EN2711Aula01AuladeConversao
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EN 2711
Máquinas Elétricas
Introdução
Julio Carlos Teixeira
Objetivo
Conceitos do Eletromagnetismo
Conversão Eletromecânica
Conceitos de Acionamentos Mecânicos
Grandezas Eletromagnéticas
Corrente elétrica, (A)
Campo (magnético) H, (A/m)
Campo (magnético) B, Indução, densidade de fluxo, (T)
Fluxo (concatenado), f, l (Wb)
Tensão (elétrica), (V)
Primórdios
Força à distância x Força por contato
Primórdios: forças à distância:
Gravidade, Eletrostática, Magnética
No século XIX surge o conceito de Campo
Hoje modelamos 4 “campos”: Eletromagnético
Gravitacional
“nuclear Forte”
“nuclear Fraco”
178_- Coulomb
Padroniza forma de medir força:
Balança de torção
Observa que as forças magnéticas e eletrostáticas que media eram do tipo f = k/d2
“Não há relação entre eletricidade e magnetismo” (sic)
1820- Oersted
Relação entre eletricidade e magnetismo
Força mantém bússola perpendicular à corrente
1821 - Ampère
Campo produzido por correntes (“eletricidade em movimento”: I V)
i H = a.I
a =geometria
Bfe = f(Ife),
“moléculas
Eletrodinâmicas”
1826 - Teoria dos fenômenos eletrodinâmicos
V = R.I (ohm , 1826)
1826 - Sturgeon
Eletroímã (“Annals of Philosophy”)
J H I
Número de linhas de campo/cm2
H = a. I
B = mo.H + J(mat)
F= B.S
1873 - Rowland
Curva de Magnetização de materiais
B
H
Paramagnético
Diamagnético moH (Vácuo)
Js
Ferromagnético
B=mo.H + J J = c.H
B=mo. mr.H
1831 - Faraday
I
f.e.m. I
f.e.m.= - dF/dt
Bkfem
Bkdtfem
..senoidal
..
1
F
Grandezas Eletromagnéticas
Corrente elétrica, (A)
Campo (magnético) H, (A/m)
Campo (magnético) B, Indução, densidade de fluxo, (T)
Fluxo (concatenado), f, l (Wb)
Tensão (elétrica), (V)
Sistemas de Unidades - S.I.
B = mo.H + J = mr. mo.H
B - Indução (Tesla - T)
H - Campo Magnético (A/m)
J - Polarização Magnética (T)
mo - Permeabilidade Absoluta do Vácuo – 4.p.10-7 (Henry/m)
mr - Permeabilidade Relativa
c = mo.(mr-1) = J/H- Susceptibilidade (H/m)
Sistemas de Unidades - cgs
B = H + 4.p.M = mr.H
B - Indução (Gauss - G)
H - Campo Magnético (Oersted - Oe)
M - Magnetização (emu/cm3)
mr - Permeabilidade Relativa (adimensional)
c = Susceptibilidade (adimensional)
DWentrada=DWperdida + DWarmazenada + DWsaída
Caso eletromagnético típico (“motor”):
DWentrada: energia elétrica : V.I.t ;
DWsaída: energia mecânica : T.veloc. t
DWarmazenada: no campo magnético;
DWperdida : elétrica, magnética e mecânica
DWelétrica-ri2=DWcampo,com perdas + DWmecânica,com perdas
Conversão de Energia
Sistema
elétrico
Acoplamento
Magnético
Sistema
mecânico
Perdas=ri2 Perdas=Pfe Perdas=Mecânicas
e v
i
Determinação da energia
dWelétrica-ri2=e.i dt
e = dl/dt = N. dF /dt
=>dWel-ri2 = dl/dt.i.dt = i.dl = N.i.dF
=>dWel-ri2 = k(N,geom). H . dB
Acoplamento
Magnético
Perdas=Pfe
e
i
Determinação da energia
H dB No ar
No aço
B
H
B
H B= moH
w =B2/2mo
w = mo .H2
/2
W = vol
w
Determinação da energia
Definição de indutância de material linear
l = L.i
Neste caso a energia magnética pode ser determinada por (eq. 3.18- 3.21 Fitzgerald):
Wcampo = ½ L. i2
Wcampo = ½ l2/L
Determinação da força
dWelet-ri2 = dWcampo + dWmec (eq. 3.11 Fitzgerald)
dWelet-ri2 = e.i.dt = i.dl
dWmec = f.dx
portanto: dWcampo(l,x)= i.dl –f.dx
Mas (matemática): dWcampo(l,x)= (dWcampo(l,x0)/dl) . dl +
(dWcampo(l0,x)/dx) . dx
portanto: i = +(dWcampo(l,x0)/dl)
f = - (dWcampo(l0,x)/dx)
Determinação da força
como f = dWcampo(l0,x)/dx
se l = L(x).i (definição de indutância em material
linear)
Wcampo(l,x) = ½. L(x). i2(veja exemplo 3.2,
Fitzgerald)
dWcampo(l0,x)/dx = ½.i2 dL(x)/dx
Determinação da força
F = -dWsaída /dx
Wentrada = Wperdida+Warmazenada+Wsaída
Wsaída = -Warmazenada no circuito magnético
F = dWarmazenada /dx
Determinação da força
F = -dWsaída /dx
F = i1.dl12 /dx
l12 = i2.M
F = B.l.i l12
l
r T
y
Parâmetros de Projeto
TRV = 2.B.A (Torque/volume do rotor)
B - Indução (Tesla)
A - Densidade linear de corrente ativa
corrente/perímetro
s
A B
s
B
Tensor de cisalhamento
r
Valores Típicos de TRV
Tipo de Motor TRV (kNm/m3)
Motor de potência fracionária 1,4 - 4
Motor de industrial 15 - 30
Servo-motor 20 - 45
Geradores refrigerados à água 130 - 220
T.J.E. Miller - “Brushless PM and Reluctance Motor Drives”
Perdas no Ferro
B (T)
P
(W/kg)
1,0 1,5 1,7
5,0
10,0
Freq: 50, 60 Hz
Para determinar as grandezas
eletromagnéticas
3 conj de equações: H.l = NI, p.ex: N.I = Hfe.lfe + Har.lar + Hi.li + ...
