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Estado da Arte em Projeto de Máquinas Elétricas



Otimização Multidisciplinar e Integração Multifísica


Olá, pessoal! Hoje discutiremos as tecnologias mais avançadas no projeto de máquinas elétricas. A CAEXPERTS, em parceria com a SIEMENS Digital Industries Software, está implementando um novo fluxo de trabalho de projeto impulsionado pela otimização multidisciplinar e integração multifísica em seus clientes do setor de eletrificação. Confira!


Integração de Ferramentas de Simulação e Otimização


A integração de ferramentas de simulação e o uso de softwares de otimização revolucionaram o projeto de máquinas elétricas, permitindo a criação de soluções altamente eficientes e personalizadas para diversas aplicações.


A simulação de sistemas e geometrias complexas possibilita a integração do processo clássico de design de motores com o poder computacional atual. As ferramentas digitais acoplam solvers elétricos, térmicos, fluidodinâmicos, mecânicos e acústicos, exploram o espaço de projeto otimizado por algoritmos, validam numericamente cálculos e modelos teóricos, integram o produto no sistema e automatizam processos. Isso permite que os projetistas foquem nos aspectos mais desafiadores do projeto, reduzindo drasticamente a necessidade de testes em bancadas até a elaboração do protótipo final.

Dessa forma, a digitalização intensiva da engenharia de desenvolvimento de produto reduz efetivamente prazos e custos, gerando produtos mais competitivos e robustos.


Fluxo de Projeto Avançado


O projeto de máquinas elétricas começa pela definição do problema a ser solucionado e das características de design desejadas.


Os requisitos do projeto são convertidos em parâmetros essenciais, como características de alimentação, demandas da carga e restrições dimensionais, inseridos nas equações de projeto da máquina. Software especializado auxilia nessa etapa, traduzindo os requisitos do projeto em características numéricas desejadas.

Em seguida, diferentes topologias de motores são comparadas, testando-se várias configurações para determinar preliminarmente a topologia mais adequada. Um software de otimização, como o HEEDS, pode avaliar rapidamente uma diversidade de configurações em questão de minutos, utilizando equações analíticas com baixo custo computacional para uma análise comparativa. Com o acoplamento a um solver analítico, como o SPEED ou o Motorsolve, o HEEDS explora o espaço de design, apresentando as características de diferentes combinações de topologias, como um BLDC com rotores de ímãs internos ou de superfície, máquinas de relutância ou diferentes geometrias de ranhura.

Essa análise comparativa permite identificar as opções mais promissoras antes de prosseguir para etapas mais detalhadas do projeto.


Cálculo Analítico e Análise 2D


O cálculo analítico desempenha um papel fundamental no projeto de máquinas elétricas, permitindo a rápida avaliação dos parâmetros. Equações e modelos matemáticos são utilizados para obter características importantes, como o mapa de eficiência, curvas de torque, corrente e velocidade, além de perdas e harmônicos.


No entanto, o projeto analítico possui limitações. Embora seja útil para uma avaliação rápida do projeto, seus resultados geralmente não são suficientemente precisos para a maioria dos requisitos atuais de projeto. Portanto, em vez de realizar prototipação inicial, é feita uma análise 2D para validar os resultados obtidos e investigar os campos eletromagnéticos no motor. Essa análise detalhada pode considerar aspectos como não linearidades, saturação magnética e distribuição de corrente. Ela ajuda a refinar os cálculos analíticos, fornece insights sobre a distribuição do campo elétrico e magnético e sugere possíveis melhorias no design.


Todo esse processo é gerenciado pelo otimizador HEEDS, que realiza uma varredura completa de parâmetros de projeto, topologias e verificações adicionais, sejam elas analíticas ou em elementos finitos 2D. Além disso, são realizadas avaliações do impacto ou sensibilidade das variáveis, gerando estudos de robustez e confiabilidade do projeto.

Na figura acima, vemos um exemplo de otimização para um Spoke-IPMSM utilizando o software MAGNET em uma simulação bidimensional acoplada ao HEEDS.


Abordagem Multifísica


À medida que um maior volume de parâmetros é investigado e selecionado, é necessário realizar estudos mais refinados em 3D, utilizando softwares de simulação avançada como o MAGNET para realizar simulações eletromagnéticas tridimensionais. O objetivo nesse momento é obter uma análise precisa que considere os elementos no terceiro eixo do problema, como a influência das cabeças de bobina no funcionamento da máquina ou campos assimétricos. Essa simulação possibilita a validação e o aprimoramento do modelo da máquina elétrica.

Além das análises elétricas, o projeto de máquinas elétricas também envolve estudos térmicos, fluidodinâmicos (utilizando o STAR CCM+) e estruturais (utilizando o Simcenter 3D). Essas quatro áreas estão fortemente interligadas, pois afetam diversas propriedades dos materiais, influenciando o desempenho e a durabilidade. Por meio de simulações multifísicas tridimensionais, é possível realizar uma análise abrangente do desempenho elétrico, mecânico e térmico da máquina elétrica, garantindo um design robusto e confiável. Essas simulações podem inclusive considerar a influência de detalhes de fabricação, montagem e equipamentos próximos.


Em seguida, o projeto de máquinas elétricas deve considerar o aspecto de vibração e acústica (utilizando o Simcenter 3D), os quais são fatores limitantes importantes, seja devido ao ruído ou à fadiga. Melhorias nessas áreas envolvem modificações na construção, parâmetros operacionais e materiais, afetando todas as disciplinas de projeto.


Abordagem Sistêmica


Por fim, é importante considerar o desempenho da máquina elétrica em seu sistema de aplicação específico (como uma planta, subestação, veículo elétrico, aeronave, centro de usinagem, etc.). Nesse momento, aspectos como a dinâmica de controle, regimes de carga, ciclos de trabalho e transientes operacionais são avaliados para reproduzir com mais realismo as condições de funcionamento e operação do equipamento. Todos os simuladores da SIEMENS, como o SPEED, Motorsolve, MAGNET, Simcenter 3D e STAR CCM+, geram modelos de ordem reduzida que podem ser acoplados a simuladores ou integradores de sistemas complexos, como o Simcenter AMESIM (ou Simulink, SystemVision, LabVIEW, VHDL-AMS, SPICE, etc.).


Conclusão


A digitalização da engenharia e o fluxo de trabalho integrado com simulações multifísicas têm impulsionado significativamente o projeto de máquinas elétricas. Essas abordagens avançadas permitem explorar diferentes topologias, otimizar o design, validar os resultados analíticos e aprimorar o desempenho dos motores em geral, contribuindo para soluções mais eficientes e adaptadas às necessidades específicas de cada aplicação. A integração dessas ferramentas em um fluxo de trabalho direcionado pela otimização multidisciplinar permite uma exploração mais profunda e automatizada do espaço de projeto, levando o projeto de máquinas elétricas a um novo patamar de produtividade, precisão e robustez.


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