Projeto e otimização de um gerador de ímãs permanentes com topologia de fluxo magnético transversal

Abstract

Nesta tese de doutorado é apresentada uma metodologia para o projeto de um gerador de fluxo transversal com ímãs permanentes no rotor. O projeto inicia com a escolha da topologia e a definição dos valores nominais do dispositivo. A partir dos dados nominais são definidas as dimensões das estruturas magnéticas da máquina. A metodologia de projeto utiliza redes de relutâncias para caracterizar de forma aproximada o fluxo magnético no entreferro e, a partir das características dos ímãs permanentes escolhidos, determinar a largura do entreferro. Um processo iterativo é aplicado para a determinação do número de espiras da bobina de armadura e da força eletromotriz induzida. São determinados os parâmetros concentrados do circuito magnético e é proposta uma rede de relutâncias para caracterizar os fluxos de dispersão e, assim, modelar a indutância síncrona do gerador. Além disso, são obtidos os valores das perdas energéticas, do rendimento, da tensão nos terminais do gerador, do volume, e da massa dos materiais da máquina. A estrutura é, então, otimizada por meio de algoritmos de otimização para se obter dois projetos de máquinas otimizadas. É apresentado o desempenho de três máquinas dimensionadas: uma máquina para avaliar a metodologia do projeto e duas máquinas otimizadas. Os resultados analíticos tiveram boa concordância quando comparados com os resultados obtidos usando o método de elementos finitos em 3D.

Abstract: This doctoral thesis presents a methodology for the design of a transverse flux generator with permanent magnets in the rotor. The project starts by choosing the topology and defining the device?s nominal values. Based on the nominal data, the dimensions of the magnetic structures of the machine are defined. The methodology uses reluctance networks to roughly characterize the magnetic flux in the air gap and, based on the characteristics of the chosen permanent magnets, determine the width of the air gap. An iterative process is then applied to determine the number of turns of the armature coil and the induced electromotive force. The lumped parameters of the magnetic circuit are determined, where a reluctance network is proposed to characterize the leakage fluxes and thus model the synchronous inductance of the generator. In addition, energy losses, efficiency, voltage at the generator terminals, volume, mass and the economic cost of the machine?s materials are obtained. The structure is then optimized through optimization algorithms to obtain two optimal machines. The performance of three machines is presented: one machine to evaluate the project methodology and two optimized machines whose analytical results had a good agreement when compared with results obtained with the 3D finite element method.