Fatores a serem considerados ao projetar máquinas elétricas

June 23, 2024 Luciano Bertene

O projeto de máquinas elétricas é um processo complexo e crítico que envolve não apenas uma avaliação cuidadosa de circuitos, sistemas e mecanismos de controle, mas também uma consideração cuidadosa dos procedimentos de fabricação, testes e solução de problemas. Os engenheiros devem abordar estes aspectos com precisão para criar um projeto bem-sucedido de máquinas elétricas, sejam elas motores, geradores, transformadores ou outros dispositivos eletromagnéticos. Além disso, os processos de construção e instalação devem ser realizados com atenção aos detalhes para garantir que as normas de segurança sejam sempre atendidas. Quando realizadas de maneira adequada, essas tarefas complexas garantem desempenho, eficiência e confiabilidade ideais na área de máquinas elétricas.

Fatores no projeto de máquinas elétricas

Os elementos básicos de todos os dispositivos de atração magnética são o campo e o enrolamento da bobina suportados por dielétrico ou isolamento, um sistema de refrigeração e componentes mecânicos. Portanto, os fatores a serem considerados no projeto de máquinas elétricas são os seguintes:

Circuito magnético ou caminho de fluxo

A vazão necessária deve ser determinada utilizando a força eletromotriz mínima. As perdas principais devem ser menores.

Abaixo estão os fatores mais importantes que precisam ser considerados ao projetar máquinas elétricas para o circuito magnético ou caminho de fluxo:

Seleção do material principal

Escolha materiais com alta permeabilidade magnética e baixas perdas por histerese e correntes parasitas.
Os materiais comuns incluem aço silício, ferro, ferritas e compósitos magnéticos macios.

Comprimento do caminho magnético

Minimize o comprimento do caminho magnético para reduzir a resistência magnética.
A menor resistência magnética permite melhor fluxo magnético, melhorando o desempenho magnético da máquina.

Área transversal

Otimize a seção transversal para aumentar a capacidade de transporte do fluxo magnético.
Uma seção transversal maior reduz a resistência magnética e permite maior densidade de fluxo.

Saturação magnética

Evite operar próximo ao ponto de saturação do material do núcleo para evitar perdas excessivas.
A saturação magnética ocorre quando a densidade do fluxo atinge seu limite máximo.

Controle de fluxo de vazamento

Minimize o fluxo de vazamento para melhorar a eficiência da máquina.
O formato e o dimensionamento adequados do núcleo, bem como as blindagens magnéticas, ajudam a reduzir vazamentos na linha magnética.

Torque de engrenagem e torque de ondulação

Elimine o travamento e a oscilação de torque em certas máquinas, como motores de ímã permanente.
O projeto adequado do circuito magnético pode mitigar esses efeitos e melhorar o desempenho do motor.

Análise eletromagnética

Use técnicas avançadas de análise eletromagnética, como análise de elementos finitos (FEA).
FEA permite simulação e otimização do desempenho do circuito magnético.

Circuitos elétricos ou enrolamentos

Deve ser assegurado que a tensão necessária seja fornecida sem interrupções no arranjo do enrolamento. As perdas de cobre devem ser tão baixas quanto possível.

Projeto de enrolamento de bobina: Determine as curvas, a bitola do cabo e o layout para obter o desempenho ideal.
Material de enrolamento e isolamento: Escolha materiais e isolamento adequados para evitar curtos-circuitos.
Arranjo de enrolamento: Escolha padrões apropriados, como envoltórios concêntricos ou sobrepostos.
Resfriamento dos enrolamentos: Implemente mecanismos de resfriamento eficazes para dissipar o calor.
Perdas elétricas: Minimize as perdas usando materiais e construção apropriados.
Tensão nominal e corrente nominal: Determine as classificações apropriadas com base nos requisitos de energia.
Proteção contra curto-circuito e sobrecarga: Instale mecanismos de proteção.
Mitigação de EMI: Tome medidas para reduzir a interferência eletromagnética.
Produção e montagem de enrolamentos: Considere a facilidade de fabricação e a qualidade

Peças de máquinas em projetos de máquinas elétricas

A arte do design bem-sucedido reside não apenas na distribuição do conflito entre ferro, cobre, isolamento e fluido, mas também na melhoria dos custos de produção, operação e manutenção.

Estator: Parte estacionária com bobinas para gerar o campo magnético.
Rotor: Peça rotativa que interage com o campo magnético para produzir energia mecânica.
Enrolamentos: Bobinas condutoras que conduzem corrente para criar o campo magnético.
Essencial: O aço laminado fornece um caminho de baixa relutância para o fluxo magnético.
Acampamento: Apoie o eixo do rotor e reduza o atrito durante a rotação.
Aceno: Transfere energia mecânica para dispositivos externos.
Sistema de refrigeração: Dissipa o calor para manter temperaturas operacionais seguras.
Estrutura e carcaça: O invólucro estrutural protege os componentes internos.
Caixa de terminais: Caixa para conexões elétricas externas.
Anéis coletores ou comutadores: Transmitir energia elétrica em determinadas máquinas.
Pincel: Mantenha contato elétrico em máquinas com escovas.
Hastes: Concentre o campo magnético em máquinas que utilizam eletroímãs.
Sinos finais: Tampas que envolvem o estator e o rotor.

