INFLUÊNCIA DA GEOMETRIA DO ROTOR NO TORQUE DE UM MOTOR SÍNCRONO SUPERCONDUTOR

Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA 2012. INFLUÊNCIA DA GEOMETRIA DO ROTOR NO TORQUE DE UM MOTOR SÍNCRONO SUPERCONDUTOR 1 VAGNER S. CRUZ, 2DANIEL H. N. DIAS, 1ÂNTONIO C. FERREIRA, 1RUBENS DE ANDRADE JR. 1 Laboratório de Aplicações de Supercondutores, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Rio de Janeiro Ilha do Fundão,CEP: 21945-970, Caixa Postal:68515, Rio de Janeiro RJ 2 Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal Fluminense Rua Passo da Pátria, 156, Bl. D, CEP: 24210-340, Niterói RJ E-mails: vagnerscruz@gmail.com, ddias@coe.ufrj.br, ferreira@ufrj.br, randrade@dee.ufrj.br Abstract In order to make comparisons between conventional and superconducting motors, it is used in this work a commercial program, performing simulations where it is possible to calculate the field, torque, among other quantities by finite element method. The high currents produced in the superconducting tapes generate high field, increasing the power and torque, and providing other benefits such as reduced weight and volume, due to the replacement of the steel core by an air core. Due to the absence of ferromagnetic material is possible to alter the geometry of the superconducting motor, which significantly influences the response of torque, even with no change in the volume and density of current of the superconducting windings. Keywords Superconducting synchronous motor, finite elements, air-core, superconducting windings. Resumo Com o objetivo de fazer comparações entre motores convencionais e supercondutores, é utilizado neste trabalho um programa comercial, realizando-se simulações onde é possível calcular campo, torque dentre outras grandezas através do método dos elementos finitos. As altas correntes produzidas nas fitas supercondutoras geram campos elevados, aumentando a potência e torque do motor, e trazendo outros benefícios como redução de peso e volume, por conta da substituição do núcleo de aço por núcleo de ar. Por conta da ausência do material ferromagnético é possível fazer modificações na geometria do motor supercondutor, que influência de forma significativa a resposta de torque, mesmo não havendo modificação no volume e na densidade de corrente dos enrolamentos supercondutores. Palavras-chave Motor síncrono supercondutor, Elementos finitos, núcleo de ar, enrolamentos supercondutores. 1 Introdução A principal vantagem do uso de materiais supercondutores é a elevada densidade de corrente de trabalho dos fios e fitas feitos com estes materiais. Esta densidade de corrente pode ser da ordem de 1010A/m2, tornando possível a redução de peso e volume de um motor supercondutor quando comparado com um motor convencional. A redução de volume e peso são os fatores críticos em aplicações como transportes marítimos e aéreos, pois além do ganho em espaço de armazenamento de materiais e acomodação de passageiros, o peso influência na estabilidade destes navios e aviões. Neste artigo são realizadas simulações comparativas entre máquinas síncronas supercondutoras e convencionais com o objetivo de definir qual configuração apresenta o maior valor de torque para um mesmo volume de condutores no enrolamento de campo. Para isso será utilizado um modelo de máquina convencional e a partir deste serão derivados os modelos de motores supercondutores. A análise será efetuada utilizando um programa comercial baseado no método dos elementos finitos (Ansoft Maxwell 2D user guide, 2005). A comparação entre as diversas topologias analisadas será baseada nos valores de conjugados eletromagnéticos obtidos. O trabalho focará em um motor síncrono trifásico, que se mostra vantajoso quando o objetivo é a redução de peso e volume do motor (V. Dombrovski et al., 2005). Serão feitas comparações com resultados experimentais de um motor construído pela marinha norte-americana, para verificar a validade das simulações realizadas (Elizabeth, 1994). Está planejada a construção de um protótipo de motor supercondutor no LASUP sendo que este trabalho é a etapa inicial deste projeto e a aquisição de resultados experimentais deverá ser realizada em um momento posterior após a construção do protótipo. 2 Topologias de máquinas De forma a permitir uma análise das topologias propostas, adotou-se como valores de referência aqueles obtidos em um motor de construção convencional, cujos principais dados construtivos e características operacionais são apresentados na Tabela 1. A partir deste projeto inicial, foram simuladas algumas variações na construção do rotor, analisando o seu efeito no conjugado eletromagnético. Conforme será apresentado adiante as características geométricas podem influenciar de maneira significativa na resposta de torque do motor e no seu rendimento, podendo alcançar valores até duas vezes maiores. 1791

