Projeto de motores elétricos podem ser otimizados com simulação computacional
Engenheiros utilizam simulação computacional para reduzir dimensões do ímã de um motor elétrico mantendo a eficiência do equipamento
Os motores elétricos são responsáveis pelo consumo de quase metade de toda a energia do planeta. A otimização de seu projeto é essencial para poupar recursos naturais bem como para conseguir manter preços competitivos, uma vez que o custo da matéria-prima utilizada em sua fabricação varia significativamente devido a flutuações na demanda do mercado e oferta limitada das mesmas.
Motores utilizados em veículos híbridos elétricos (HEV/EV) utilizam ímãs e um dos grandes desafios atuais é alterar a geometria visando reduzir custos sem impactar negativamente na eficiência e qualidade de torque. De forma análogo a outros projetos de engenharia, a otimização baseada em alterações de projeto, manufatura de protótipos e ensaios em laboratório demanda tempo e recursos significativos.
Para tornar esse processo mais rápido, eficiente e preciso, engenheiros utilizam ferramentas de simulação computacional para prever as alterações de desempenho do motor em função de mudanças geométricas propostas. Engenheiros responsáveis pelo projeto de motores elétricos com ímãs permanentes geralmente utilizam o Método de Elementos Finitos (FEM) e criam protótipos virtuais para realizar essas análises.
Os softwares de simulação baseados no método dos elementos finitos são geralmente genéricos e podem ser aplicados em diversas situações, desde sistemas microeletromecânicos (MEMS) a geradores hidrelétricos. Em algumas situações é necessário customizar estes sistemas para aplicações específicas tais como a obtenção do mapa de eficiência de motores elétricos. A maioria dos softwares de simulação permite sua customização por meio da utilização de algum tipo de linguagem de programação. Um exemplo é a linguagem IronPython que pode ser integrada ao ANSYS Maxwell.
Projeto original e modificado desenvolvido pela Magna Electronics Calculando a eficiência O método utilizado para calcular a eficiência dos motores elétricos é baseado na estratégia de máximo de torque por ampère (MTPA). Para uma determinada condição de torque, velocidade e tensão DC, a trajetória da corrente é crucial para otimizar eficiência de operação dos motores.
Outros fatores importantes incluem a modulação por largura de pulso (PWM) e a frequência de chaveamento. Teoricamente, variando-se a tensão de entrada existem infinitas combinações de corrente de controle as quais podem resultar no torque necessário a uma dada velocidade. Por isso, a estratégia de controle necessita ser cuidadosamente implementada para minimizar perdas no motor e consequentemente aumentar a eficiência. As simulações realizadas neste caso foram validadas através de medições em um motor pela Magna Electronics. O trabalho resultou em uma redução de 20% em relação as dimensões originais do ímã permanente, mantendo-se a eficiência em toda a faixa de operação.
Fonte ANSYS
