectvas localzações (Cezáo et al., 5)...1 Fgua 1.9 Esquema da dstbução de tempeatua em um moto elétco de ndução em opeação nomal....1 Fgua 1.1 Esquema epesentando os mecansmos de geação de enega témca e de tansmssão de calo em um moto elétco fechado Fgua 1.11 Caacteístcas geométcas do sstema de ventlação que nfluem na geação de uído aeodnâmco em um moto elétco Fgua.1 Exemplo de ventlado ndustal Fgua. Fontes de uído em motoes elétcos, segundo Vjayaghavan e Kshnan (1999).... Fgua.3 Ondas sonoas planas Fgua.4 Cclo de popagação das ondas sonoas...35 Fgua.5 Níves típcos de uído acústco Fgua.6 Cuvas de coeção paa o ouvdo humano...5 Fgua.7 Monopolo, dpolo e quadupolo geando ondas na supefíce da água, ao edo de um baco, confome Hschbeg e Rensta (4) Fgua.8 Lnhas de coente nas poxmdades de fontes sonoas de caáte monopola (fonte, consdeada postva e sumdouo, consdeado negatvo), dpola e quadupola (lateal) (Bandão,4) Fgua.9 Esfea osclante (Howe, 3)....55

10 x Fgua.1 Modelo esquemátco de um dpolo (Noton e Kaczub, 3)...57 Fgua.11 Padão de detvdade paa monopolo e dpolo (Noton e Kaczub, 3) Fgua.1 Quadupolos lateal e longtudnal e os espectvos padões de detvdade, (Noton e Kaczub, 3)...6 Fgua.13 Esquema da posção da fonte e do ouvnte (Noton e Kaczub, 3)...65 Fgua.14 Contono de valoes admensonas popoconas ao temo fonte acústco em 7 Fgua.15 Compaação ente teoa e ensaos expementas paa tubocompessoes, adaptado de Lowson (1969) Fgua.16 Sstemas de coodenadas paa a fonte sonoa em movmento Fgua.17 Sstemas de coodenadas paa a fonte sonoa no oto (Lowson, 1969)...77 Fgua.18 Compaatvo ente os valoes expementas e a teoa, utlzando a poposta de Belam e Wang (4) à analoga acústca de Lowson (1969)...8 Fgua.19 Supefíce do volume fnto na malha (ANSYS CFX, 7)....8 Fgua. Balanço de massa no volume de contole de espessua untáa, adaptado de Malska (4)...83 Fgua.1 Volume de contole e defnção do veto nomal à ΔS (Malska, 4)...84 Fgua. Exemplo de um elemento tetaédco com as espectvas coodenadas ntínsecas, { ξ ξ, },, adaptado de ANSYS CFX (7) ξ 3 Fgua.3 Esquemas de dfeencação na advecção (Malska, 4):...9 Fgua.4 Dvsões da camada lmte (ANSYS CFX, 7)...94 Fgua.5 Compaatvo de smulações com malhas dvesas, esultados expementas e modelamento póxmo à paede (Vese et al., ) Fgua.6 Expessões de u + ao longo da camada lmte Fgua.7 Alteações popostas po Roy et al. (4) paa um conjunto ventlado de um moto de 15 kw....1 Fgua 3.1 Dspostvo oto ventlado com pás emovíves Fgua 3. Vstas do sstema de ventlação ensaado...16 Fgua 3.3 Cobetua sobe o moto auxla Fgua 3.4 Sstema de medção de pefomance de ventladoes...17 Fgua 3.5 Medção da potênca consumda pelo sstema de ventlação...18 Fgua 3.6 Pontos de medção da vazão no tubo antes da câmaa de establzação,...19 Fgua 3.7 Medção do nível de pessão sonoa em uma câmaa sem-anecóca Fgua 3.8 Exemplo de especto do nível de pessão sonoa paa uma confguação do sstema de ventlação a 5 pm...11 Fgua 3.9 Regões geométcas pncpas dos domínos estaconáo e otatvo...114

11 x Fgua 3.1 Malhas de volumes fntos dos domínos estaconáo e otatvo Fgua 3.11 Exemplo de gáfcos de convegênca geados duante uma smulação de CFD Fgua 3.1 Exemplo de gáfcos de convegênca geados duante uma smulação de CFD de uma geometa dscetzada na adequada devdo ao longo tempo de smulação Fgua 4.1 Valoes de vazão volumétca obtdos, em m³/s, nas confguações com 6 pás (confome mostado na Tabela 3.1). A legenda que dentfca cada confguação lsta o ao da pá R p, a lagua da pá L p e o númeo de pás N p (R p x L p x N p )...1 Fgua 4. Valoes de potênca consumda obtdos dos ensaos, nas confguações com 6 pás (confome mostado na Tabela 3.1). A legenda que dentfca cada confguação lsta o ao da pá R p, a lagua da pá L p e o númeo de pás N p (R p x L p x N p ) Fgua 4.3 Valoes de endmento total obtdos dos ensaos, nas confguações com 6 pás (confome mostado na Tabela 3.1)...1 Fgua 4.4 Confguação 14x65x6 Cuva de ntepolação paa os valoes de potênca consumda e extapolação obtda com a le de smladade 1C da Tabela Fgua 4.5 Confguação 15x8x6 Cuva de ntepolação paa os valoes de potênca consumda e extapolação obtda com a le de smladade 1C da Tabela Fgua 4.6 Confguação 11x5x6 Cuva de ntepolação paa os valoes de potênca consumda e extapolação obtda com a le de smladade 1C da Tabela Fgua 4.7 Valoes de NPS meddos, em escala db, nas confguações com 6 pás (confome mostado na Tabela 3.1) Fgua 4.8 Confguação 14x65x6 Cuva de ntepolação paa os valoes de NPS...15 Fgua 4.9 Confguação 15x8x6 Cuva de ntepolação paa os valoes de NPS...15 Fgua 4.1 Confguação 11x5x6 Cuva de ntepolação paa os valoes de NPS...16 Fgua 4.11 Gáfco NPS vesus potênca consumda otação de 15 pm Fgua 4.1 Gáfco NPS vesus potênca consumda otação de pm Fgua 4.13 Gáfco NPS vesus potênca consumda otação de 5 pm Fgua 4.14 Plano de efeênca paa fguas da seção tansvesal...19 Fgua 4.15 Vetoes do campo de velocdade, no efeencal estaconáo, a X = 5 mm do plano de efeênca...19 Fgua 4.16 Lnhas de tensão de csalhamento constante na tampa tasea e na cobetua do moto auxla Fgua 4.17 Dstbução de pessão Fgua 4.18 Dstbução de pessão Fgua 4.19 Dstbução de pessão nas supefíces do oto do sstema de ventlação...13

