Aerogerador sem núcleo ferromagnético : projeto, construção e ensaios - Verdum, Valdirene (2019)
Esta tese apresenta o estudo, projeto, análise, construção e testes de um gerador síncrono de ímãs permanentes sem núcleo ferromagnético e como pode ser avaliado o seu funcionamento. Através de um levantamento de potencial eólico são definidos os pré-requisitos de um gerador voltado para microgeração eólica em área urbana. Serão discutidas as vantagens e desvantagens de diferentes tipos de máquinas e será demonstrado como a tecnologia desenvolvida para grandes máquinas pode ser utilizada em pequenas turbinas. Será descrita uma metodologia para dimensionamento do gerador síncrono de fluxo radial com ímãs montados na superfície do rotor, com a análise através de método de elementos finitos e com modelagem matemática. O gerador sem núcleo ferromagnético é dimensionado de acordo com a teoria utilizada para o projeto de máquinas convencionais, com duas restrições principais: o diâmetro do rotor e a baixa densidade de fluxo magnético nos enrolamentos. O diâmetro do rotor é limitado devido à topologia proposta que fixa o rotor nas pás da turbina acoplada a um difusor e emprega um grande número de polos para o gerador elétrico. Para aumentar a indução magnética nos condutores, a estratégia adotada é aproximá-los dos ímãs de excitação, utilizando um formato plano de bobinas de camada única posicionadas adequadamente através de ranhuras de profundidade curta. É utilizado o método de elementos finitos para dois tipos de análise: magnetostática e de transiente. A análise magnetostática dos campos gerados pelos ímãs de excitação e pela bobina alimentada com corrente nominal calcula a distribuição de densidade de fluxo magnético na máquina. Pela análise de transiente se calcula as tensões induzidas em função da velocidade de rotação e as correntes em função de uma carga para fins de cálculo do rendimento. A carga foi selecionada devido à aplicação principal do aerogerador que é a injeção de potência na rede através de um inversor. Assim, a carga foi modelada com um resistor em paralelo com um capacitor ligada ao gerador elétrico através de uma ponte retificadora não controlada trifásica. O inversor opera com alimentação na faixa de 30 a 540 V em tensão contínua, com capacidade para até 9 A limitado pela potência de 2000 W. Além do método de elementos finitos, foi desenvolvida uma modelagem matemática da distribuição de densidade de fluxo magnético proveniente dos ímãs e da tensão induzida nos condutores. Esta modelagem permite o estudo preciso do gerador, especialmente quanto à geometria dos ímãs e o número de polos. O resultado do projeto é um gerador síncrono trifásico com 100 polos montados na superfície do rotor fixado às pontas das pás, com 150 bobinas planas na armadura, construídas com fio de cobre AWG 15. Com a construção do protótipo, será apresentada a análise experimental de um aerogerador de 1 kW, com velocidade nominal de 445 rpm, de alto rendimento. Os resultados apontam as vantagens da utilização de uma máquina com grande diâmetro, com elevado número de polos e sem núcleo ferromagnético para obter um alto rendimento a partir de uma pequena turbina. O aerogerador se destaca por suas menores perdas e apresenta um rendimento de 94% considerando somente as perdas Joule nos enrolamentos do estator, visto que, na ausência de núcleo ferromagnético, as perdas magnéticas são eliminadas e as perdas mecânicas por atrito devem ser avaliadas de acordo com o projeto estrutural e aerodinâmico da turbina.