Projeto ótimo de motores cc sem escovas de ímãs permanentes de ferrite com núcleo de SMC

Abstract

Esta dissertação tem como objetivo verificar a viabilidade do uso de compósito de ferro (SMC) ao invés de aço laminado em um motor BLDC para uma aplicação com requisitos específicos. Com esse intuito é apresentado uma metodologia para o projeto ótimo multidisciplinar de motores BLDC de ímãs de ferrite, considerando os aspectos elétricos, geométricos, magnético, térmicos e econômicos da máquina, resultando em um problema de otimização envolvendo 387 variáveis, dentre as quais 15 são restritas, que se preocupa em obter motores competitivos no mercado. O algoritmo utilizado para lidar com esse problema, foi um algoritmo determinístico, que tem a capacidade de encontrar a solução ótima após poucas iterações. Utilizando esta metodologia, são apresentados dois projetos ótimos da máquina, onde a otimização tem a finalidade de maximizar eficiência do motor. A diferença entre eles, é o material ferromagnético do núcleo do estator e núcleo do rotor da máquina, sendo o primeiro motor, nomeado de M1, com núcleos de aço e o segundo motor (M2), núcleos em compósito magnético (SMC). Quando comparado a M1, o segundo projeto apresenta um rendimento cinco pontos percentuais menor, mostrando que caso se aceite um rendimento menor do que a eficiência da máquina com aço laminado, é possível ter um motor BLDC com núcleos de SMC. Afim de verificar a influência da permeabilidade magnética neste tipo de motor, um terceiro motor foi projetado (M3) utilizando um material fictício, com metade da permeabilidade magnética do material de M2. A comparação entre a segunda e a terceira máquina, mostra que para motores desse porte, a permeabilidade magnética do material, não tem grande influência no rendimento do motor. Os resultados dos três projetos ótimos são apresentados, e a fim de verificar a eficácia do método, tais resultados são validados através do método de elementos finitos e do MatLab/Simulink.

Abstract: This paper aims to verify the viability of using iron composite (SMC) instead of laminated steel in a BLDC motor for an application with specific requirements. With this purpose, a methodology for the multidisciplinary design of BLDC motors of ferrite magnets is presented, considering the electric, geometric, magnetic, thermal and economic aspects of the machine, resulting in an optimization problem involving 387 variables, among which 15 are restricted, which is concerned with obtaining competitive motors in the market. The algorithm used to solve this problem was a deterministic algorithm, which has the ability to find the optimal solution after a few iterations. Using this methodology, two optimum machine designs are presented, where optimization is intended to maximize the motor efficiency. The difference between them is the ferromagnetic material of the stator core and the rotor core of the machine, the first motor, named M1, with steel cores and the second motor (M2), magnetic composite cores (SMC). When compared to M1, the second design has a five percentage points lower efficiency, showing that, if you accept a lower efficiency than the machine with laminated steel, it is possible to have a BLDC motor with SMC cores. Focused in verify the influence of the magnetic permeability on this type of motor, a third motor was designed (M3) using a fictitious material, with half the magnetic permeability of the M2 material. The comparison between the second and third machines shows that for motors of this size, the magnetic permeability of the material does not have a great influence on the performance of the motor. The results of the three optimal projects are presented, and in order to verify the effectiveness of the method, these results are validated through the finite element method and MatLab / Simulink.