Desenvolvimento de nova metodologia para análise de desempenho de máquinas elétricas : uma contribuição ao método Maxwell-Fourier
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Rodney Rezende Saldanha
Sidelmo Magalhães Silva
Nelson Sadowski
Úrsula do Carmo Resende
Renato de Oliveira da Costa Lyra
Sidelmo Magalhães Silva
Nelson Sadowski
Úrsula do Carmo Resende
Renato de Oliveira da Costa Lyra
Resumo
Os avanços na direção da transição energética, visando a migração da matriz
energética baseada em combustíveis fósseis para uma matriz focada em fontes
renováveis, tem proporcionado um ambiente favorável para o desenvolvimento
tecnológico. Esse cenário traz uma janela de oportunidades para expansão da
eletrificação ao longo de setores como transporte, indústria e edificações. Deste
modo, é patente a necessidade de aprimorar os procedimentos de projeto das
máquinas elétricas convencionais visando atender requisitos mais severos de
eficiência. Além disso, o avanço dos acionamentos elétricos em novas aplicações
requer mais atenção no desenvolvimento de materiais e novas topologias que
permitam um equilíbrio entre os requisitos de custo e desempenho. Isso traz
implicações para a ferramenta matemática adotada para análise e projeto destas
máquinas elétricas. Nesta tese é discutida a utilização do método Maxwell-Fourier.
Baseado na solução formal das equações de Maxwell, esse método é adequado para
caracterizar o desempenho eletromagnético de uma ampla variedade de topologias
de máquinas elétricas. Primeiramente, essa ferramenta é utilizada para análise de
uma máquina síncrona de alta rotação. Para caracterizar as oscilações de torque, é
proposto um modelo capaz de representar a saturação na luva de retenção, elemento
usado para fixar e proteger os ímãs permanentes. A caracterização desse fenômeno
pode auxiliar no desenvolvimento de estratégias de controle do gerador, assim como
em futuros projetos que desejem explorá-lo. Na sequência, o método Maxwell-Fourier
é aplicado no projeto de um gerador veicular para frenagem regenerativa. No caso, é
estabelecido um procedimento de projeto visando a caracterização da máquina em
termos eletromagnéticos e construtivos. Assim, a solução proposta oferece ao
projetista maior sensibilidade sobre os efeitos dos parâmetros da máquina no
desempenho dessa. Também, esse procedimento visa reduzir o espaço de busca do
problema a ser abordado em etapas posteriores de projeto, nas quais são utilizados
métodos numéricos com custo computacional é elevado.
Abstract
The advancements toward the energy transition, in which the energy sector is
switching from a fossil fuel-based energy matrix towards a renewable solution, is
establishing a favorable environment for technological development. This scenario
brings forth a window of opportunity for the electrification of the transport, industry and
building sectors. Therefore, it is clear the need to improve the design procedures of
conventional electrical machines in order to meet more stringent efficiency
requirements. Furthermore, the advancement of the electric drives into new
applications requires further attention in the development of materials and new
topologies that allow for a balance of cost and performance requirements. This
increases the demands for the mathematical tool adopted to analyze and design such
electrical machines. In this thesis, the use of the Maxwell-Fourier method is discussed.
Based on the formal solution of Maxwell's equations, this method is suitable to
characterize the electromagnetic performance of a wide range of electrical machine
topologies. Firstly, this tool is used to analyze a high-speed synchronous machine. To
characterize the torque oscillations, it is proposed a model capable of representing
saturation in the retaining sleeve, an element used to ensure magnet mechanical
integrity. The characterization of this phenomenon can help in the development of
generator control strategies, as well as in future projects that wish to explore it. Then,
the Maxwell-Fourier method is applied to design a vehicle regenerative braking
generator. In this case, a design procedure is established to characterize the machine
in electromagnetic and constructive terms. Thus, the proposed solution offers the
designer greater sensitivity for evaluating the effects of the machine's parameters on
its performance. Also, the procedure aims to reduce the search space of the problem
to be addressed in later design stages, in which numerical methods are used with
increased computational cost.
Assunto
Engenharia elétrica, Fourier, Análise de, Maquinas elétricas, Maxwell, Equações de
Palavras-chave
Modelo semianalítico, Método Maxwell-Fourier, Desempenho eletromagnético, Máquina elétrica