Projeto ótimo multidisciplinar de geradores síncronos com imãs permanentes de ferrite para microgeração eólica

Abstract

A crescente demanda de energia e a diminuição das reservas de combustíveis fósseis tem levado a uma utilização crescente de energias renováveis, entre elas a energia eólica. Com o intuito de tornar a geração eólica competitiva, é necessário projetar máquinas de elevado desempenho e reduzido custo. A utilização de ímãs permanentes em geradores eólicos permite construir máquinas compactas de elevado rendimento em virtude de serem dispensados os enrolamentos de campo e suas perdas joules associadas. No entanto, o aumento dos preços dos ímãs de NdFeB e o monopólio da China tem retraído a utilização destes materiais por causa do impacto dos custos dos ímãs no custo total da máquina. Dentro deste contexto, os ímãs de ferrite são uma alternativa de baixo custo e elevada disponibilidade. Nesta tese, desenvolveu-se um modelo de dimensionamento orientado à otimização de microgeradores síncronos com ímãs permanentes de ferrite que, acoplado a um algoritmo de otimização determinístico, é utilizado para a elaboração do projeto ótimo de geradores com ímãs permanentes de ferrite de desempenho equivalente a uma máquina com ímãs de NdFeB de referência. Aplica-se o modelo para o projeto ótimo de cinco topologias de máquinas síncronas com ímãs permanentes de ferrite: quatro máquinas convencionais e uma máquina vernier com concentração de fluxo e rotor externo. Entre as máquinas convencionais, constatou-se que apenas as topologias com concentração de fluxo são apropriadas utilizando ferrite, sendo a máquina com ímãs permanentes de rotor interno e número de ranhuras por polo por fase fracionário a que apresentou a maior densidade de potência e menor custo de material ativo entre as máquinas convencionais. Com custo de material ativo equivalente, a máquina vernier com ímãs permanentes apresentou maior densidade de potência e menor ondulação de torque com carga em relação às máquinas convencionais consideradas. Quando comparada à máquina com ímãs de NdFeB de referência, o custo de material ativo da máquina vernier com ímãs permanentes de ferrite foi de 47% do custo de material ativo da máquina com ímãs de NdFeB de referência, com uma densidade de potência 13% menor. Concluiu-se, portanto, que a máquina vernier com ímãs permanentes de ferrite com concentração de fluxo é a melhor alternativa para substituir a máquina com ímãs de NdFeB entre as máquinas consideradas nesta tese.

Abstract: The growing demand for energy and the decline in fossil fuel reserves have led to an increasing use of renewable energy, including wind energy. In order to make wind generation competitive, it is necessary to design optimal machines of high performance and low cost. The use of permanent magnets in wind generators allows the construction of high performance compact machines because the field windings and their associated joules losses are dispensed. However, the increase in prices of NeFeB magnets and China's monopoly has reduced the use of these materials because of the impact of magnet costs on the overall cost of the machine. In this context, ferrite magnets are a low cost and high availability alternative. In this thesis, the design model for using in the optimization of ferrite permanent magnets synchronous generators was made. This model was coupled with a deterministic optimization algorithm for elaborating the optimal design of ferrite permanent magnet generators with equivalent performance of a NdFeB magnet reference machine. The model for the optimal design of five topologies of ferrite permanent magnet synchronous generators was done: four conventional machines and one vernier machine with flux concentration and external rotor. Among the conventional machines, only topologies with flux concentration were appropriate using ferrite, whereas the machine with internal rotor and fractional q was the conventional machine which presented the highest power density and the lowest cost of active material. For the same active material cost, the vernier machine presented higher power density and lower ripple torque at full-load condition regarding to the conventional machines. When compared to the reference NdFeB machine, the active material cost of ferrite permanent magnets vernier machine was 47% the cost of active material of the reference NdFeB machine, with a 13% lower power density. Thus, ferrite permanent magnet vernier machine with flux concentration was the best alternative to replace the NdFeB machine between the considered machines in this work.