Um mergulho profundo em materiais magnéticos para máquinas elétricas

24 de junho de 2024 Luciano Bertene

As máquinas elétricas são essenciais em nosso mundo moderno, alimentando tudo, desde eletrodomésticos até equipamentos industriais. A chave para sua eficiência e desempenho está em seus materiais magnéticos. Os materiais magnéticos são cruciais para a geração, transmissão e conversão de energia elétrica.

Propriedades magneticas

As propriedades magnéticas dos materiais magnéticos dependem da direção dos cristais do material e determinam as dimensões ou instrumentação das máquinas para uma determinada potência, a excitação necessária, a eficiência operacional, etc.

A seguir são explicadas as propriedades específicas que o melhor material magnético deve possuir.

Ser menos relutante ou extremamente absorvente ou ter um alto valor de permeabilidade relativa µ_R.
Indução de alta permeação (para reduzir o volume e peso das peças de ferro).
Alta resistência elétrica, portanto, menor tensão parasita e, portanto, menor perda de corrente parasita.
Loop de histerese cônico ou menor coercividade, portanto menor perda de histerese e alta eficiência operacional.
Uma temperatura alta.
Deve ter um grande valor do produto energético. É expresso em joules/m³.

Os materiais magnéticos são geralmente classificados como paramagnéticos, diamagnéticos, ferromagnéticos, ferrimagnéticos e antiferromagnéticos. Somente materiais ferromagnéticos possuem propriedades magnéticas adequadas para máquinas elétricas. As propriedades ferromagnéticas são limitadas exclusivamente ao cobalto, ferro, níquel e ligas. As únicas exceções são algumas ligas de elementos metálicos e algumas peças de grupos.

Imãs permanentes

Os ímãs permanentes revolucionaram a eficiência das máquinas elétricas. Sua capacidade de manter suas propriedades magnéticas sem campo externo os torna a primeira escolha para inúmeras aplicações, desde motores e geradores até rolamentos magnéticos. Nós nos aprofundamos na ciência por trás dos ímãs permanentes, incluindo ímãs de terras raras, e exploramos os avanços recentes na fabricação de ímãs que melhoraram significativamente seu desempenho.

Materiais Magnéticos: Os Blocos de Construção das Máquinas Elétricas

No coração de toda máquina elétrica está um núcleo magnético responsável por controlar o fluxo da corrente elétrica e produzir trabalho mecânico. Investigamos as propriedades de vários materiais magnéticos, como ferro, aço e ligas magnéticas, e entendemos suas propriedades exclusivas, ideais para aplicações específicas. De materiais ferromagnéticos a paramagnéticos, cada tipo possui propriedades magnéticas diferentes que os engenheiros consideram cuidadosamente ao projetar máquinas elétricas.

Materiais condutores de máquinas elétricas

A permeabilidade relativa µr do material ferromagnético é muito maior que 1,0. Uma vez que os materiais de força magnética (materiais ferromagnéticos) são expostos ao campo de força, os dipolos se alinham na direção do campo manchado e ficam fortemente magnetizados.

Além disso, os materiais de força magnética podem ser divididos em materiais magnéticos duros ou moles, bem como materiais magnéticos permanentes.

O material magnético duro ou permanente possui um loop de histerese muito grande e uma curva de magnetização que aumenta gradualmente.

B. Aço de tungstênio, aço carbono, aço cobalto, ferrite rígida, Alnico etc.

Fatores a serem considerados ao projetar máquinas elétricas

Ao projetar máquinas elétricas, vários fatores devem ser cuidadosamente considerados para criar um dispositivo eficiente, confiável e econômico que atenda aos requisitos específicos da aplicação. Esses fatores abrangem vários aspectos, incluindo desempenho, materiais, impacto ambiental e segurança. Os fatores mais importantes a serem considerados durante o processo de design incluem:

Material magnético macio

Possui um pequeno loop de histerese e uma curva de magnetização acentuada.

Exemplo: i) Ferro forjado, aço fundido, aço laminado, aço maciço etc. (na forma sólida).

