Projeto, análise e otimização de um motor de fluxo axial de ímãs permanentes em SMC para aplicação em veículos elétricos

Abstract

Máquinas de fluxo axial com ímãs permanentes destacam-se pela elevada densidade de potência e compacidade, sendo especialmente atrativas para aplicações como veículos elétricos, embora imponham desafios quanto à seleção de materiais que conciliem eficiência, viabilidade econômica e menor impacto ambiental. Neste trabalho, propõe-se uma metodologia integrada para análise, modelagem e otimização de um motor síncrono de fluxo axial com ímãs permanentes, combinando fundamentos analíticos, circuitos de relutâncias magnéticas e simulação pelo método de elementos finitos, associados à otimização multiobjetivo via NSGA-II. O modelo analítico foi empregado no pré-dimensionamento do motor e na identificação de parâmetros críticos com baixo custo computacional. O circuito de relutâncias magnéticas permitiu a avaliação do cogging torque e da força contraeletromotriz, considerando o movimento relativo entre rotor e estator. O método de elementos finitos foi utilizado para a validação final do projeto, oferecendo maior fidelidade na representação dos fenômenos magnéticos. Os resultados demonstram que a integração entre modelagem analítica, circuitos magnéticos e simulação numérica constitui uma abordagem eficaz para o projeto de motores de fluxo axial com ímãs permanentes, proporcionando um equilíbrio entre eficiência computacional, flexibilidade de projeto e precisão na análise.

Abstract: Permanent magnet axial flux machines stand out due to their high power density and compactness, making them particularly attractive for applications such as electric vehicles, although they pose challenges regarding the selection of materials that reconcile efficiency, economic feasibility, and reduced environmental impact. This work proposes an integrated methodology for the analysis, modeling, and optimization of a permanent magnet synchronous axial flux motor, combining analytical formulations, magnetic reluctance circuit modeling, and finite element method simulations, together with multiobjective optimization based on NSGA-II.The analytical model is employed for the preliminary motor design and the identification of critical parameters with low computational cost. The magnetic reluctance circuit model enables the evaluation of cogging torque and back electromotive force, considering the relative motion between the rotor and the stator. The finite element method is used for the final validation of the design, providing higher fidelity in representing magnetic phenomena.The results demonstrate that the integration of analytical modeling, magnetic circuit modeling, and numerical simulation constitutes an effective approach for the design of permanent magnet axial flux motors, providing a balance between computational efficiency, design flexibility, and analysis accuracy.