Projecto e análise de funcionamento de um motor síncrono de relutância através de elementos finitos

Abstract

Na atualidade, com o desenvolvimento da eletrónica de potência, a máquina síncrona de relutância (SynRM) apresenta grandes benefícios, no que se refere ao seu rendimento, à sua resposta dinâmica elevada, ao seu custo e ao seu peso. De acordo com estas vantagens, e tendo em consideração a representação massiva dos motores elétricos no consumo energético nas indústrias, é importante apostar no desenvolvimento e otimização deste tipo de motores elétricos.Com esse intuito, esta dissertação foca-se no projeto de um motor síncrono de relutância de 7.5 kW, a partir de um estator de um motor de indução, proposto pela WEG.Para esse efeito recorre-se à análise dos esquemas equivalente por fase e fasorial da máquina síncrona clássica, com as respetivas adequações para o SynRM. Desta forma, é exequível determinar os parâmetros de desempenho deste motor, nomeadamente o valor do binário eletromagnético desenvolvido e sua oscilação, o fator de potência aparente ou interno e o seu rendimento.Por forma a otimizar e potenciar os parâmetros de desempenho do SynRM são implementadas soluções de otimização na estrutura rotórica anisotrópica laminada (TLA). Essas soluções incidem, essencialmente, na seleção do número ótimo de barreiras de fluxo a colocar no rotor e, consequentemente, no seu posicionamento e dimensionamento.De modo a avaliar e comprovar as alterações nos parâmetros de desempenho, por parte das soluções de otimização, é imprescindível utilizar um software de elementos finitos. Esta ferramenta permite realizar um estudo detalhado do domínio magnético, isto é, recorrendo à análise da densidade de fluxo magnético, das linhas de campo magnético e do valor das indutâncias segundo o eixo d (Ld) e q (Lq).Por fim, de forma a validar os resultados obtidos são retiradas as conclusões, com base na comparação entre as várias geometrias rotóricas (TLA). Deste modo é escolhido a geometria mais otimizada, para ser alvo de um estudo minucioso.

Nowadays, with the development of power electronics, synchronous reluctance machines (SynRM) offer great benefits in terms of performance, high dynamic response, cost and weight. According to these advantages and considering the massive representation of the electric motors in the energy consumption in the industries, it is important to invest on the development and optimization of this type of electric motors.With this ambition, this dissertation focuses on the design of a 7.5 kW synchronous reluctance motor, based on a stator of an induction motor, proposed by WEG.For this purpose, we use the analysis of the phasor and phase equivalent schemes of the classical synchronous machine, with their respective adaptations for SynRM. In this way, it is feasible to determine the performance parameters of this motor, namely the value of the developed electromagnetic torque and its oscillation, apparent or internal power factor and its efficiency.In order to optimize and enhance the performance parameters of SynRM, optimization solutions are implemented in the laminated anisotropic rotor structure (TLA). These solutions essentially focus on the selection of the optimum number of flux barriers to be placed on the rotor and, consequently, on their positioning and sizing.In order to evaluate and verify the changes in the performance parameters by the optimization solutions, it is imperative to use finite element software (FEA). This tool allows to carry out a detailed study of the magnetic field, i.e., using the analysis of the magnetic flux density, the magnetic field lines and the value of the inductances according to the d (Ld) and q (Lqaxis.Finally, in order to validate the obtained results, the conclusions are drawn, based on the comparison between the various rotor geometries (TLA). In this way is chosen the most optimized geometry, to be the subject of a detailed study.