Esses componentes contribuem para o desempenho, eficiência e confiabilidade das máquinas elétricas.

Comutação em máquinas DC

A comutação de máquinas DC é o processo de transferência de eletricidade entre peças estacionárias e rotativas. Escovas e um comutador são usados para garantir fluxo de corrente consistente e operação adequada. A comutação eficaz minimiza as faíscas e garante um desempenho confiável.

Papel do comutador e escovas

Nas máquinas DC, o rotor consiste em um núcleo cilíndrico em torno do qual são enroladas bobinas de fio, formando o enrolamento da armadura.
O comutador é um dispositivo cilíndrico segmentado montado no eixo do rotor que faz conexões elétricas com o enrolamento da armadura.
As escovas de carvão pressionam os segmentos do comutador e mantêm contato elétrico com a armadura rotativa.

Processo de comutação

À medida que o rotor gira, as bobinas do enrolamento da armadura cruzam o campo magnético gerado pelo estator (enrolamento de campo ou ímãs permanentes).
A interação entre o campo magnético e o enrolamento da armadura induz uma tensão nas bobinas, o que leva a um fluxo de corrente através do enrolamento da armadura.
À medida que uma bobina se move de um pólo magnético para outro, a direção da corrente nessa bobina deve ser invertida para manter a rotação contínua.

Segmentos do comutador e polaridade

Os segmentos do comutador consistem em um bom condutor elétrico (geralmente cobre) e são isolados uns dos outros.
Lados da bobina.
Ao alterar a polaridade dos segmentos do comutador durante a rotação do rotor, a direção da corrente nas bobinas da armadura é invertida.

Interação entre escovas e comutador

As escovas de carvão permanecem em contato com os segmentos do comutador enquanto o rotor gira.
À medida que uma bobina se aproxima de uma escova, o fluxo de corrente muda para o local que mantém contato com o segmento do comutador.
Quando a bobina se afasta da escova, a alimentação é interrompida e o eixo é desconectado da fonte de alimentação.

Desafios de comutação

A comutação não é totalmente instantânea e é necessário tempo para a reversão da corrente.
Se a comutação não for uniforme, podem ocorrer arcos e faíscas, levando ao desgaste das escovas e do comutador e à redução da eficiência da máquina.
Os fatores que afetam a qualidade da comutação incluem a qualidade da escova, a condição do comutador e o design da bobina.

Melhoria da comutação

Para garantir um bom contato elétrico e minimizar as faíscas, a seleção e a manutenção adequadas das escovas são essenciais.
A inspeção e manutenção regulares da superfície do comutador ajudam a evitar desgaste irregular e a manter a eficiência da comutação.

Considerações adicionais para comutação

Os fatores que precisam ser considerados além dos acima são

Limitações de projeto (saturação, densidade de corrente, isolamento, aumento de temperatura, etc.)
Solicitações do cliente
Normas nacionais e internacionais
Linhas convenientes e opções de transporte
Manutenção e reparo
Condições ambientais etc.

Perguntas frequentes sobre projeto de máquinas elétricas

Quais fatores-chave devem ser levados em consideração ao projetar máquinas elétricas?

Fatores como eficiência, torque, especificações do estator e rotor, número de pólos e tipo de aplicação desempenham um papel crucial no projeto de máquinas elétricas. Além disso, os engenheiros devem analisar diversas tecnologias e métodos para garantir o desempenho ideal do produto.

Como os alunos podem melhorar sua compreensão do projeto de máquinas elétricas?

Os estudantes interessados em projetos de máquinas elétricas podem recorrer a uma variedade de recursos, incluindo livros, cursos e trabalhos de pesquisa. Aprender com autores renomados como Juha Pyrhonen e Tapani Jokinen pode fornecer informações valiosas sobre o tema.

Quais são algumas aplicações comuns de projeto de máquinas elétricas?

O projeto de máquinas elétricas tem aplicações em vários setores, como eletrônica de potência, manufatura e desenvolvimento de software. Os engenheiros costumam usar simulações e FEAs para testar e otimizar protótipos para aplicações específicas.

Qual a contribuição do design de máquinas elétricas para as tecnologias sustentáveis?

O projeto de máquinas elétricas desempenha um papel crucial no desenvolvimento de produtos energeticamente eficientes. Os engenheiros concentram-se em melhorar a eficiência e a fiabilidade para reduzir o consumo de energia e contribuir para os esforços de sustentabilidade.

Quais são os maiores desafios no projeto de máquinas elétricas rotativas?

Máquinas elétricas rotativas apresentam desafios de projeto relacionados à seleção de materiais apropriados, contabilização da resistência magnética e garantia de confiabilidade sob diversas condições operacionais. Os engenheiros costumam usar análise de dados e simulação para enfrentar esses desafios de maneira eficaz.