Análise magnetoelástica de um indutor trifásico de núcleo ferromagnético usando MEF-3D

Abstract

Um indutor trifásico de núcleo magnético é um componente elétrico de potência que opera em sistemas trifásicos, utilizando o núcleo ferromagnético para concentrar o fluxo, aumentar a indutância e melhorar a eficiência. É aplicado em filtros de harmônicos, reatores limitadores de corrente, indutores de suavização em conversores eletrônicos de potência e dispositivos de redução de ruído e vibração em máquinas elétricas. Indutores com entreferros distribuídos podem apresentar vibrações excessivas durante a operação. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia para a simulação magnetoelástica de um indutor trifásico de núcleo ferromagnético, empregando o método de elementos finitos em três dimensões (MEF-3D), considerando como fontes de vibração as forças de magnetostrição dos materiais magnéticos (aço Fe-Si e aço carbono) bem como as forças resultantes do tensor de Maxwell nos entreferros. O modelo 3D do indutor foi desenvolvido no software Gmsh para a criação da geometria, e as formulações foram implementadas no software GetDP. A formulação acoplada magnetoelástica permite analisar as forças atuantes no núcleo e nas partes estruturais do dispositivo, abrangendo desde o estudo de malha e a análise de truncamento até a consideração de uma camada infinita envolvendo o indutor. Os resultados evidenciam a importância de incluir a magnetostrição na análise vibracional da estrutura, e a metodologia proposta pode servir de base para pesquisas futuras e para o avanço da investigação de equipamentos magnéticos, tais como indutores trifásicos.

Abstract: A three-phase magnetic core inductor is a power electrical component that operates in three-phase systems, employing a ferromagnetic core to concentrate the magnetic flux, enhance the inductance, and improve efficiency. Such devices are commonly applied in harmonic filters, current-limiting reactors, smoothing inductors in power electronics converters, and noise- and vibration-reduction systems in electrical machines. Inductors with distributed air gaps may exhibit excessive vibration during operation. This work presents the development of a methodology for the magnetoelastic simulation of a three-phase ferromagnetic core inductor based on the three-dimensional finite element method (3D-FEM), in which the primary vibration sources are considered to be the magnetostrictive forces in magnetic materials (Fe-Si steel and carbon steel) and the resultant force derived from the Maxwell stress tensor acting in the air gaps. The 3D model of the inductor was developed in Gmsh for geometry generation, and the formulations were implemented in GetDP. The coupled magnetoelastic formulation enables the analysis of the forces acting on the core and the structural parts of the device, encompassing mesh refinement studies and the consideration of an infinite layer surrounding the inductor. The results highlight the significance of including magnetostriction in the structural vibration analysis, and the proposed methodology can serve as a foundation for future research and for advancing the investigation of magnetic devices such as three-phase inductors.