Estudo da máquina elétrica de fluxo axial com duplo rotor e armadura segmentada

• Ano de defesa: 2021
• Autor(a) principal: Goltz, Evandro Claiton
• Orientador(a): Eckert, Paulo Roberto
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Palavras-chave em Português: Engenharia
• Palavras-chave em Inglês: Axial flux; Concentrated windings; Direct coupling; Double rotor; Electrical machines; Grain oriented lamination; Permanent magnets; Polyphase segmented armature
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/219719

Este trabalho descreve o estudo da máquina elétrica rotativa de fluxo axial no entreferro, com duplo rotor e armadura segmentada (YASA – Yokeless and Segmented Armature). O objetivo geral do trabalho é a pesquisa científica com vistas ao aumento da densidade de conjugado pela influência do número de fases, da circulação de harmônicas de corrente, das geometrias nas seções transversais da armadura e do rotor e da utilização de material laminado de grão orientado na armadura. Estes aspectos de projeto contribuem para a elevação da densidade de conjugado, além de possibilitarem o aumento do rendimento e da tolerância a falhas. No que diz respeito à influência do número de fases, este trabalho propõe, de forma inovadora, o projeto de uma máquina elétrica com a possibilidade de conexão dos enrolamentos formando 3, 5 ou 15 fases, permitindo a avaliação do seu desempenho nestes sistemas elétricos. No tocante à circulação de harmônicas de corrente, desenvolveu-se uma formulação para a injeção da terceira ordem harmônica de corrente com amplitude da forma de onda da composição harmônica invariante em relação a apenas a ordem fundamental, visando aumentar o conjugado sem desmagnetizar os ímãs permanentes em quadratura. Com relação às geometrias das seções transversais na armadura e no rotor, foram desenvolvidos modelos geométricos parametrizados com seções transversais setorial e trapezoidal, com as áreas dos elementos ativos da máquina invariantes. Por fim, em relação à utilização de materiais de grão orientado, foi realizada uma avaliação comparativa entre o HGO (Highly GrainOriented), incluindo nos modelos numéricos a modelagem da anisotropia, e o NGO (NonGrain-Oriented), considerado isotrópico. Adicionalmente, foi elaborada uma dedução das equações de dimensionamento analítico para as máquinas de fluxo axial incluindo as três grandezas utilizadas para a descrição do carregamento elétrico (densidade superficial de corrente, densidade linear de corrente e corrente) avaliadas em um raio ativo qualquer no entreferro. Através dos modelos numéricos tridimensionais parametrizados, considerando os quatro aspectos de projeto estudados, a análise comparativa na produção de conjugado eletromagnético e das figuras de mérito associadas à máquina YASA resulta no incremento da densidade de conjugado máximo em 31,79 %. Um protótipo projetado e construído especificamente para a análise e a validação experimental, com seção transversal trapezoidal e HGO na armadura, permitiu verificar o incremento de 21,16 % na densidade de conjugado abordando o número de fases e a injeção da 3ª ordem harmônica de corrente. Por fim, é importante mencionar o valor, obtido numericamente, para a máxima densidade de conjugado, limitado à desmagnetização parcial dos ímãs permanentes, em aproximadamente 100 [kNm/m³]. Este aspecto é de grande interesse para as aplicações emergentes que requerem necessariamente a maximização desta figura de mérito, em especial para as aplicações com atuação direta.