Projeto de máquina síncrona de ímãs permanentes para aplicações de tração elétrica

Abstract

O projeto de diplomação propõe a conversão de um alternador automotivo em um motor síncrono de ímãs permanentes para uso em aplicações de tração. O objetivo é projetar o novo rotor para utilização do alternador adaptado em sistemas de propulsão de veículos elétricos, tais como carros, bicicletas e motonetas. Para fundamentar o trabalho, foi realizada uma revisão bibliográfica qualitativa de máquinas elétricas focada nos objetos de estudo do projeto, alternadores e motores síncronos de ímãs permanentes. Além disso, foram apresentados os principais conceitos dos parâmetros de desempenho de motores. Por fim, foi investigado as etapas e processos de usinagem envolvidos na fabricação de máquinas elétricas, em especial o processo de eletroerosão a fio, além dos materiais de uso típico em motores. Na sequência é apresentado o alternador a ser utilizado como base para o projeto. É proposto que o estator e os mancais do alternador sejam preservados. O projeto prevê a alteração da excitação de campo da máquina e, com isso, o dimensionamento de um novo rotor. Analiticamente encontrou-se um conjugado mínimo de 7,23 Nm e máximo de 16,58 Nm. Adicionalmente, foi apresentada a ferramenta computacional, Ansys Maxwell, utilizada para realizar simulações numéricas, pelo método de elementos finitos, na qual foi possível parametrizar as dimensões dos ímãs e coroa do rotor. Foram obtidas, via simulação paramétrica, valores de tensão induzida, conjugado estático e conjugado transiente para uma faixa de valores de encobrimento e espessura dos ímãs. Com o objetivo de maximizar o conjugado e aliado com as restrições comerciais e com os resultados analíticos e numéricos, foi possível definir todas as variáveis para fabricação do motor. Para o modelo final escolhido, o valor do conjugado em regime permanente foi de 10,04 Nm. Adicionalmente foi realizado o cálculo do conjugado a partir dos valores de tensão induzida, obtido de 10,40 Nm. Por fim, utilizando os equipamentos e materiais disponíveis no LMEAE foi usinado o novo rotor e validado experimentalmente o protótipo construído pela comparação dos resultados de tensão induzida obtidos pelo ensaio com os resultados de simulação.

This graduation project proposes the conversion of an automotive alternator into a permanent magnet synchronous motor for use in traction applications. The objective is to design a new rotor for the adapted alternator in electric vehicle propulsion systems, such as cars, bicycles, and scooters. To support the work, a qualitative literature review of electric machines focused on the project’s study objects, alternators, and permanent magnet synchronous motors, was conducted. In addition, the key concepts of motor performance parameters were presented. Finally, the machining steps and processes involved in the fabrication of electric machines, especially the wire EDM (Electrical Discharge Machining) process, as well as typical materials used in motors, were investigated. Next, the alternator to be used as the base for the project is presented. It is proposed that the alternator’s stator and bearings be preserved. The project involves altering the field excitation of the machine and, as a result, sizing a new rotor. Analytically, a minimum torque of 7.23 Nm and a maximum of 16.58 Nm were found. Additionally, the computational tool, Ansys Maxwell, used for numerical simulations by the finite element method, is introduced. This tool allowed for parameterizing the dimensions of the rotor’s magnets and crown. Through parametric simulation, values of induced voltage, static torque, and transient torque were obtained for a range of magnet overlap and thickness values. With the goal of maximizing torque, combined with commercial constraints and analytical and numerical results, all variables for motor fabrication were defined. For the final chosen model, the steady-state torque value was 10.04 Nm. Additionally, torque calculations were made based on induced voltage values, resulting in a torque of 10.40 Nm. Finally, using the equipment and materials available at the university laboratory (LMEAE), the new rotor was machined, and the prototype was experimentally validated by comparing the results of induced voltage obtained from the test with the simulation results.