Contribuição ao estudo e projeto de um motor linear com ímãs permanentes

Abstract

A presente tese aborda o estudo e o projeto de um motor elétrico linear com ímãs permanentes para aplicação em compressores herméticos de refrigeração. Diferentemente dos motores rotativos, o motor linear permite aplicar a força diretamente em cargas com movimento linear, sem a necessidade de mecanismos de conversão, o que pode reduzir o peso e o consumo de energia. Em geral, os trabalhos apresentados na literatura buscam otimizar apenas o motor elétrico, que posteriormente é acoplado ao conversor de frequência. Com o propósito de realizar uma avaliação global de eficiência energética, uma rotina de otimização foi desenvolvida para considerar a forma de onda de acionamento do motor e sua influência nas perdas tanto do motor quanto do inversor, ao longo do processo de projeto do motor linear. Foi realizada uma revisão das topologias disponíveis para a aplicação em estudo, tendo sido desenvolvida a topologia de motor planar com dois núcleos de material magnético mole SMC (do inglês Soft Magnetic Composite), com sapatas no estator e ímãs de NdFeB no atuador. Com o objetivo de reduzir o tempo de otimização do motor, adotou-se um processo de simulação em duas etapas, sendo a primeira realizada com um modelo de circuito magnético equivalente transiente 3D, seguida de um modelo transiente 3D em elementos finitos. Quanto à forma de onda de alimentação, foram estudados os métodos de alimentação senoidal por largura de pulso (SPWM) e o método por pulso único de tensão (Pulsado). Para validação do projeto, foram realizadas medições a partir da confecção de protótipos do motor. Aspectos relacionados ao processo de medição de eficiência do motor linear foram explorados em um dinamômetro desenvolvido na configuração de motor e gerador, no qual se avaliou o impacto de premissas adotadas para a separação de perdas entre o motor e o gerador na curva de eficiência do motor. A partir de simulações e medições, evidenciou-se a dificuldade de modelar o motor linear em função de perdas por corrente induzida em materiais de suporte mecânico, ressaltada pelos valores de pico de corrente do acionamento observados durante o acionamento por único pulso de tensão. Esses fatores reforçam a necessidade de incluir a modelagem do acionamento no processo de simulação do motor elétrico, bem como de explorar diferentes parâmetros na alimentação do motor. Para o motor proposto, o acionamento baseado em SPWM apresentou melhores resultados tanto em termos de eficiência do motor quanto em eficiência global.

Abstract: This work presents the study and evaluation of a linear brushless permanent magnet motor developed for use in a hermetic compressor application. The linear motor applies force directly to the load with linear movement, eliminating the need for any conversion mechanism. This enables the production of a lighter and more efficient device. This thesis will evaluate the design and the optimization process of the drive and motor set. Typically, the literature does not account for the interaction between the motor and the drive during the optimization process. However, voltage waveform generated by the drive has a directly influence in the motor and drive losses. In this context, it is important to include the motor and drive parameters in the optimization process to maximize the overall performance. The literature review focused on topologies relevant to the study application, leading to the selection of a planar design that incorporates two SMC stators with tooth tips and NdFeB permanent magnets in the actuator. In order to reduce computation time, a two-step optimization process was employed, utilizing a 3D transient magnetic equivalent circuit method followed by a 3D transient finite element simulation. Concerning the motor input voltage waveform, both the PWM sinusoidal and single voltage pulse were evaluated. The motor design was validated through the test result of two prototype motors. A tailored linear dynamometer was developed to measure the motor efficiency in a motor and generator configurations. This allowed an exploration of important aspect regarding the loss segregation between motor and generator in the efficiency motor curve. Simulation and measurement demonstrated the challenges of modeling the linear motor due to additional losses in peripheral material and the peak current value resulting in the single pulse voltage supply method. These factors emphasize the necessity of modeling the supply voltage in the motor simulation process and exploring different parameters in the motor input voltage waveform. For the proposed motor, the sinusoidal PWM drive demonstrates superior results in terms of both motor efficiency and overall efficiency.