Modelagem Magnetodinâmica e Análise de Perdas em Motores Sem Escovas com Ímãs Permanentes Utilizando o Método dos Elementos Finitos

Abstract

Este trabalho apresenta a modelagem de motores elétricos sem escovas com ímãs permanentes, com ênfase em configurações de polos salientes, utilizando o método dos elementos finitos para análise do comportamento magnético, incluindo distribuição de fluxo, tensão induzida, torque e perdas. A modelagem é baseada na formulação magnetodinâmica em termos do potencial vetor magnético, permitindo a resolução das equações de Maxwell. O modelo é aplicado a um motor com geometria e materiais definidos, sendo avaliado em diferentes condições de operação, como vazio, carga e variação de temperatura. Os resultados indicam que a configuração original apresenta saturação magnética, distorções na tensão induzida e oscilações de torque, associadas à distribuição da indução magnética no entreferro e à geometria do estator. Uma modificação na geometria do estator, envolvendo o aumento da seção transversal e o ajuste dos dentes, resulta na redução da saturação, melhoria da forma de onda da tensão e diminuição das oscilações de torque. Adicionalmente, verifica-se que o aumento de temperatura reduz a indução magnética dos ímãs, impactando diretamente o torque, a tensão induzida e as perdas. As perdas nos ímãs, associadas às correntes parasitas, mostram-se dependentes das variações temporais do campo magnético. Os resultados demonstram que a modelagem numérica é uma ferramenta eficaz para o projeto e a análise de motores elétricos, permitindo a identificação de limitações e a proposição de melhorias que elevam o desempenho e a eficiência da máquina.

This work presents the modeling of brushless permanent magnet electric motors, with emphasis on salient pole configurations, using the finite element method to analyze the magnetic behavior, including flux distribution, induced voltage, torque, and losses. The modeling is based on a magnetodynamic formulation in terms of the magnetic vector potential, enabling the solution of Maxwell’s equations. The model is applied to a motor with defined geometry and material properties and is evaluated under different operating conditions, such as no-load, load, and temperature variation. The results indicate that the original configuration exhibits magnetic saturation, distorted induced voltage waveforms, and torque oscillations, associated with the magnetic flux density distribution in the air gap and the stator geometry. A modification of the stator geometry, involving an increase in the cross-sectional area and adjustment of the tooth geometry, results in reduced saturation, improved voltage waveform quality, and decreased torque oscillations. In addition, it is observed that temperature increase reduces the magnetic induction of the magnets, directly affecting torque, induced voltage, and losses. The losses in the magnets, associated with eddy currents, are shown to depend on the temporal variations of the magnetic field. The results demonstrate that numerical modeling is an effective tool for the design and analysis of electric motors, enabling the identification of limitations and the proposal of improvements that enhance machine performance and efficiency.