12 x Fgua 4. Dstbução de enega cnétca tubulenta...13 Fgua 4.1 Dstbução de enega cnétca tubulenta Fgua 4. Lnhas de coente do campo de velocdades, patndo do plano de efeênca Fgua 4.3 Lnhas de coente do campo de velocdades, no domíno otatvo Fgua 4.4 Valo de y +, ve Equação (.5), nas poxmdades do oto Fgua 4.5 Compaação ente os valoes de vazão meddos e calculados paa a confguação 14x65x Fgua 4.6 Compaação ente os valoes de vazão meddos e calculados paa a confguação 15x8x Fgua 4.7 Compaação ente os valoes de vazão meddos e calculados paa a confguação 11x5x Fgua 4.8 Vsualzação do fluxo na entada da tampa defletoa (Paladno et al., 5)..137 Fgua 4.9 Compaatvo de valoes de potênca consumda pelo oto paa a confguação 14x65x Fgua 4.3 Compaatvo de valoes de potênca consumda pelo oto paa a confguação 15x8x Fgua 4.31 Compaatvo de valoes de potênca consumda pelo oto paa a confguação 11x5x Fgua 4.3 Valo admensonal, popoconal ao temo fonte da teoa de Powell-Howe, 141 Fgua 4.33 Dstbução do valo admensonal, em escala logaítmca, popoconal ao temo fonte da teoa de Powell-Howe, em um plano pependcula ao exo do dspostvo, stuado à mea altua das pás do oto Fgua 4.34 Iso-supefíce de detemnado valo do temo fonte da teoa de Powell-Howe mostando caacteístcas geométcas do oto que contbuem paa a geação de uído Fgua 4.35 Cuva de ntepolação NPS vesus h Confguação 11x5x6 15 pm..144 Fgua 4.36 Especto de NPS expemental e teóco Confguação 11x5x6 15 pm Fgua 4.37 Cuvas de ntepolação de NPS vesus otação paa os valoes expementas e teócos Confguação 11x5x Fgua A.1 Popagação de um pulso de pessão ao longo de um tubo peenchdo com fludo compessível (Sabesky et al., 1989)...154

13 LISTA DE TABELAS x Tabela 1.1 Descção dos códgos de poteção mas comuns em motoes elétcos. Em negto, essalta-se o códgo IP55 efeente ao moto estudado neste tabalho...4 Tabela 1. Descção dos códgos efeentes aos métodos de esfamento mas comuns em motoes elétcos. Em negto, essalta-se o códgo IC 1 41 efeente ao moto estudado neste tabalho...6 Tabela 1.3 Tabela de mpacto de uídos na saúde:...15 Tabela.1 Les de smladade paa os ventladoes, ASHRAE () Tabela. Relações paa o uído aeodnâmco ente ventladoes semelhantes (Jogensen, 1961)... Tabela.3 Exemplos de valoes em decbés a pat de valoes de azões abtáas...48 Tabela 3.1 Tabela das confguações utlzadas nos ensaos, com base no método DOE/Taguch...11 Tabela 4.1 Constante na expessão de smladade de potênca consumda paa as confguações ensaadas Tabela 4. Tabela dos eos pecentuas ente os valoes de vazão volumétca e potênca consumda calculados pelas les de smladades dos ventladoes (equação 1A e 1C da Tabela.1) e aqueles obtdos nos ensaos Tabela 4.3 Tabela dos eos pecentuas ente os valoes de vazão smulados e ensaados Tabela 4.4 Tabela dos eos pecentuas ente os valoes smulados e ensaados de potênca consumda pelo oto DISPOSITIVO ACOPLADO...14 Tabela 4.5 Tabela dos eos pecentuas ente os valoes smulados e ensaados de potênca consumda pelo oto DISPOSITIVO DESACOPLADO Tabela 4.6 Tabela dos eos ente os valoes smulados e ensaados de NPS, utlzando o temo fonte da teoa Powell-Howe Tabela 4.7 Tabela dos eos ente os valoes smulados e ensaados de NPS, utlzando o h médo paa a teoa de Lowson Tabela B.1 Pessões máxmas de satuação de vapo d água P S Tabela B. Fato de compessbldade Z paa o a (Delmée, 3)...159

14 SIMBOLOGIA xv Alfabeto Latno: [A] matz de coefcentes do sstema de equações do modelo numéco dscetzado A, A 1 e A constantes complexas A duto áea da seção tansvesal do duto de medção da pessão dnâmca [m²] A nb coefcente do sstema lnea de equações do volume de contole consdeado, que o conecta com seus volumes vznho A saída áea na saída ente a tampa defletoa e a tampa tasea [m²] a ao vaável da esfea [m] a 1 constante do modelo de tubulênca =,31 a n vaável genéca da pate eal de um númeo complexo ag SST,1, ag SST, funções do modelo de tubulênca SST [b] temo ndependente da solução do sstema de equações do modelo numéco dscetzado vaável genéca da pate magnáa de um númeo complexo b n C μ C ε1 C ε constante do modelo de tubulênca constante do modelo de tubulênca constante do modelo de tubulênca C P capacdade témca do gás a pessão constante [J/K] C V capacdade témca do gás a volume constante [J/K] C WCo constante na expessão de smladade de potênca consumda paa as confguações ensaadas CD kω função do modelo de tubulênca c velocdade do som [m/s] c velocdade do som no a, nas condções médas do ambente [m/s] c l constante do modelo de tubulênca Relação de vaáves paa a fomulação de acoplamento pessão-velocdade c p D foça de aasto (dag) na pá do oto [N] D ampltude da foça de aasto na pá do oto [N] D V densdade de enega sonoa méda [J/m³] D ' densdade de enega sonoa nstantânea [J/m³] V D c dmensão caacteístca do ventlado [m] D g dâmeto da gade de entada [m]

