Motores Síncronos de Relutância

Prof. Sebastião L. Nau, Dr. Eng.

Set 2017

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Características construtivas

É um motor síncrono com estator igual ao de um

motor de indução, com enrolamentos distribuídos.

Na sua forma mais simples, possui um rotor

composto apenas de lâminas de material

ferromagnético, sem condutores (sem gaiola) e

sem ímãs permanentes.

As lâminas do rotor possuem barreiras de fluxo,

que nada mais são do que espaços de ar,

resultantes de retirada de material durante o

processo de estampagem da lâmina.

As barreiras criam uma anisotropia no rotor.

O rotor é fragilizado pelas barreiras de fluxo, o que

limita a rotação máxima.

As pontes estruturais devem suportar os esforços

mecânicos na rotação máxima, mas devem ser

minimizadas, pois afetam negativamente o torque

do motor.

PONTES ESTRUTURAIS

BARREIRA DE FLUXO

Variações possíveis

Rotor com ímãs

permanentes

Necessita inversor de

frequência.

Alto fator de potência.

Desempenho superior

ao motor de indução

e ao motor puramente

relutância.

Rotor com barreiras de

fluxo apenas

Necessita inversor de

frequência.

Baixo fator de potência.

Desempenho melhor do

que o motor de indução

em baixas rotações.

Rotor com gaiola de

alumínio

Não necessita inversor

de frequência.

Parte diretamente na

rede.

Baixo fator de potência.

Desempenho

equivalente ao motor

de indução, porém

síncrono.

Rotor axialmente

laminado

Necessita inversor de

frequência.

Baixo fator de potência.

Desempenho pouco

superior ao motor de

indução, porém

síncrono.

Fabricação complexa.

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Características de desempenho

Necessita de um conversor de frequência com controle vetorial para

partida e funcionamento estável.

Apresenta fator de potência mais baixo do que os motores de indução, e

por consequência, corrente mais alta (10 a 20%)

Baixas perdas no rotor menor temperatura dos mancais

Não possui perdas joule no rotor, portanto, apresenta melhor

desempenho do que o motor de indução em baixas rotações.

Entretando não alcança o desempenho dos motores com ímãs, para o

mesmo volume de material ativo.

O torque de relutância é proporcional à diferença Ld – Lq.

Relação de saliência: Ld/Lq quanto maior, maior o FP.

(Ld – Lq); Trel

(Ld/Lq); FP

Vantagens e desvantagens

Vantagens:

Materiais e processos de fabricação

similares aos do motor de indução;

Ausência de ímãs permanentes no

rotor:

Não requer dispositivos especiais

para montagem e desmontagem do

rotor;

Não há risco de desmagnetização;

Maior faixa de rotações, pois não

tem tensão gerada;

Operação síncrona com controle

vetorial;

Menores perdas em baixas

rotações do que o motor de

indução;

Desvantagens:

Necessita de um inversor de

frequência com controle vetorial para

partida e funcionamento estável;

Exceto em baixas velocidades, o

desempenho não é superior ao dos

motores de indução;

Rotação máxima é limitada pela

fragilidade do rotor imposta pelas

barreiras de fluxo;

Menor fator de potência do que os

motores de indução;

Maior corrente do que os motores de

indução;

Geralmente exige um drive com

maior capacidade de corrente do que

os motores de indução.

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Princípio do torque de relutância

Na figura há dois objetos ferromagnéticos (a e b) imersos em um campo

mangético.

O objeto b tem geometria isotrópica: nenhuma força é exercida sobre

ele, pois ele não apresenta uma direção preferencial à passagem do

fluxo magnético.

O objeto a tem geometria anisotrópica, com diferentes relutâncias nos

eixos d e q : uma força será exercida para alinhar o eixo d com o campo

magnético, causando a rotação do objeto torque de relutância

O torque é criado pela tendência do rotor em alinhar o seu eixo de menor

relutância (eixo d) com o fluxo do estator.

Eixo direto: caminho de menor relutância e maior indutância (Ld)

Eixo em quadratura: caminho de maior relutância e menor indutância (Lq)

Neste motor, Ld > Lq

Se (Ld – Lq) = 0 Trel = 0

Se g = 0 Trel = 0

Se g = 90 Trel = 0

Se g = 45 Trel = máximo

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Princípio de funcionamento do motor

EIXO DIRETO

EIXO EM QUADRATURA

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Eixos direto e em quadratura

Eixo direto:

Baixa relutância

Elevada indutância (Ld)

Susceptível à saturação

Eixo em quadratura:

Elevada relutância

Baixa indutância (Lq)

Pouco susceptível à

saturação

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Diagrama Fasorial

Ângulo f grande baixo fator de potência

Para aumentar FP fazer Ld >>Lq

q

d

Id

V

I

Iq LqIq

Ψ

LdId

jIqXq

jIdXd

g

f

g : ângulo de avanço de corrente, ou ângulo de torque é o

ângulo elétrico entre I e o eixo d

f: ângulo elétrico entre V e I

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Fluxos de eixo direto e em quadratura

O fluxo de eixo d aumenta rapidamente com a corrente, e apresenta saturação.

O fluxo de eixo q aumenta quase linearmente com a corrente, e em proporção bem

menor.

Indutâncias de eixo direto e em quadratura

No exemplo acima, Ld apresenta grande variação em função de Id, uma vez que o eixo direto

tem baixa relutância, portanto o fluxo é maior e atinge facilmente a saturação da chapa

conforme a corrente aumenta.

Lq apresenta uma variação menor com Iq, pois o eixo em quadratura apresenta alta relutância,

portanto o fluxo é menor, saturando menos a chapa.

Ld é predominantemente limitado pela saturação do estator, enquanto que Lq depende

fortemente da geometria da chapa do rotor (p. ex., largura das pontes estruturais).

Indutâncias de eixo direto e em quadratura

(Ld – Lq); Trel

(Ld/Lq); FP

Torque

Considerando a saturação, à

medida em que a corrente

aumenta:

Trel = máx g > 45°

Idealmente, para qualquer

valor de corrente:

Trel = máx g = 45°

Torque

g Iq Id T &

Isto ocorre porque, com g > 45°, Id é reduzido, diminuindo a saturação no

eixo direto, aumentando Ld. Além disso, mantendo-se a mesma corrente

total, Iq aumenta, reduzindo um pouco Lq, e aumentando “Ld-Lq”.

≈Trel