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Type: Tese de Doutorado
Title: Desenvolvimento de um gerador síncrono a ímãs permanentes de alta rotação acionado por uma microturbina
Authors: Thales Alexandre Carvalho Maia
First Advisor: Jose Eduardo Mautone Barros
First Co-advisor: Braz de Jesus Cardoso Filho
Abstract: A necessidade e oportunidade de aplicação de sistemas de geração microtérmicos são constantes, principalmente quando existe o acesso gratuito a um combustível, ou mesmo quando seu custo de aquisição é muito baixo. A carência de informações disponíveis a respeito de microturbinas a gás, principalmente pela dificuldade de se operar umamáquina elétrica em alta rotação, faz com que a tecnologia existente esteja protegida por patentes e segredo industrial. Este trabalho apresenta o projeto, a prototipagem e a validação, através de ensaios laboratoriais, de um gerador elétrico de alta rotação diretamente acoplado a uma microturbina. Visando um sistema simples, barato e com elevada densidade de potência, um turbocompressor automotivo foi utilizado em conjunto com uma máquina síncrona a ímãs permanentes. O dimensionamento eletromagnético foi realizado, utilizando elementos finitos, visando reduzir o fluxo de dispersão e otimizar a densidade de potência para uma dada geometria de estator e rotor. Em frequências elevadas, o núcleo de estator apresenta perdas muito altas, descaracterizando sua curva de magnetização, a qual foi refeita em todo o espectro de frequências de operação. Um protótipo foi construido visando esclarecer e reconhecer as possíveis variáveis responsáveis por gerar vibração no sistema, o que proporcionou um amplo conhecimento e conduziu a uma operação segura até 100.000 rpm em vazio. Ensaios laboratoriais foram conduzidos com o protótipo final, utilizando ar comprimido como fonte primária de energia suprindocorrente a uma carga puramente resistiva através de um retificador trifásico a diodos. A eficiência global desse sistema foi estimada com base na energia fluidodinâmica, com uma geração de até 3, 5 kW, em rotações variando até 70.000 rpm. Os resultados apresentadosindicam que algumas simples modificações nesse sistema permitiriam alcançar potências de cerca de 7, 2 kW, sem promover um aumento nas perdas ou aumento de temperatura, além daquelas já identificadas. Uma análise geral do trabalho demonstra que a grande barreira encontrada para promover o aumento da velocidade e da potência em máquinas elétricas está relacionada aos conceitos básicos de projeto de máquinas elétricas, no qual é, muitas vezes, empregada a metodologia de dimensionamento de máquinas de baixarotação, mesmo visando aplicação em sistemas de alta rotação.
Abstract: A cheap and reliable electrical micro-thermal generator has become a continuing need across power conversion mainly when fuel is available and affordable. The lack of informations regarding micro-turbine systems, mainly due high speeds generator makes the power conversion subject restrict to patented industrial technology. This work presents the electro-mechanical design and test results of a high speed generator directly driven by a micro-turbine. Aiming a high power density, low cost and straightforward design, a commercial automotive turbocharger was used coupled to a permanent magnet synchronous machine. The generator design was performed using finite element method calculation for flux linkage and power density optimization. The stator core presets higher losses at higher frequencies, therefore a need for experimental ferromagnetic characterization was identified. Prototyping procedure was conducted in order to enlighten common vibration sources, which conducted a safely run up to 100,000 rpm under no load. Lab tests where performed with the turbo-machine driven by compressed air and with a three-phase resistive load connected to the generator terminals. The overall system efficiency was estimated based on the fluid energy with a maximum of 3.5 kW of electric power at 70,000 rpm. Simple fabrication procedures can promote an increase in power generation up to 7.2 kW. An overall analysis demonstrates that increasing power and ward off speed limitations is mainly related to concepts regarding higher speeds electrical machines, which are tipically designed using the same principles of lower speeds machines.
Subject: Engenharia mecânica
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-AE8NC3
Issue Date: 11-Aug-2016
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