15 D p dâmeto exteno das pás do oto do ventlado [m] D t dâmeto da tampa tasea [m] D v dâmeto da tampa defletoa (voluta) do ventlado na saída de a [m] D λm epesentação complexa elatva à foça de aasto na pá do oto [N] d dstânca ente a fonte pontual e o exo do dpolo [m] d p Relação de vaáves paa a fomulação de acoplamento pessão-velocdade E C enega cnétca do sstema [J] E I enega ntena do sstema [J] E P enega potencal do sstema [J] E T enega total do sstema [J] F componente nas deções dos exos coodenados da foça total pontual atuante sobe um obstáculo sóldo devdo a nteação com o fludo F SST,1, F SST, funções de mstua do modelo de tubulênca SST F veto foça [N] F função genéca F fludo foça po undade de áea execda pela nteação ente um obstáculo sóldo e o xv [N] [N/m²] F D componente da foça devdo ao aasto [N] F k fluxo paa a equação de tanspote da enega cnétca tubulenta paa o equaconamento do tatamento póxmo à paede F componente da foça na deção do obsevado [N] F T componente da foça devdo ao empuxo [N] F U fluxo paa a equação da consevação da quantdade de movmento lnea paa o equaconamento do tatamento póxmo à paede [Pa] f veto das foças de copo po undade de volume do fludo [N/m³] f méda tempoal da componente das foças de copo po undade de volume do fludo nas deções dos exos coodenados [N/m³] f p feqüênca de passagem das pás do oto do ventlado [Hz] f v feqüênca de votcdade [Hz] f p Relação de vaáves paa a fomulação de acoplamento pessão-velocdade G função genéca H entalpa do sstema [J] h coefcente de caegamento hamônco I ntensdade sonoa méda [W/m²]

16 I D ntensdade sonoa méda devdo a um dpolo [W/m²] I ef ntensdade sonoa de efeênca = 1-1 W/m² [W/m²] I ntensdade sonoa [W/m²] I ' ntensdade sonoa nstantânea [W/m²] constante magnáa = 1 veto untáo efeente a um dos exos de um sstema de coodenadas otogonal j veto untáo efeente a um dos exos de um sstema de coodenadas otogonal k númeo de onda [m -1 ] k enega cnétca tubulenta [J/kg] ou [m²/s²] k veto untáo efeente a um dos exos de um sstema de coodenadas otogonal L 1 dstânca ente a gade de entada de a na tampa defletoa e a pá do oto do ventlado [m] L dstânca ente a pate tasea do oto do ventlado e a tampa tasea [m] L p lagua das pás do oto do ventlado [m] M quantdade de massa [kg] M & vazão mássca do a que passa pelo conjunto ventlado [kg/s] M água massa mola da água = 18, kg/mol [kg/mol] M veto númeo de Mach com deção da ogem da fonte sonoa até a posção do a ouvnte (ecepto) M a, componente nas deções dos exos coodenados do númeo de Mach M a, númeo de Mach nstantâneo da adação sonoa na deção do obsevado M a,r númeo de Mach otaconal M g massa mola do gás [kg/mol] m odem da hamônca sonoa consdeada no cálculo m g massa de gás [kg] m& p fluxo de massa dsceto sobe a supefíce do volume de contole efeencada ao ponto de ntegação consdeado [kg/s] N nó númeo de nós do elemento N função de foma N otação do oto do ventlado [pm] N f função de foma caacteístco do elemento da malha N nó númeo de nós de um elemento da malha de dscetzação do modelo numéco númeo de pás do oto do ventlado N p xv

17 NIS nível de ntensdade sono a [escala db] NPS nível de pessão sonoa [escala db] NPS G nível de pessão sonoa g lobal [escala db] NWS nível de potênca sonoa [escala db] NXS nível, em escala decbel, da vaável genéca X [escala db] n n n f np n S númeo da hamônca sonoa consdeada no cálculo da pessão sonoa = m. N p veto untáo nomal à supefíce consdeada númeo de pontos de medção da pessão dnâmca no plano da Fgua 3.4 expoente da elação de tempeatua da fómula de Sutheland = 1,5 xv dstânca ente o pmeo e o segundo nós da malha, patndo da paede de ef eênca [m] P pessão total (méda + flutuante) local [Pa] ponto cental do volume de contole fomado pelos elementos da malha P d1 pessão dnâmca em cad a ponto de medção, no plano 1 da Fgua 3.4 velocdade quantdade de feqüêncas consdeadas Δn dstânca ente os nós da malha [m] Δn 1 P P c pessão méda local P atm pessão atmosféca [Pa] P dg pessão dnâmca global [Pa] P es pessão estátca poduzda po um ventlado [Pa] P k k [Pa] [Pa] geação de enega cnétca tubulenta devdo à méda dos gadentes de [J/(m³. s)] P ~ função do modelo de tubulênca SST [J/(m³. s)] P e pessão de efeênca = μpa [Pa] f P t pessão total poduzda po um v entlado [Pa] P va pessão pacal de vapo d água [Pa] P S pessão de satuação de vap o d água [Pa] p flutuação de pessão local [Pa] p epesentação complexa da flutuação de pessão loc al [Pa] p * pˆ p conjugado complexo da flutuação de pe ssão local p n epesentação complexa da pessão devdo à n-ésma hamônca sonoa, paa uma pá do oto ampltude da flutuação de pessão local ponto de ntegação da malha de volumes fntos [Pa] [Pa] [Pa]

18 p m paa N p pás do oto xv epesentação complexa da pessão devdo à m-ésma odem hamônca sonoa, p ms valo da az méda quadátca da flutuação de pessão [Pa] p m ms valo da az méda quadátca da flutuação de pessão devdo à m-ésma odem hamônca sonoa, paa N p pás do oto Q quantdade de calo [J] q k taxa de tansfeênca de calo po condução [W] q m taxa de ntodução de massa po undade de volume [kg/(s. m³)] q a taxa de tansfeênca de calo po adação [W] q u taxa de tansfeênca de calo po convecção [W] R constante unvesal do gás consdeado (paa o a = 87 J/(kg. K)) [J/(kg. K)] Re númeo de Reynolds R f ao de go onde enconta-se a fonte sonoa [m] R p ao exteno das pás do oto do ventlado [m] R u constante unvesal dos gases pefetos = 8,31447 J/(mol. K) [J/(mol. K)] dstânca adal, a pat da fonte consdeada [m] Δ veto que lga o nó oposto ao sentdo do escoamento, ao ponto de ntegação [m] 1 dstânca da fonte até o ouvnte no plano x 1 x, segundo Fgua.17 [m] es esíduo das vaáves do escoamento S supefíce [m²] S j tenso taxa de defomação [s -1 ] S & 1 enega témca geada devdo ao efeto Joule no enolamento do estato [W] S & enega témca geada devdo ao efeto Joule nas baas do oto do moto [W] S & 3 feo) S & 4 no feo) S S [Pa] [Pa] enega témca geada devdo ao efeto Joule na chapa do estato (pedas no enega témca geada devdo ao efeto Joule na chapa do oto do moto (pedas constante de Sutheland S SST medda nvaante do tenso taxa de defomação S j [s -1 ] [W] [W] SU e temos fontes utlzados no pocesso de dscetzação numéca [N/m³] S ψ T foça de empuxo (thust) na pá do oto [N] T ampltude da foça de empuxo na pá do oto [N] T f tempeatua total (méda + flutuante) local do fludo [K]

