Estudo e concepção de máquina de relutância síncrona de fluxo axial para tração elétrica automotiva

Abstract

O presente trabalho propõe uma metodologia de projeto de uma nova máquina síncrona de relutância variável duplamente saliente, a qual opera com fluxo magnético axial composta por alimentação trifásica e de campo localizadas no estator que propõem a utilização aço silício de grão orientado laminado nos módulos do rotor e do estator. A volatilidade dos preços dos materiais de terras raras motivou a busca pela não utilização de ímãs permanentes que proporciona mais robustez, facilidade na construção e permite operação em mais altas temperaturas. Os modelos da topologia proposta foram validados por comparações. O modelo analítico por redes de relutância viabilizou o dimensionamento e a pronta obtenção dos melhores parâmetros para o dispositivo, assim como o modelo semi-analítico possibilitou a análise na condição de saturação de todos os componentes de conjugado. A anisotropia dos aços utilizados foi contemplada pelo modelo numérico, os quais foram caracterizados experimentalmente. Considerando-se as características avaliadas, os resultados analíticos, numéricos e experimentais do protótipo construído atendem os requisitos do projeto. A construção modular dos rotores e do estator possibilitou a manufatura da máquina com aço laminado de grão orientado e maximizou a quantidade de cobre nas ranhuras. Com isto, atingiuse uma densidade de conjugado de 30,4 kNm/m³, equiparando-a às máquinas radiais de ímãs permanentes empregadas para tração elétrica.

This thesis presents the design methodology of a doubly salient variable reluctance synchronous machine that operates with axial magnetic flux composed of three-phase and field windings located in the stator and proposes the use of laminated grain-oriented silicon steel in the rotor an and the stator modules. The price volatility of rare earth materials motivated the search for the non-use of permanent magnets that provide more robustness, ease of construction and allow operation at higher temperatures. The models of the proposed topology were validated by comparisons. The comparisons validate the models of the proposed topology. The analytical model by reluctance networks enabled the quick sizing and obtaining of the best parameters for the device. The semi-analytical model can perform analysis under saturation operation and torque components. Finally, the numerical model included the anisotropy of the steels used and experimentally characterized. The analytical, numerical and experimental results of the built prototype showed good results considering the evaluated characteristics. The modular construction of the rotors and stator made it possible to manufacture this machine with grain-oriented steel and maximized slot fill factor. As a result, a torque density of 30.4 kNm/m³ was reached, matching the radial PM machines used for electrical traction.