Tabela 1. Principais características do motor Convencional. Dados gerais Número de polos 6 Tensão 400 V Velocidade de referência 1000 Potência 538 KW Rotor Estator Diâmetro externo 736.6mm Diâmetro interno 558.8mm Comprimento do núcleo 395 mm Material M19_24G Numero de ranhuras 72 rpm Diâmetro externo 551.7mm Diâmetro interno 160 mm Comprimento do núcleo 395 mm Material steel_1008 Condutores por pólo 380 A Figura 1 apresenta 1/6 da seção em corte transversal do motor estudado. Em virtude da simetria do motor as simulações podem ser realizadas apenas nesta seção. A geometria dos enrolamentos do rotor é modificada em cada etapa para identificar qual opção, com enrolamentos supercondutores, apresenta o maior torque. Neste trabalho, para os motores supercondutores é utilizada a densidade crítica de corrente de engenharia de 10 8 A/m 2, nos enrolamentos do rotor. As fitas supercondutoras de segunda geração podem transportar uma corrente até 100 vezes maiores que um condutor de cobre com dimensões similares (American Superconductor, 2012). Para o motor convencional, é utilizado um valor de densidade de corrente de 10 6 A/m 2 nos enrolamentos do rotor. Essa densidade de corrente, também é utilizada como limite máximo nos enrolamentos do estator em ambos os casos. Considera-se que o motor supercondutor tem fitas supercondutoras apenas no rotor, o estator tem enrolamentos de cobre (Y.K. Kwon et al., 2007). 3 Resultados Nesta seção são apresentados os diversos tipos de motores simulados, mostrando o seu aspecto geométrico e o torque que cada configuração apresenta. 3.1 Motor tipo I Em todas as simulações apresentadas, seja de motores convencionais ou motores supercondutores, a alimentação dos enrolamentos do estator (armadura) é feita por tensão alternada trifásica e nos enrolamentos do rotor (campo) é feita por imposição de corrente. A forma e tamanho dos enrolamentos do estator, não são modificados durante as simulações. A Figura 2 mostra as linhas de fluxo magnético no motor com enrolamentos convencionais no rotor, ou seja, com densidade de corrente de 10 6 A/m 2. Os núcleos são de aço tanto no estator quanto no rotor. A curva de torque em função do tempo é mostrada na Figura 3. É possível verificar que o valor do torque em regime permanente é de aproximadamente 3 knm para o motor convencional. Figura 1 Seção com 1/6 do corte transversal do motor mostrando a malha triangular utilizada nas simulações. Figura 2 Linhas de densidade de fluxo para o motor tipo I. Figura 3 Torque em função do tempo para o motor tipo I. É possível visualizar os valores da densidade de fluxo B para o motor convencional na Figura 4. 1792

6, o que representa um valor cerca de 8 vezes maior que o torque do motor tipo I, o qual possui enrolamentos convencionais. Figura 4 Densidade de fluxo B para o motor tipo I. 3.2 Motor tipo II O próximo passo é verificar o comportamento das linhas de fluxo e do torque no caso em que temos os enrolamentos do rotor supercondutores, ou seja, com densidade de corrente de 10 8 A/m 2, Figuras 5 e 6. Figura 7 Densidade de fluxo B para o motor tipo II. Para uma analise mais detalhada são apresentados na Figura 7 os valores de B no núcleo de aço do rotor, que apresenta grande saturação. 3.3 Motor tipo III Nesta etapa, é interessante investigar o valor do torque quando o material dos núcleos do rotor e estator são modificados de aço para ar, a fim de verificar se é vantajoso manter o material ferromagnético no motor. Na Figura 8 é mostrado um rotor com a mesma configuração geométrica anterior considerando que seus enrolamentos são do tipo supercondutor, com núcleos de ar tanto no rotor quanto no estator. Figura 5 Linhas de densidade de fluxo para o motor tipo II. Figura 6 Torque em função do tempo para o motor tipo II. Pode-se notar que, utilizando enrolamentos supercondutores no rotor o torque em regime permanente é de 24 knm, conforme apresentado na Figura Figura 8 Linhas de densidade de fluxo para o motor tipo III. Na Figura 9 o valor do torque deste motor é de cerca de 27,5 knm, muito parecido com o torque do 1793