19 T f, tempeatua méda local do fludo [K] T f ' flutuação da tempeatua local do fludo [K] T f,amb tempeatua ambente do fludo [K] T f,ef tempeatua de efeênca do fludo [K] T S,ext tempeatua da supefíce extena do moto elétco [K] T E,máx tempeatua máxma do enolamento do moto elétco [K] T f, tempeatua do fludo exteo [K] T j tenso das tensões acústcas de Lghthll [Pa] T R,máx tempeatua máxma do moto elétco, no oto do moto [K] T λm epesentação complexa elatva à foça de empuxo na pá do oto [N] t tempo [s] V volume [m³] V volume na condção ncal [m³] V g volume específco do gás [m³/kg] V & vazão volumétca de a que passa pelo conjunto ventlado [m³/s] ΔV volume de contole [m³] v componente total (valo médo + flutuante), otaconal e ncompessível do campo de velocdade xx [m/s] U p velocdade tangencal no dâmeto exteno do oto do ventlado [m/s] U veto velocdade total (méda + flutuante) local [m/s] U veto velocdade méda local [m/s] U a ampltude da velocdade de osclação da esfea [m/s] U s velocdade de fente de onda acústca [m/s] ΔU 1 vaação da velocdade ao longo da dstânca Δn 1 [m/s] u veto flutuação de velocdade local [m/s] u + escala de velocdade admensonal u * escala de velocdade [m/s] u a velocdade osclante adal em notação complexa [m/s] u velocdade adal de popagação da onda sonoa na dstânca adal [m/s] u f, velocdade do a exteo [m/s] u τ velocdade de atto (ou fcção) na camada lmte [m/s] W c potênca consumda pelo ventlado [W] X vaável genéca; coodenada genéca X(,θ) posção no campo afastado [m]

20 X x 1, x e x 3 otogonal xx valo de efeênca genéco valoes das odenadas efeentes aos exos de um sstema de coodenadas [m] x veto posção espacal foa da egão de fonte sonoa [m] y dstânca a pat da supefíce de não deslzamento, nomal a esta [m] y veto posção espacal dento da egão de fonte sonoa [m] y + Z z dstânca admensonal a pat de uma supefíce, nomal a esta fato de compessbldade vaável genéca Alfabeto Gego: α β, β 1, β β ' β * β ad χ, χ 1, χ δ j constante do modelo de tubulênca constante do modelo de tubulênca constante do modelo de tubulênca constante do modelo de tubulênca constante de ajuste do cálculo do temo de advecção constantes genécas delta de Konecke. δ j = 1 se = j e δ j = se j ε taxa de dsspação de enega cnétca tubulenta [J/(kg. s)] ou [m²/s³] Φ fluxo volumétco nstantâneo de fludo devdo à onda sonoa [m³/s] Φ onda sonoa Φ p uma fonte pontual Φ ms à onda sonoa epesentação complexa do fluxo volumétco nstantâneo de fludo devdo à [m³/s] ampltude do fluxo volumétco de fludo devdo à onda sonoa, povenente de [m³/s] valo da az méda quadátca do fluxo volumétco nstantâneo de fludo devdo [m³/s] φ potencal de velocdade otaconal [m²/s] φ a umdade elatva do a no momento do ensao φ M epesentação complexa do potencal de velocdade de um monopolo [m²/s] Γ peíodo de tempo [s] Γ k elação de vscosdades específco do modelo de tubulênca [Pa. s] Γ ε elação de vscosdades específco do modelo de tubulênca [Pa. s] Γ ω elação de vscosdades específco do modelo de tubulênca [Pa. s] γ coefcente de expansão adabátca

21 γ 1, γ constante do modelo de tubulênca η veto de efeênca do sstema de coodenadas em movmento [m] η t endmento total de um ventlado ϕ ângulo da posção do ouvnte em elação à fonte sonoa (ve Fgua.17) [ ] κ constante de von Kámán =,41 λ c compmento de onda [m] λ m hamônca de caegamento μ vscosdade dnâmca do fludo [Pa. s] μ vscosdade molecula de efeênca do fludo [Pa. s] μ eff vscosdade efetva [Pa. s] μ t vscosdade cnétca tubulenta do escoamento [Pa. s] ν vscosdade cnemátca [m²/s] Π potênca sonoa [W] Π ' potênca sonoa nstantânea [W] Π M potênca sonoa adada po um monopolo [W] Π D potênca sonoa adada po um dpolo [W] Π Q potênca sonoa adada po um quadupolo [W] Π ef potênca sonoa de efeênca = 1-1 W [W] θ ângulo da posção do ouvnte em elação à fonte sonoa (ve Fgua.17) [ ] ρ densdade total (méda + flutuante) local do fludo [kg/m³] ρ densdade méda local do fludo [kg/m³] ρ ' densdade flutuante local do fludo [kg/m³] σ k, σ k1, σ k constantes do modelo de tubulênca σ ε constante do modelo de tubulênca σ ω, σ ω1, σ ω constantes do modelo de tubulênca τ etado no tempo [s] τ j tenso tensão de csalhamento vscosa do fludo [Pa] τ w tensão de csalhamento do fludo na paede [Pa] ϖ campo de votcdade [ad/s] ϖ velocdade ou feqüênca angula [ad/s] ω taxa de dsspação de enega po undade de volume e tempo ou taxa de dsspação específca da enega cnétca tubulenta [s -1 ] xx

22 xx ω l pacela da taxa de dsspação específca da enega cnétca tubulenta efeente à camada logaítmca [s -1 ] ω s pacela da taxa de dsspação específca da enega cnétca tubulenta efeente à subcamada vscosa [s -1 ] ξ 1, ξ, ξ 3 valoes das odenadas efeentes aos exos de um sstema de coodenadas ntínsecas (não otogonal) de um elemento tetaédco [m] ψ [ψ] vaável genéca veto solução da esolução do sstema de equações do modelo numéco dscetzado ψ ψ op gadente da vaável consdeada vaável genéca efeencada ao nó stuado no lado oposto ao sentdo do escoamento ψ p vaável genéca efeencada ao ponto de ntegação ψ veto potencal de velocdade otaconal [m²/s] Índces: 1 efeente ao plano 1 de medção, mostado na Fgua efeente ao plano 3 de medção, mostado na Fgua 3.4 I efeente às vaáves (ou coefcentes) dos pontos do volume da malha mas gossa P c PN efeente ponto cental do volume de contole fomado pelos elementos da malha efeente ao ponto nodal do elemento consdeado númeo nteo de 1 a 3, coespondentes aos exos do sstema de coodenadas otogonal na notação tensoal; sufxo geal utlzado, tal que { N * } j númeo nteo de 1 a 3, coespondentes aos exos do sstema de coodenadas otogonal na notação tensoal; sufxo geal utlzado, tal que { j N * } k númeo nteo de 1 a 3, coespondentes aos exos do sstema de coodenadas otogonal na notação tensoal; sufxo geal utlzado, tal que { k N * } NB efeente às vaáves (ou coefcentes) dos pontos do volume consdeado que se conectam com os volumes vznhos paa a malha mas gossea no método Multgd nb efeente às vaáves (ou coefcentes) dos pontos do volume consdeado que se conectam com os volumes vznhos (neghbo) op p efeente nó oposto, no sentdo contáo ao escoamento efeente ao ponto de ntegação do elemento consdeado

