Projeto de máquinas elétricas rotativas utilizando RMxprt
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:
- RMxprt – Projeto analítico de máquinas
- Maxwell 2D/3D – Análise eletromagnética via Métodos dos Elementos Finitos
- Optimetrics – Análise de otimização, estatística, sensibilidade, etc.
- Multiphysics (Mechanical, Fluent) – Análise térmica, estresse, vibração, etc.
- 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.
