Publicação: Geradores lineares tubulares a pistão livre: modelagem harmônica e análise da densidade de fluxo magnético de um arranjo Halbach
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
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Resumo
Geradores lineares a ímã permanente são conhecidos por sua eficiência, construção
compacta e capacidade de usar diferentes tipos de acionamentos para geração de
energia. Este estudo concentra-se na modelagem e análise de um gerador elétrico linear
poligonal a imã permanente acionado a pistão livre. O modelo de projeto do gerador foi
definido, a partir de bases matemáticas analíticas visando a obtenção do comportamento
da máquina de acordo com a densidade de fluxo magnético presente no processo de
geração, bem como nas simulações em softwares específicos para análise de máquinas
elétricas. Neste estudo, os ímãs do gerador foram moldados utilizando uma
configuração baseada no arranjo do tipo Halbach. O gerador projetado possui um eixo linor poligonal com doze fileiras de imãs de Neodímio dispostos de maneira a formar
dois passos polares magnéticos. Para verificar o desempenho, foram realizadas análises
numéricas utilizando o método dos elementos finitos no software ANSYS® Maxwell.
Além do mais, o modelo dinâmico completo foi implementado usando o Matlab®, por
meio do Simulink®. O sistema foi controlado utilizando uma fonte controlada de
corrente - conversor CA/CC. A construção do protótipo do gerador é baseada nos
resultados gerados por meio das análises matemáticas da modelagem harmônica e dos
métodos numéricos simulados. Os valores dos parâmetros eletromagnéticos, como
corrente, tensão, densidade magnética e potência, foram obtidos na frequência mecânica
ressonante, com base na força de impulsão do linor prevista na construção futura do
motor a pistão livre a ser acoplado ao gerador, que ocorrerá a uma frequência de
33,8978 Hz. Em seguida, os dados foram analisados para avaliar o desempenho do
gerador. As conclusões demonstram resultados satisfatórios de acordo com o método
dos Elementos Finitos e o modelo dinâmico de simulação escolhidos, haja vista que o
protótipo do gerador segue em construção.
Abstract
Permanent magnet linear generators are known for their efficiency, compact
construction and ability to use different types of drives for power generation. This study
focuses on the modeling and analysis of a free piston driven permanent magnet linear
polygonal electric generator. The generator design model was defined based on
analytical mathematical bases aiming at obtaining the behavior of the machine
according to the magnetic flux density present in the generation process, as well as on
simulations in specific software for analysis of electrical machines. In this study, the
generator magnets were molded using a configuration based on the Halbach type
arrangement. The designed generator has a polygonal linear axis with twelve rows of
Neodymium magnets arranged in such a way as to form two magnetic polar steps. In
order to verify the performance, numerical analyses were performed using the finite
element method in the ANSYS® Maxwell software. Furthermore, the complete
dynamic model was implemented using Matlab®, through Simulink®. The system was
controlled using a controlled current source - AC/DC converter. The construction of the
generator prototype is based on the results generated through mathematical analyses of
harmonic modeling and numerical simulation methods. The values of electromagnetic
parameters, such as current, voltage, magnetic density and power, were obtained at the
resonant mechanical frequency, based on the thrust force of the linor predicted in the
future construction of the free piston engine to be coupled to the generator, which will
occur at a frequency of 33.8978 Hz. The data were then analyzed to evaluate the
generator performance. The conclusions demonstrate satisfactory results according to
the Finite Element method and the dynamic simulation model chosen, given that the
generator prototype is still under construction.
Palavras-chave
Geradores Lineares Tubulares, Pistão Livre, Modelagem matemática dos harmônicos, Densidade de Fluxo Magnético, Arranjo Halbach, Tubular Linear Generators, Free Piston, Mathematical modeling of harmonics, Magnetic Flux Density, Halbach Arrangement
Citação
SOUZA, Williamar Prazeres. geradores lineares tubulares a pistão livre: modelagem harmônica e análise da densidade de fluxo magnético de um arranjo Halbach. 2024. 97 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2024.560.
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