23 xx Sobesctos: efeente ao passo de tempo anteo no pocesso teatvo n númeo do nó da malha de dscetzação do modelo numéco amb efeente ao ambente de medção

24 RESUMO xxv A tempeatua de motoes elétcos ndustas em funconamento é mantda em níves adequados atavés de um efcente sstema de esfamento que é composto bascamente pela supefíce de toca témca, gealmente aletada, e pelo sstema de ventlação. Além dsso, os níves de uído geados po tas máqunas não devem ultapassa os lmtes exgdos. Neste tabalho desenvolve-se uma metodologa de avalação do desempenho do sstema de ventlação exteno de um moto elétco autoventlado, quando detemnadas caacteístcas geométcas do oto deste sstema são alteadas. A metodologa desenvolvda combna a solução numéca do escoamento tubulento no sstema de ventlação com a medção de vaáves acústcas e do escoamento. A solução numéca vsa detemna o compotamento de vaáves globas que caactezam o sstema de ventlação, como a vazão volumétca e a potênca mecânca utlzada paa movmenta o fludo. Po sua vez, as medções expementas das vaáves globas que caactezam o ventlado paa dvesas fomas e númeos de pás do oto vsam valda o pocedmento numéco em algumas das faxas de opeação. As soluções numécas foam obtdas em egme pemanente utlzando o códgo computaconal comecal ANSYS CFX R11. com o modelo de tubulênca SST e tatamento automátco do escoamento póxmo a paede. Utlzando teoas de analoga acústca (Powell e Lowson) estmou-se os níves de uído sonoo. Toda a solução numéca ealzada neste tabalho é em egme pemanente utlzando o códgo computaconal comecal ANSYS CFX R11. com o modelo de tubulênca SST e tatamento automátco do escoamento póxmo a paede. A utlzação combnada das medções e da smulação pemtu exploa alguns compotamentos do sstema de ventlação, nclundo o teste de coelações dsponíves na lteatua baseadas em concetos de smladade, e pemtu elaboa conclusões sobe aspectos constutvos dos sstemas de ventlação extenos de motoes elétcos. Os esultados numécos obtdos epesentam qualtatvamente as medções e mostam o efeto das vaáves de pojeto analsadas no desempenho e uído dos sstemas de ventlação de motoes elétcos. A metodologa de análse desenvolvda apesenta-se pomssoa como feamenta paa o pojeto de podutos na áea de sstemas de ventlação de motoes elétcos. Palavas Chave: Motoes elétcos de ndução, ventladoes, aeoacústca, analoga acústca.

25 ABSTRACT xxv The tempeatue of ndustal electc motos n opeaton s usually mantaned n appopate levels usng an effcent and obust coolng system that s composed bascally by the suface of themal exchange and the ventlaton system. Moeove, the nose levels geneated by such machnes should not exceed the equed lmts. In ths wok, a methodology fo the evaluaton of the effcency of the system of extenal ventlaton of a self-ventlated electc moto s developed, and appled to evaluate the effects of modfcatons n few geometc chaactestcs of the oto. The methodology developed combnes the numec soluton of the tubulent flow n the ventlaton system wth the measuement of acoustc vaables and flow vaables. The numec soluton was used to detemne the behavo of global vaables that chaacteze the flow n the ventlaton system, as the volumetc flow ate and the mechancal powe to move the flud. The expemental measuements of the global vaables fo seveal confguatons of fan blades, ncludng dffeent foms and numbes of blades, wee used to valdate the numec pocedue fo a ange of opeaton paametes. The numec solutons ae steady state obtaned usng the commecal numecal code ANSYS CFX R11. wth the SST tubulence model n combnaton wth the automatc wall teatment. Usng acoustc analogy theoes (Powell and Lowson) the levels of sound nose wee also estmated. The combned use of measuements and smulaton allows explong some behavos of the ventlaton system, ncludng testng of the few avalable coelatons n lteatue that ae based on fan smlaty laws. The numec esults obtaned epesent qualtatvely the measuements and conclusons elated to the effect of geometc chaactestcs of the extenal ventlaton system n the coolng effcency and flow geneated nose n electc motos ae dawn. The numecal/expemental methodology of analyss developed s found to be a useful tool fo the desgn of poducts n the aea of ventlaton systems fo electc motos. Keywods: Electc nducton motos, fans, aeoacoustc, acoustc analogy.

26 CAPÍTULO 1 1 INTRODUÇÃO 1.1 Vsão geal dos motoes elétcos. O moto elétco é uma máquna que tansfoma potênca elétca em potênca mecânca, gealmente dsponblzada num exo em otação. Pode-se afma, em vtude da gande vaedade de aplcações, que o moto elétco é a máquna mas lagamente utlzada na ndústa, no meo ual, no coméco e nas esdêncas paa geação de potênca mecânca e sto se deve, bascamente, à facldade em dspo de nstalações que foneçam potênca elétca, como fonte de enega, no mundo atual 1. Tas motoes são fabcados desde potêncas de alguns watts, até potêncas de mlhaes de qulowatts. Suas caacteístcas opeaconas atendem aos mas vaados tpos de cagas, aladas a um alto endmento na convesão de potênca elétca em mecânca. A nstalação e manutenção são azoavelmente smples e, a menos de aplcações de gande pote, o tenamento paa opeação é elatvamente fácl. Sob o ponto de vsta econômco, são em geal mbatíves fente a quasque outos tpos de motoes. Estma-se que mas de 4% de toda a potênca elétca consumda no país é destnada ao aconamento de motoes elétcos em geal. No seto ndustal como um todo, pouco mas da metade da potênca elétca é consumda po motoes (Flppo, ). Exstem dvesos tpos de motoes elétcos, os quas são dvddos em tês gandes famílas. A pmea é a famíla dos motoes aconados po coente contínua (motoes CC), a segunda é a dos motoes aconados po coente altenada (motoes CA) e, po últmo se tem a famíla dos motoes unvesas, que podem se aconados tanto po coente contínua, como po coente altenada. Na Fgua 1.1, mosta-se um dagama smplfcado do unveso tecnológco de motoes elétcos é mostado, no qual se obtém uma noção da ampla vaedade de pojetos elétcos nas tês famílas ctadas acma, aplcando-se os mas dvesos pncípos de convesão de enega eletomagnétca em potênca mecânca. O pesente tabalho tataá do moto de ndução, aconado po coente altenada tfásca, com oto de gaola e de otação assíncona, mas comumente conhecdo como 1 Deve-se essalta aqu que a dsponbldade de enega elétca no mundo a que está se efendo no texto é sobe as tecnologas de dstbução e nstalação exstentes, e não efeente à quantdade de enega dsponível paa sup a demanda cescente. Esta sm é uma das maoes poblemátcas no mundo modeno.