motor tipo II, o que mostra que a utilização do aço na construção de um motor supercondutor síncrono, representa um desperdício de material, além de aumentar o peso e o volume de forma desnecessária. Figura 9 Torque em função do tempo para o motor tipo III. Porém, quando são utilizados enrolamentos convencionais no rotor não é vantajosa a retirada do material ferromagnético, pois do contrário haveria uma redução significativa no valor do torque conforme apresentado na Figura 10. Verifica-se uma diminuição que representa 1/10 do valor referido ao motor tipo I, que obviamente é um resultado esperado. Figura 11 Linhas de fluxo para o motor tipo IV. Figura 12 Torque em função do tempo para o motor tipo IV. 3.5 Motor tipo V Figura 10 Torque em função do tempo para o motor tipo III com enrolamentos do rotor convencionais. 3.4 Motor tipo IV O próximo passo é verificar a influência no valor do torque quando os enrolamentos do rotor são aproximados dos enrolamentos do estator conforme apresentado na Figura 13. Tendo em vista que o rotor já não apresenta mais um material ferromagnético para guiar o fluxo magnético produzido, deve-se pensar em outra disposição para os enrolamentos do rotor. Assim, desta etapa em diante, serão testadas diferentes formas geométricas para estas bobinas supercondutoras, com densidade de corrente de 10 8 A/m 2. As áreas dos enrolamentos foram mantidas as mais próximas possíveis do valor do motor convencional, para que fossem mais fieis as comparações entre os motores. Em um primeiro momento os enrolamentos do rotor serão posicionados afastados dos enrolamentos do estator, em seguida serão aproximados. A Figura 11 apresenta as linhas de fluxo magnético para o motor supercondutor com a configuração de enrolamentos estreitos e afastados do estator. Os resultados coletados na simulação mostram que o torque apresentado tem um valor médio em torno de 8,4 knm, conforme apresentado na Figura 12. Figura 13 Linhas de fluxo para o motor tipo V. 1794

Pode-se notar que o valor do torque em regime permanente, Figura 14, é de aproximadamente 16 knm, que corresponde a um valor quase duas vezes maior que o motor apresentado na Figura 10. Como o enrolamento de campo está no ar, quanto mais próximo do estator, maior será o fluxo concatenado com ele, sendo interessante continuar a investigar outras configurações. Figura 16 Torque em função do tempo para o motor tipo VI. 3.7 Motor tipo VII Figura 14 Torque em função do tempo para o motor tipo V. 3.6 Motor tipo VI Como vimos na configuração apresentada no motor tipo V da Figura 13, à medida que aproximamos os enrolamentos do rotor e do estator, maior é o torque. Por isso, não é mais necessário simular formas geométricas onde estes enrolamentos estão afastados. Na próxima simulação será apresentada uma configuração geométrica com os enrolamentos do rotor assumindo uma forma mais quadrada, que será chamado de motor supercondutor com enrolamentos intermediários, mostrado na Figura 15. Na Figura 16 é mostrado o valor do torque para o motor com esta geometria apresentada, aproximadamente 25 knm. Após simular três motores com geometrias distintas, com valores de torque diferentes, percebe-se que a forma dos enrolamentos pode modificar o desempenho do motor. Lembrando que foi mantida a mesma densidade de corrente e a mesma área para os enrolamentos do rotor. Esta configuração estudada apresenta um motor supercondutor com enrolamentos mais largos. Novamente a simulação é realizada para identificar a influência das formas geométricas dos enrolamentos do rotor no valor do torque. Este motor é apresentado na Figura 17. A Figura 18 mostra um torque de 33 knm, para o rotor com a forma geométrica apresentada, dando indícios de que esta é a melhor geometria dentre as que foram simuladas neste trabalho. Esta escolha implica em um aumento de aproximadamente 10 vezes o torque em relação ao motor do tipo I, portanto observando a relação torque/volume deste motor, nota-se que este apresenta maiores vantagens. Figura 17 Linhas de fluxo para o motor tipo VII. Figura 15 Linhas de fluxo para o motor tipo VI. Figura 18 Torque em função do tempo para o motor tipo VII. 1795