Comumente usado para pólos de máquinas CC, rotores de turbogeradores, etc., em qualquer lugar onde o fluxo CC esteja envolvido.

Aço silício

É (ferro +0,3% a 4,5% de silício) em forma laminada. A adição de uma proporção adequada de silício reduz o envelhecimento e a perda do núcleo. O aço com baixo teor de silício ou aço dínamo é utilizado em máquinas elétricas rotativas e processado com alta densidade de fluxo. Aço com alto teor de silício (4% a 5% de silício) ou aço de transformador (ou aço de alta resistência) é usado em transformadores. Mais chapas de aço também são laminadas a quente ou a frio. O aço de grão orientado laminado a frio (CRGOS) é caro e melhor do que o aço laminado a quente. O aço CRGO é usado principalmente em transformadores.

Liga especial

As ligas de níquel-ferro possuem alta permeabilidade e a adição de cromo resulta em um material magnético melhor. Níquel com ferro em várias proporções leva a:

Liga à base de níquel com alto teor de níquel (ferro + molibdênio + cobre ou cromo) utilizada em amplificadores magnéticos, transformadores de potência, etc.
Liga à base de níquel com baixo teor de níquel (ferro + silício + cromo ou manganês) utilizada em bobinas de indução, bobinas, transformadores, etc.
Terminador (ferro + níquel + cobalto).
Mumetal (cobre + ferro)
Pemendur (ferro + cobalto + vanádio) é usado para osciloscópios, microfones, etc.

Ligas amorfas

As ligas amorfas são produzidas endurecendo rapidamente a liga a taxas de resfriamento de vários milhões de graus Celsius por segundo. A liga solidifica com uma estrutura atômica semelhante a vidro, que é um líquido congelado não cristalino. O resfriamento rápido é obtido fluindo a liga fundida através de uma abertura em um tambor rotativo resfriado a água. Isto permite produzir painéis com espessura de 10 µm e um metro ou mais.

Supercondutores: uma maravilha magnética

Os supercondutores têm a extraordinária capacidade de conduzir eletricidade sem resistência a baixas temperaturas. Exploramos como esses materiais têm o potencial de revolucionar as máquinas elétricas, alcançando eficiência e densidade de potência sem precedentes. Embora a aplicação prática dos supercondutores ainda esteja em sua infância, discutimos o estado atual da pesquisa e do desenvolvimento e fornecemos insights sobre suas perspectivas em máquinas elétricas.

Seleção de materiais para desempenho ideal

Selecionar o material magnético certo para uma aplicação específica é um processo complexo que requer um equilíbrio entre vários fatores, incluindo custo, eficiência e impacto ambiental. Abordamos as considerações que os engenheiros devem fazer ao selecionar materiais magnéticos, levando em consideração a aplicação pretendida, as condições operacionais e os requisitos de sustentabilidade.

Comutação em máquinas DC

A comutação é fundamental para a operação de máquinas CC, incluindo motores e geradores CC. O mecanismo chave permite a conversão de energia elétrica em energia mecânica em motores, acionando movimento, trabalho mecânico e, inversamente, a conversão de energia mecânica em energia elétrica em geradores. A comutação garante que a corrente no enrolamento da armadura flua unidirecionalmente, o que é essencial para manter o sentido de rotação desejado nos motores e produzir uma tensão de saída estável nos geradores.

O processo de comutação envolve a interação entre o comutador e as escovas, com as almofadas de contato mantendo contato elétrico com os segmentos do comutador enquanto o rotor ou a armadura gira. Este contato contínuo permite que a corrente seja transferida de uma bobina da armadura para outra, garantindo rotação constante do rotor nos motores ou saída de tensão estável nos geradores. A comutação adequada é fundamental para a operação suave e eficiente das máquinas CC, e desafios como faíscas, arcos e desgaste das escovas devem ser cuidadosamente gerenciados para manter o desempenho e a confiabilidade ideais. Os avanços na tecnologia de comutação, como a comutação eletrônica em motores CC sem escovas, melhoraram ainda mais a eficiência e reduziram os requisitos de manutenção, tornando as máquinas CC uma escolha versátil para diversas aplicações industriais, automotivas e de consumo.