27 1. Intodução moto de ndução tfásco com oto de gaola. Deste ponto em dante, tal moto seá denomnado tão somente de moto de ndução tfásco. O moto de ndução tfásco é o moto de coente altenada mas comum e de mas smples e obusta constução. Também, esta defnção é uma conseqüênca da caacteístca básca destes motoes de que a coente no oto não povém detamente de uma fonte de almentação, mas é nduzda nele pelo movmento elatvo dos condutoes do oto e do campo gante poduzdo pelas coentes elétcas no estato. SPLIT-PHASE CAPACITOR DE PARTIDA GAIOLA DE ESQUILO CAPACITOR PERMANENTE PÓLOS SOMBREADOS ASSÍNCRONO CAPACITOR DOIS VALORES MONOFÁSICO ROTOR BOBINADO ROTOR MAÇIÇO REPULSÃO HISTERESE SÍNCRONO RELUTÂNCIA IMÃS PERMANENTES MOTOR CA LINEAR INDUÇÃO IMÃS PERMANENTES ASSÍNCRONO ROTOR DE GAIOLA ROTOR BOBINADO TRIFÁSICO IMÃS PERMANENTES UNIVERSAL SÍNCRONO RELUTÂNCIA PÓLOS LISOS PÓLOS SALIENTES EXCITAÇÃO SÉRIE EXCITAÇÃO INDEPENDENTE MOTOR CC EXCITAÇÃO COMPOUND IMÃS PERMANENTES EXCITAÇÃO PARALELA Fgua 1.1 Dagama do unveso tecnológco de motoes elétcos. No dagama, essalta-se o tpo de moto analsado neste tabalho.

28 1. Intodução 3 Além do pncípo de funconamento, o moto elétco é também classfcado segundo a sua classe de solamento, ao seu códgo de poteção e o método de esfamento, confome evsado a segu Classe de solamento. A classe de solamento, ndcada po uma leta nomalzada, dentfca o tpo de mateas solantes empegados no solamento do moto. As classes de solamento são defndas pelo espectvo lmte de tempeatua, mostadas na Fgua 1., de acodo com a NBR 794:3. Assm, esta noma defne a tempeatua máxma toleada no enolamento do moto, admtndo uma tempeatua ambente máxma de 4 C (paa uma alttude de tabalho de até 1 m), paa cada classe de solamento. Fgua 1. Tempeatuas lmtes paa cada classe de solamento, confome NBR 794:3. Po exemplo, paa um moto classe B, a elevação de tempeatua méda não deve ultapassa 8 C, defnda pelo método da esstênca, que consste em detemna a tempeatua méda do enolamento do estato atavés da vaação de sua esstênca ôhmca com a tempeatua. O ponto quente deste enolamento, com a mao tempeatua, não deve ultapassa uma tempeatua supeo a 1 C da tempeatua méda. Assm, somando-se todos os valoes máxmos à tempeatua ambente padão, o valo lmte paa esta classe de solamento é, então, 13 C Códgo de poteção. O códgo de poteção é um códgo padonzado, fomado pelas letas IP (Intenatonal Potecton) segudas de até quato algasmos ou letas, que defne o tpo de poteção do moto conta o acesso às pates pegosas, ngesso de objetos sóldos estanhos, penetação de

29 1. Intodução 4 água e nfomações adconas da poteção especfcada. A Fgua 1.3 apesenta a convenção usada paa o códgo de poteção. IP 3 C H Letas do códgo (Intenatonal Potecton) Pmeo numeal caacteístco (Numeas de a 6, ou leta X) Segundo numeal caacteístco (Numeas de a 8, ou leta X) Leta adconal (opconal) (Letas A, B, C, D) Leta suplementa (opconal) (Letas H, M, S, W) Fgua 1.3 Convenção utlzada paa o códgo de poteção, confome NBR IEC 659:5. A Tabela 1.1 apesenta os gaus de poteção mas comuns, confome a noma NBR IEC 659:5. Tabela 1.1 Descção dos códgos de poteção mas comuns em motoes elétcos. Em negto, essalta-se o códgo IP55 efeente ao moto estudado neste tabalho. 1 numeal caacteístco numeal caacteístco Motoes Abetos Motoes Fechados Gau de Poteção Conta a penetação de Conta o acesso às objetos sóldos estanhos pates pegosas Poteção conta água IP não potegdo não potegdo não potegdo IP1 gotejamento vetcal com o dedo gotejamento com uma nclnação de IP (Ø 1, mm 1,5 mm de dâmeto até 15 com a vetcal com 8, mm de aspesão com uma nclnação de até IP3 compmento) 6 com a vetcal IP44 1, mm de dâmeto com um fo (Ø 1, mm) espngos de todas as deções IP55 potegdo conta poea com um fo (Ø 1, mm) jatos de água em todas as deções Método de esfamento. O método de esfamento de um moto elétco é defndo po um códgo padonzado composto pelas letas IC (Intenatonal Coolng) segudas po um gupo de uma leta maúscula e dos algasmos caacteístcos, paa cada ccuto de esfamento. A leta maúscula desgna o meo efgeante, o pmeo algasmo caacteístco desgna o modo pelo qual o meo efgeante ccula e eta o calo, po fm, o segundo algasmo desgna o modo de supmento de enega paa a cculação do meo efgeante. A Fgua 1.4 apesenta a convenção utlzada paa o método de esfamento, segundo a NBR 511:1981.

30 1. Intodução 5 IC W 3 7 A 8 1 Letas do códgo (Intenatonal Coolng) Meo efgetante Secundáo (Letas A, H, N, C, W, U, ou o nome po extenso) * Pmeo numeal caacteístco - Secundáo (Numeas de a 9) Segundo numeal caacteístco - Secundáo (Numeas de a 8) Meo efgetante Pmáo (Letas A, H, N, C, W, U, ou o nome po extenso) * Pmeo numeal caacteístco - Pmáo (Numeas de a 9) Segundo numeal caacteístco - Pmáo (Numeas de a 8) * Caso o meo efgeante em ambos os ccutos de esfamento seja o a (leta A), pode-se omt a leta. Fgua 1.4 Convenção utlzada paa o códgo do método de esfamento, confome NBR 511:1981. No caso de uma máquna com mas de um ccuto de esfamento, como é o caso do moto elétco em análse, o pmeo gupo fomado po uma leta e dos algasmos é elatvo ao ccuto que se acha à tempeatua mas baxa (ccuto de esfamento secundáo). Já o segundo gupo fomado po uma leta e dos algasmos é elatvo ao ccuto que se acha à tempeatua mas elevada (ccuto de esfamento pmáo).