B.S = fluxo se conserva, p .ex. Bfe.Sfe = Bi.Si = Bx.Sx
equações dos materiais, p.ex.: Bar= mo.Har
Bfe= mfe. mo.Hfe
Bi = mo.Hi + Jr
Circuito magnético com
entreferro (aberto)
Ni = d.Scu
Be le = 0,5 mm
lfe/4 = 10mm
Circuito magnético aberto
equacionamento e efeito da permeabilidade
0.
..
V
S
sdB
sdldH
dNi = d.Scu
Be
Circuito magnético aberto
equacionamento e efeito da permeabilidade
Ni = d.Scu
Be SBSB
SlHlH
eefefe
eefefe cu
..
...
d
HB
HB
SlHlH
e
o
e
fe
o fe
fe
cueefefe
m
mm
d
;
...
Circuito magnético aberto
equacionamento e efeito da permeabilidade
Circuito magnético aberto
equacionamento e efeito da permeabilidade
dm
m
dmmm
S
ll
B
SlB
lB
o
oo
cu
e
fe
fee
cuee
fe
fe
fe
.
.
Efeito da permeabilidade na densidade
de corrente
1
10
10 100 1000 10000mr
d (
A/m
m2
)
Fig. 25 - Exemplo do efeito da permeabilidade (B=1,5 T, Scu = 25 cm2))
iNlHlH eefefe ...
Circuito magnético aberto
equacionamento: permeabilidade infinita
Ni = d.Scu
Be
lHiN ee..
lB
iN ee ..0m
l
iNB
ee
..0m
0
Circuito magnético aberto
equacionamento: permeabilidade infinita
Ni = d.Scu
Be
l
iNB
ee
..0m
l
SiNBS
e
eee e
.... 0mf
dt
dN
dt
dFEM ee fl
FEMIrV .
Conversão: resumo
O fluxo é limitado principalmente pelo entreferro
l = L.i
Efeito da permeabilidade na densidade
de corrente
1
10
10 100 1000 10000mr
d (
A/m
m2
)
Fig. 25 - Exemplo do efeito da permeabilidade (B=1,5 T, Scu = 25 cm2))
dt
dN
dt
dFEMFEMIrV ee fl
;.
Conversão: resumo
F = - (dWcampo(l0,x)/dx) = ½.i2 dL(x)/dx
F: na direção de aumentar o fluxo mútuo
F = B.l.i l12
Conceitos Elétricos e
Mecânicos
Leis de Newton:
toda ação produz uma reação
os corpos tendem a manter sua velocidade constantes, quando não estão sujeitos à forças
Em acionamento:
Fmagnética = Fmecânica (+ “m.Aceleração”)
Base conceitual
Algumas cargas mecânicas:
Atrito F (N)
ou
T(N/m)
Velocidade linear (m/s) ou angular (rad/s)
atrito viscoso
atrito estático
Base conceitual
Algumas cargas mecânicas:
Aerodinâmicas F (N)
ou
T(N/m)
Velocidade linear (m/s) ou angular (rad/s)
y~x2 ou f(x)
Base conceitual
Algumas cargas mecânicas:
Inercial F (N)
ou
T(N/m)
Aceleração linear (m/s2) ou angular (rad/s2)
Base conceitual
Exemplos de cargas mecânicas:
Braços de robôs: inerciais, atrito
transporte: aerodinâmicas, inerciais;
mesas transportadoras: atrito e inercial;
bombas: “aerodinâmicas”(depende do fluído)
Base conceitual
Ponto de equilíbrio: Tmec
T(N/m)
Velocidade angular (rad/s ou rpm)
Base conceitual
Ponto de equilíbrio: Tmag
T(N/m)
Velocidade angular (rad/s ou rpm)
Base conceitual
Ponto de equilíbrio: Tmec = Tmag
T(N/m)
Velocidade angular (rad/s ou rpm)
Tmag=Tmec
Tres = J.d/dt
Tres = Tmag – Tmec = J.d/dt
acelera freia
Ponto de equilíbrio: Tmec = Tmag
Base conceitual
T(N/m)
Velocidade angular (rad/s ou rpm)
Tmag=Tmec
Tres = J.d/dt
Tres = Tmag – Tmec = J.d/dt
Lembrando: Objetivo
Conceitos do Eletromagnetismo
Conversão Eletromecânica
Conceitos de Acionamentos Mecânicos
Participem do fórum:
Como é possível conseguir levitação magnética?