Modelagem numérica magneto-elástica de uma eletrobomba com motor síncrono monofásico de ímã permanente

Abstract

A pesquisa deste trabalho teve como principal objetivo a criação de uma metodologia para análise e simulação da vibração de uma eletrobomba que conta com um motor síncrono monofásico de ímã permanente, utilizando o método de elementos finitos. O trabalho teve como intuito validar os resultados numéricos obtidos por meio de simulação com os resultados experimentais. Para alcançar esses objetivos, foi realizada uma análise das forças presentes no estator por meio de simulações magnéticas, a fim de determinar sua contribuição para a vibração da estrutura, permitindo assim, uma análise elástica precisa das vibrações. Além disso, uma bancada para a realização das medições de vibração foi construída. A metodologia de análise foi desenvolvida a partir do equacionamento físico do problema e da utilização do método de elementos finitos por meio de programas livres, sendo eles, o Gmsh e o Elmer. Ao longo do estudo foram obtidos resultados que apontaram a excentricidade dinâmica do motor como responsável pela introdução de frequências de vibração notavelmente relacionadas a 60 Hz. Essas informações são de extrema importância para a compreensão aprofundada dos fenômenos vibratórios presentes na eletrobomba em análise. O desenvolvimento dessa abordagem representa um avanço no campo, uma vez que a combinação das simulações magnéticas e análises de vibração elástica possibilitam um estudo mais abrangente e detalhado do comportamento vibratório em dispositivos eletromecânicos genéricos, em especial a eletrobomba. Com base nos resultados obtidos, é possível inferir que a metodologia proposta pode ser aplicada em estudos futuros, contribuindo para o aprimoramento de projetos de eletrobombas e para a otimização de seu desempenho vibratório. Além disso, os achados dessa pesquisa também fornecem conceitos para a indústria, permitindo o desenvolvimento de estratégias de mitigação de vibrações indesejáveis e potencialmente prejudiciais ao funcionamento eficiente e durabilidade desses equipamentos. Em suma, a presente pesquisa estabeleceu uma base de conhecimento ao introduzir uma abordagem que integra simulações magnéticas e análises de vibração elástica em três dimensões, ampliando o entendimento dos fenômenos vibratórios em eletrobombas com motores síncronos monofásicos de ímã permanente e fornecendo subsídios para o avanço da área.

Abstract: The main objective of this research was to develop a methodology for analyzing and simulating the vibration of an electromechanical pump equipped with a single-phase permanent magnet synchronous motor using the finite element method. The aim of the study was to validate the numerical results obtained from the simulation with experimental results. To achieve these objectives, an analysis of the forces acting on the stator was conducted through magnetic simulations to determine their contribution to the structural vibration, enabling a precise elastic analysis of the vibrations. Additionally, a test bench for vibration measurements was constructed. The analysis methodology was developed based on the physical equations of the problem and the use of the finite element method through opensource software, namely Gmsh and Elmer. Throughout the study, results were obtained indicating that the dynamic eccentricity of the motor was responsible for introducing vibration frequencies noticeably related to 60 Hz. These findings are of utmost importance for a comprehensive understanding of the vibratory phenomena present in the analyzed electromechanical pump. The development of this approach represents an advancement in the field, as the combination of electromagnetic simulations and elastic vibration analyses allows for a more comprehensive and detailed study of vibratory behavior in generic electromechanical devices, particularly in electromechanical pumps. Based on the results obtained, it can be inferred that the proposed methodology can be applied in future studies, contributing to the improvement of electromechanical pump designs and the optimization of their vibratory performance. Furthermore, the findings of this research provide insights for the industry, enabling the development of strategies to mitigate undesirable vibrations that may potentially affect the efficient operation and durability of such equipment. In summary, this research has established a knowledge base by introducing an approach that integrates electromagnetic simulations and three-dimensional elastic vibration analyses, thereby enhancing the understanding of vibratory phenomena in electromechanical pumps with single-phase permanent magnet synchronous motors and providing a foundation for further advancements in the field.