Metodologia de projeto de um alternador síncrono trifásico de polos salientes com análise magnética através de rede de relutâncias e de simulações numéricas

Abstract

Este trabalho apresenta uma metodologia de projeto de um alternador síncrono trifásico de polos salientes com foco no desempenho magnético. Através dos requisitos de funcionamento nominal da máquina, calculam-se as dimensões inicias das principais partes do alternador para as posteriores análises. Para isso, utilizam-se equações analíticas, além de considerações empíricas de projeto obtidas através de pesquisa bibliográfica. Realizou-se a implementação de um circuito magnético de relutâncias considerando a curva de saturação do aço elétrico, além de realizar um processo iterativo para o cálculo da força magnetomotriz necessária para gerar o fluxo magnetizante nominal. No circuito magnético, as principais partes da máquina são modeladas por relutâncias magnéticas. A implementação do circuito magnético é realizada através de um programa escrito pelo autor, na linguagem Python. Essa linguagem é escolhida por ser de código aberto, além de apresentar diversas bibliotecas para cálculos matemáticos. Em seguida, as simulações de elementos finitos em magnetostática e em regime transiente com e sem carga são realizadas em um software comercial. Os resultados analíticos são comparados com os resultados numéricos e, considera-que, que houve boa concordância entre eles. Por fim, conclui-se, que a ferramenta analítica desenvolvida neste trabalho atende os requisitos de projeto do alternador.

This work presents a design methodology for a three-phase synchronous alternator with salient poles with a focus on magnetic performance. Through the nominal operating requirements of the machine, the initial dimensions of the main parts of the alternator are calculated for further analysis. For this, analytical equations are used in addition to empirical design considerations obtained through bibliographic research. A reluctance magnetic circuit was implemented considering the saturation curve of the electric steel, in addition to performing an iterative process for calculating the magnetomotive force necessary to generate the nominal magnetizing flux. In the magnetic circuit, the main parts of the machine are modeled by magnetic reluctances. The implementation of the magnetic circuit is carried out through a program written by the author, in the Python language. This language is chosen because it is open source, in addition to presenting several libraries for mathematical calculations. Then, the finite element simulations in magnetostatics and in a transient regime with and without load are performed in commercial software. The analytical results are compared with the numerical results and, it is considered, that there was good agreement between them. Finally, it is concluded that the analytical tool developed in this work meets the design requirements of the alternator.