3.8 Motor tipo VIII Nesta última etapa será utilizada a configuração do motor apresentado na Figura 19, pois este apresenta o maior valor de torque. O objetivo é encontrar o volume de um motor com esta geometria, que proporcione um torque de saída aproximadamente igual à máquina convencional apresentada na Figura 2. Dessa forma, pode-se determinar qual é, aproximadamente, a redução real de volume da máquina. Considerando que o motor convencional retornou um torque de 3,5 knm, a partir disso com base na tentativa e erro foi sendo reduzido o volume do motor tipo VII da Figura 17, até encontrar um valor de torque similar conforme apresentado na Figura 20. O motor apresentado na Figura 19 possui um volume de cerca de 0,0115 m 3, enquanto que o motor convencional com aço possui um volume de 0,1683m 3 que corresponde a uma redução de 93 % no volume, para gerar o mesmo torque em torno de 3.5 knm, conforme visto na Figura 20. Porém, não foi levado em conta o volume ocupado pelo sistema de refrigeração o que só poderá ser calculado no projeto final da máquina, não sendo possível estimar somente com a simulação. Ao comparar os resultados obtidos de motor supercondutor que construído pela marinha americana (Elizabeth, 1994), é possível verificar que os valores simulados são bastante razoáveis, pois mesmo levando em consideração todo o aparato relativo à parte criogênica, a redução de volume deste motor supercondutor gira em torno de 85 %. 4 Conclusões Os resultados das simulações demonstram que a geometria utilizada na Figura 17 é a mais vantajosa, pois apresenta o maior torque entre todas as geometrias testadas. Nota-se também que quanto mais próximos os enrolamentos do rotor e do estator melhores são os resultados, pois, na ausência do material ferromagnético, essa disposição minimiza a dispersão de fluxo magnético. Além disso, é possível perceber que a forma geométrica é um fator que pode influenciar de forma significativa o valor do torque, conforme pode ser visto desde o motor tipo V até o motor tipo VII. Isto fica bem visível quanto comparamos o motor da Figura 13 com o motor da Figura 17. A proximidade entre os enrolamentos do rotor de uma fase para outra vizinha, como por exemplo, a geometria da Figura 11, parece não ser importante no resultado final. Os resultados apresentados neste trabalho se mostraram satisfatórios, pois comparados com projetos de motores reais os dados obtidos se mostraram bastante parecidos e coerentes (B. Gamble et al., 2011). Agradecimentos O nosso agradecimento ao CNPq e CAPES, por financiarem parcialmente esta pesquisa. Referências Bibliográficas Figura 19 Motor supercondutor tipo VIII. AmericanSuperconductor(AMSC). Disponível em <http://www.amsc.com/documents/copperlaminated-amperium153-wire-data-sheet>. Acesso em 20 de março de 2012. Ansoft Maxwell 2D user guide, 2005. B. Gamble, G. Snitchler, T. MacDonald, Full Power Test of a 36.5 MWHTS Propulsion Motor, IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.21,pp.1083-1088, 2011. Figura 20 Torque em função do tempo para o motor supercondutor tipo VII. Elizabeth A. Bretz, C. N (1994). Superconductors on the high seas. IEEE Transactions on Power Systems, Vol.9, No. 2; pp. 1083-1094. V. Dombrovski, D. Driscoll, B. A. Shoykhet, S. D. Umans, J. K. Zevchek. Design and Testing of a 1000-hp High-Temperature Superconducting 1796

Motor, IEEE Transactions on energy conversion, vol. 20, no 3, september 2005. Y.K. Kwon, M.H. Sohn, S.K. Baik, E.Y. Lee, J.D. Lee, J.M. Kim, T.S. Moon, H.J. Park and Y.C. Kim, J. P. Hong, Y.S. Jo, K. S. Ryu, Development of a 100 hp Synchronous Motor With HTS Field Coils, Applied Superconductivity, IEEE Transactions on Volume: 15, 2005. 1797