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Projeto de máquinas elétricas rotativas utilizando RMxprt

Eletromagnetismo

Engenheiros podem tomar importantes decisões de projeto de máquinas rotativas em questões de segundos

Máquinas elétricas rotativas como motores e geradores desempenham papel essencial na sociedade como nunca antes visto, estando presentes desde a concepção da energia elétrica – em usinas de energia, por exemplo, até a sua utilização para fins industriais ou domiciliares. Além disso, são responsáveis pela conversão eletromecânica de energia (mecânica em elétrica e vice-e-versa, para se garantir uma crescente melhora na qualidade destes tipos de produtos, maximizando sua eficiência energética e testando novas topologias de seus componentes, o uso de simulação computacional pelos seus idealizadores tem se intensificado massivamente.

Os engenheiros e projetistas destas máquinas precisam lidar constantemente com diversos trade-offs em nível de concepção e otimização. Desse modo, a utilização de ferramentas computacionais é imprescindível para acelerar e, muitas vezes possibilitar, a solução dos problemas propostos.

A ANSYS possui uma metodologia específica de análise destes tipos de dispositivos eletromecânicos chamada EMDM (Electrical Machine Design Methodology), a qual apresenta o estado-da-arte de projeto em cinco níveis de complexidade:

  1. RMxprt – Projeto analítico de máquinas
  2. Maxwell 2D/3D – Análise eletromagnética via Métodos dos Elementos Finitos
  3. Optimetrics – Análise de otimização, estatística, sensibilidade, etc.
  4. Multiphysics (Mechanical, Fluent) – Análise térmica, estresse, vibração, etc.
  5. Simplorer – Simulação sistêmica de circuitos e sistemas

 

Figura 1 – As cinco etapas de análise de uma máquina elétrica rotativa via simulação numérica

A primeira etapa diz respeito ao software ANSYS RMxprt (Rotational Machine Expert). Este software é uma ferramenta numérica analítica de projeto de máquinas elétricas. Nele o usuário é capaz de extrair as principais informações da máquina (como desempenho e torque) e tomar decisões com relação aos materiais a se utilizar no projeto e modificações na geometria. O vídeo abaixo mostra o seu funcionamento:

 

Embora utilize apenas formulações analíticas, o RMxprt possui duas qualidades altamente relevantes para o projeto de máquinas: 1) tempo de solução – como a resposta é encontrada na ordem de segundos, pode-se otimizar largamente o processo considerando um elevado número de variáveis e combinações, 2) conexão direta com software de elementos finitos (ANSYS Maxwell), gerando todo o projeto automaticamente – geometria, propriedades de materiais, excitações, operações de malha, setup e possíveis respostas de interesse.

A biblioteca do RMxprt possui as principais máquinas elétricas rotativas utilizadas na indústria:

  • Máquinas de indução: Trifásica, Monofásica;
  • Máquinas síncronas: Line-Start de ímãs permanentes (PM), PM de velocidade ajustável, polos salientes, polos lisos;
  • Comutação por escovas: DC, PMDC, Universal, alternador Claw-pole;
  • Comutação eletrônica: BLPM, Relutância chaveada.

Uma vez escolhida a máquina de interesse e inseridas todas as suas características geométricas e eletromagnéticas, o projeto está pronto para ser analisado. Ressaltando que os valores numéricos inseridos podem ser convertidos em parâmetros, propiciando assim análises paramétricas e de otimização.

Após encontrados os resultados de interesse, pode-se migrar a análise para solução via método dos elementos finitos, a qual irá propiciar detalhes pontuais da máquina (como saturação dos objetos); ou ainda, pode-se migrar diretamente para análise sistêmica, aonde se é capaz de adicionar elementos que representem as conexões elétricas e mecânicas da máquina, além de outros domínios da física (e.g. térmico e mecânico).

 

Este post trouxe uma breve ilustração da metodologia de análise de máquinas elétricas rotativas, dando ênfase à primeira etapa desta metodologia.

 



Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e mestrando na mesma instituição em Eletromagnetismo em Baixas Frequências. Possui experiência em análise numérica através do método dos elementos finitos para aplicações no setor de eletrotécnica. Atualmente integra a equipe técnica de Eletromagnetismo da ESSS.


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