Estudo da máquina elétrica de fluxo axial com duplo rotor e armadura segmentada

Abstract

Este trabalho descreve o estudo da máquina elétrica rotativa de fluxo axial no entreferro, com duplo rotor e armadura segmentada (YASA – Yokeless and Segmented Armature). O objetivo geral do trabalho é a pesquisa científica com vistas ao aumento da densidade de conjugado pela influência do número de fases, da circulação de harmônicas de corrente, das geometrias nas seções transversais da armadura e do rotor e da utilização de material laminado de grão orientado na armadura. Estes aspectos de projeto contribuem para a elevação da densidade de conjugado, além de possibilitarem o aumento do rendimento e da tolerância a falhas. No que diz respeito à influência do número de fases, este trabalho propõe, de forma inovadora, o projeto de uma máquina elétrica com a possibilidade de conexão dos enrolamentos formando 3, 5 ou 15 fases, permitindo a avaliação do seu desempenho nestes sistemas elétricos. No tocante à circulação de harmônicas de corrente, desenvolveu-se uma formulação para a injeção da terceira ordem harmônica de corrente com amplitude da forma de onda da composição harmônica invariante em relação a apenas a ordem fundamental, visando aumentar o conjugado sem desmagnetizar os ímãs permanentes em quadratura. Com relação às geometrias das seções transversais na armadura e no rotor, foram desenvolvidos modelos geométricos parametrizados com seções transversais setorial e trapezoidal, com as áreas dos elementos ativos da máquina invariantes. Por fim, em relação à utilização de materiais de grão orientado, foi realizada uma avaliação comparativa entre o HGO (Highly GrainOriented), incluindo nos modelos numéricos a modelagem da anisotropia, e o NGO (NonGrain-Oriented), considerado isotrópico. Adicionalmente, foi elaborada uma dedução das equações de dimensionamento analítico para as máquinas de fluxo axial incluindo as três grandezas utilizadas para a descrição do carregamento elétrico (densidade superficial de corrente, densidade linear de corrente e corrente) avaliadas em um raio ativo qualquer no entreferro. Através dos modelos numéricos tridimensionais parametrizados, considerando os quatro aspectos de projeto estudados, a análise comparativa na produção de conjugado eletromagnético e das figuras de mérito associadas à máquina YASA resulta no incremento da densidade de conjugado máximo em 31,79 %. Um protótipo projetado e construído especificamente para a análise e a validação experimental, com seção transversal trapezoidal e HGO na armadura, permitiu verificar o incremento de 21,16 % na densidade de conjugado abordando o número de fases e a injeção da 3ª ordem harmônica de corrente. Por fim, é importante mencionar o valor, obtido numericamente, para a máxima densidade de conjugado, limitado à desmagnetização parcial dos ímãs permanentes, em aproximadamente 100 [kNm/m³]. Este aspecto é de grande interesse para as aplicações emergentes que requerem necessariamente a maximização desta figura de mérito, em especial para as aplicações com atuação direta.

This work describes the study of the rotary electric machine with axial flux in the air gap, with double rotor and segmented armature (YASA - Yokeless and Segmented Armature). The general objective of the work is scientific research with the intent to increase torque density by the influence of the number of phases, the circulation of current harmonics, the geometries in the cross sections of the armature and the rotor and the use of grainoriented laminated material in the armature. These design aspects contribute to the increase in torque density, in addition to enabling the increase in efficiency and fault tolerance. Regarding the influence of the number of phases, this work proposes, in an innovative way, the design of an electric machine with the possibility of connecting the windings forming 3, 5 or 15 phases, allowing the evaluation of their performance in these electrical systems. Regarding the circulation of current harmonics, a formulation was developed for the injection of the third harmonic current maintaining the same amplitude of the fundamental component, aiming to increase the torque without demagnetizing the permanent magnets in quadrature. Regarding the geometries of the cross sections in the armature and the rotor, parameterized geometric models with sectorial and trapezoidal cross sections were developed, with constant areas of the active elements of the machine. Finally, in relation to the use of grain-oriented materials, a comparative evaluation between HGO (Highly Grain-Oriented), considering its magnetic anisotropy in the numerical models, and NGO (Non-Grain-Oriented), considered isotropic, was realized. Additionally, a deduction of the analytical sizing equations for axial flux machines was elaborated, including the three quantities used for the description of electrical loading (surface current density, linear current density and current) evaluated in any active radius in the air gap. Through the parameterized three-dimensional numerical models, considering the four design aspects studied, the comparative analysis in the production of electromagnetic torque and the figures of merit associated with the YASA machine resulted in an increase of the maximum torque density by 31.79%. A prototype designed and built specifically for the analysis and experimental validation, with trapezoidal cross section and HGO in the armature, allowed to verify the increase of 21.16% in the torque density, addressing the number of phases and the injection of the third harmonic current. Finally, it is important to mention the value, obtained numerically, for the maximum torque density, limited to the partial demagnetization of permanent magnets, in approximately 100 [kNm/m³]. This aspect is of great interest for emerging applications that necessarily require the maximization of this figure of merit, especially for direct drive applications.