31 1. Intodução 6 Tabela 1. Descção dos códgos efeentes aos métodos de esfamento mas comuns em motoes elétcos. Em negto, essalta-se o códgo IC 1 41 efeente ao moto estudado neste tabalho. Sgnfcado do códgo IC Moto Abeto Motoes Fechados Códgo IC IC 1 ou IC 1 IC 4 ou IC 4 IC 1 41 IC 6 41 Ccuto de esfamento secundáo** O meo efgeante ccula lvemente pelo lado exteno da máquna () e po lve convecção, sem ventlado exteno () O meo efgeante ccula lvemente pelo lado exteno da máquna () e po lve convecção, sem ventlado exteno () O meo efgeante ccula lvemente pelas pates extenas da máquna fechada () e po autocculação, pela ação do ventlado exteno montado no exo (1) O meo efgeante ccula lvemente pelas pates extenas da máquna fechada () e po cculação po meo de dspostvo ndependente montado na máquna (6) Ccuto de esfamento pmáo** O meo efgeante ccula lvemente pelas pates ntenas da máquna abeta () e po autocculação, pela ação do ventlado nteno ou aletas do oto (1) A máquna é esfada atavés da supefíce do seu nvóluco (4) e po lve convecção, sem ventlado nteno () A máquna é esfada atavés da supefíce do seu nvóluco (4) e po autocculação, pela ação do ventlado nteno ou aletas do oto (1) A máquna é esfada atavés da supefíce do seu nvóluco (4) e po autocculação, pela ação do ventlado nteno ou aletas do oto (1) Desenho esquemátco ** Consdeou-se como meo efgeante em todos os ccutos de esfamento o a, potanto omtam-se as letas de dentfcação do meo efgeante, como pevsto pela noma.

32 1. Intodução 7 1. Objeto de estudo. A análse desenvolvda no pesente tabalho é efeente ao sstema de ventlação de um moto de ndução tfásco 5 S/M, foma constutva B3 3. Tal moto também apesenta uma classe de solamento F, códgo de poteção IP55 e códgo do método de esfamento IC De foma smplfcada, este moto seá denomnado de moto de ndução fechado autoventlado. Na Fgua 1.5 mosta-se o conjunto montado do moto analsado, com a ndcação das dmensões pncpas em mlímetos. Fgua 1.5 Conjunto montado de um moto 5 S/M fechado autoventlado. Na Fgua 1.6, mosta-se a nomenclatua dos pncpas componentes de um moto fechado autoventlado. A especfcação 5 S/M coesponde a um moto elétco com a lnha de cento do exo do moto stuado a 5 mm da base deste moto e com fuação dos pés paa a fxação segundo dos conjuntos de dmensões especfcados pelas letas S e M, confome a noma NBR 543: A foma constutva B3 é efeente à fxação do moto elétco pelos pés, com o exo na hozontal, confome a noma NBR 531:1977.

33 1. Intodução 8 Fgua 1.6 Pncpas componentes de um moto fechado autoventlado. A segu, na Fgua 1.7, mosta-se os componentes e nomenclatua das pncpas dmensões e egões do sstema de ventlação do moto em questão. Fgua 1.7 Pncpas componentes do sstema de ventlação de um moto elétco autoventlado.

34 1. Intodução 9 Tal sstema de ventlação pode se classfcado, segundo o escoamento, como uma máquna de fluxo msto ou dagonal, com um oto de pás etas. A mposção de pojeto no uso de pás etas, ao nvés do uso de pás cuvas ou de ventladoes axas, mas efcentes e menos udosos, vem do fato de que o sstema ventlado deve apesenta a mesma efcênca paa ambos os sentdos de otação, pos exstem mutas aplcações onde há evesão de sentdo de go duante o egme de tabalho, ou seja, o sstema de ventlação deve se evesível. Este equsto mpõe a mas séa estção ao pojeto destes sstemas, e dfeenca este ventlado da maoa dos ventladoes estudados em outos tabalhos dsponíves na lteatua. Isto acaeta na necessdade de desenvolve coelações e metodologas específcas de pojeto e consttu-se na pncpal motvação deste tabalho. Esta e outas motvações são desctas em detalhe a segu. 1.3 Motvação do tabalho. O moto elétco cuja função é tansfoma potênca elétca em potênca mecânca, ao faze tal tansfomação, além de entega potênca útl na ponta do exo, gea enega témca devdo às convesões de enega eletomagnétcas e mecâncas em enega témca (pedas). A geação de enega témca a pat da convesão de enega eletomagnétca é pedomnantemente devdo ao chamado efeto Joule (ou pedas ôhmcas) que é decoente da passagem de coente elétca em um conduto. Pela le de Ampèe, sabe-se que exste sempe um campo magnétco acoplado a uma coente elétca passando po um conduto. Assm, a coente elétca pesente no enolamento do estato do moto elétco, além de poduz enega témca no pópo enolamento atavés do efeto Joule, tem como pncpal função, devdo à almentação po coente altenada, poduz um campo magnétco gante. Este campo magnétco nduz um fluxo de coente elétca nas baas do oto e este fluxo nduzdo também gea enega témca pelo efeto Joule. Poém, a pncpal função da coente nduzda no oto é poduz o seu pópo campo magnétco que, po sua vez, nteage com o campo magnétco gante do estato, poduzndo toque no exo do moto elétco. Esta nteação ente fluxos de coente e campos magnétcos nduz fluxos de coente na lga magnétca que compõe os pacotes de chapas, tanto no pacote do estato como no pacote do oto, geando assm mas enega témca po efeto Joule. Tas geações são chamadas pedas no feo. A geação de enega témca a pat da convesão de enega mecânca deve-se ao atto nas ntefaces sóldo-sóldo e sóldo-fludo. No moto elétco esta convesão ocoe pncpalmente nos mancas de olamento e também pelo atto vscoso com o a nos sstemas

35 1. Intodução 1 de ventlação nteno e exteno. A enega témca geada pelo atto vscoso depende detamente da vscosdade do fludo e dos gadentes de velocdade exstentes no fludo em escoamento. Obseva-se que as pedas po efeto Joule nos condutoes ou no feo do estato e do oto são ognadas po um campo de densdade de fluxo de coente tdmensonal e vaável no tempo. Anda, a esstvdade elétca nos condutoes e a esstvdade elétca nos contatos ente chapas e demas componentes, além de se de dfícl quantfcação, também vaa localmente com a tempeatua. Mesmo os modelos tdmensonas tansentes que smulam a dstbução de campo elétco e campo magnétco nos componentes do moto apesentam smplfcações geométcas, em temos de popedades e também fenomenológcas. Acescente-se a sto as dfculdades expementas de medção de pedas em olamentos, oto e outos. Assm, é extemamente dfícl quantfca todas as pacelas de geação de enega témca. Potanto, classfcam-se como pedas suplementaes todas as pedas que são de dfícl quantfcação, teóca ou expemental, mas que, no entanto, estão pesentes a fm de que o pncípo da consevação de enega no moto seja satsfeto (dfeença ente a potênca elétca fonecda ao moto e a potênca esultante no exo de saída). Na Fgua 1.8, como lustação, apesenta-se uma dstbução das pedas anteomente desctas e os espectvos locas onde estas ocoem, segundo Cezáo et al. (5). Os valoes apesentados estão em uma escala elatva ao total de pedas do moto. Fgua 1.8 Dstbução das pedas em um moto elétco típco e suas espectvas localzações (Cezáo et al., 5). Nota-se que a nceteza na detemnação das pedas no moto, ou seja, as pedas suplementaes, neste exemplo, atngem ceca de % das pedas totas.

36 1. Intodução 11 A enega témca geada afeta pncpalmente o sstema de solação elétco e, conseqüentemente, a vda útl do moto elétco. Segundo Chen et al. (3) e WEG (5), uma edução de 8 C a 1 C pode doba a vda útl do sstema de solação elétco, em condções nomas de funconamento do moto elétco. A vda útl da solação efee-se ao envelhecmento gadual, ou degadação, do polímeo que foma o solante. Este va pogessvamente deteoando, confendo-lhe um aspecto essecado, até o ponto de não supota mas a dfeença de tensão aplcada e pemt o cuto-ccuto. Assm, quanto mas altas as tempeatuas de opeação, mesmo que estas estejam abaxo do lmte da classe de solamento do moto, mas ápdo é o envelhecmento. Além do poblema do aquecmento no sstema de solação, tem-se, o aquecmento dos mancas, pncpalmente o danteo. Isto acaeta uma sensível edução do peíodo de elubfcação, ou até mesmo, a mpossbldade da opeação do moto po um peíodo de tempo elevado quando a tempeatua de tabalho do mancal fo muto supeo ao ecomendado. Na Fgua 1.9, apesenta-se um esquema da dstbução de tempeatua em uma seção tansvesal de um moto elétco de ndução fechado autoventlado. Incando pelo estato, tem-se que a enega témca geada no enolamento (ponto A) é tansmtda po condução até a supefíce da anhua do estato, onde, devdo à esstênca témca de contato ente o solamento e a chapa do estato, ocoe uma queda elevada na tempeatua (ponto B). A segu, o calo é tansmtdo po condução pelo mateal das chapas do estato até o ponto de contato com a cacaça (ponto C). Obseva-se que neste tajeto há ceta geação de enega témca devdo às pedas no feo e às pedas suplementaes nas chapas do estato. Na nteface com a cacaça (ponto C), novamente, devdo à esstênca témca de contato ente as chapas do estato e a supefíce ntena da cacaça, ocoe uma queda na tempeatua. Po fm, o calo é tansmtdo no nteo do mateal da cacaça po condução e dexa o moto na supefíce extena po convecção supefcal e po adação, sendo dsspado paa o ambente (ponto D).

37 1. Intodução 1 Fgua 1.9 Esquema da dstbução de tempeatua em um moto elétco de ndução em opeação nomal. De foma semelhante ao estato, exste geação de enega témca po efeto Joule nas baas da gaola do oto (ponto L). Nomalmente, este é o ponto mas quente em um moto elétco em opeação. A enega témca geada é tansmtda até a supefíce da anhua do oto po condução de calo, onde ocoe uma queda na tempeatua devdo à esstênca témca de contato ente as baas da gaola e as chapas do oto (ponto M). O calo que dexa as baas da gaola é tansmtdo po condução atavés das chapas do oto, tanto em deção ao exo, como em deção ao entefeo. Nas chapas do oto também exste geação de enega témca devdo a pedas no feo e pedas suplementaes. No contato com o exo do moto (ponto N) obseva-se uma queda na tempeatua, devdo à esstênca témca de contato. O calo então é tansmtdo po condução ao longo do exo que o dsspa posteomente po convecção supefcal, adação e, eventualmente, po condução dependendo do acoplamento utlzando na aplcação. No ponto K, ou seja, no entefeo, ocoe tansfeênca de calo po convecção supefcal e po adação ente o oto e o estato da máquna. Na Fgua 1.1, dentfca-se as fontes de calo no moto e os mecansmos de tansmssão de calo paa o ambente nteno e exteno ao moto elétco de ndução fechado autoventlado.

38 1. Intodução 13 * Regões da Cacaça e do Exo, ntenas do moto, que não estão em contato deto com as chapas do estato e oto. Fgua 1.1 Esquema epesentando os mecansmos de geação de enega témca e de tansmssão de calo em um moto elétco fechado. S & 1 Nesta fgua, é a enega témca geada no enolamento, é a enega témca S & 3 4 geada nas baas do oto, a enega témca geada nas chapas do estato, é a enega témca geada nas chapas do oto, u f, é a velocdade do a exteo e T f, a tempeatua do a exteo. Anda, q k epesenta a taxa de tansfeênca de calo po condução, q u é a taxa de tansfeênca de calo po convecção e q é a taxa de tansfeênca de calo po adação. A espessua das setas é ndcatva da magntude elatva das taxas de tansfeênca de calo. As pncpas fomas de eduz os efetos da geação de enega témca (pedas) sobe a vda útl do moto elétco são: dmnu a geação de enega témca (dmnu as pedas), desenvolve mateas do sstema de solação elétca mas estáves às condções de tempeatua exgdas pelas dvesas aplcações, e melhoa o sstema de esfamento do moto elétco. A altenatva de edução das pedas no moto está mas detamente assocada ao pojeto eletomagnétco, onde são defndos os enolamentos, fomas das anhuas do estato e do oto, mateal das chapas e outos. No entanto, tal altenatva está detamente atelada à efcênca elétca do moto e aos seus componentes de mao custo, tonando dfícl atng um compomsso acetável do ponto de vsta témco. Uma exceção é a edução de uma S & S &

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