Desenvolvimento de um Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes sobre a Estrutura de uma Bicicleta

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Gilberto Lopes Filho
Hugo Emerenciano Santos
Desenvolvimento de um Gerador Síncrono de
Ímãs Permanentes sobre a Estrutura de uma
Bicicleta
Goiânia
2016
Gilberto Lopes Filho
Hugo Emerenciano Santos
Desenvolvimento de um Gerador Síncrono de Ímãs
Permanentes sobre a Estrutura de uma Bicicleta
Trabalho de conclusão de curso apresentado
como requisito para obtenção do diploma no
curso de Engenharia Elétrica na Universidade
Federal de Goiás
Universidade Federal de Goiás
Escola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação
Trabalho de Conclusão de Curso
Orientador: Prof. Dr. Igor Kopcak
Goiânia
2016
Gilberto Lopes Filho
Hugo Emerenciano Santos
Desenvolvimento de um Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes sobre a Estrutura
de uma Bicicleta/ Gilberto Lopes Filho
Hugo Emerenciano Santos. – Goiânia, 2016-
112 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.
Orientador: Prof. Dr. Igor Kopcak
TCC – Universidade Federal de Goiás
Escola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação
Trabalho de Conclusão de Curso, 2016.
1. Ímã. 2. Bicicleta. 2. Neodímio. I. Prof. Dr. Igor Kopcak. II. Universidade
Federal de Goiás. III. Escola de Engenharia Elétrica, Mecânica e de Computação. IV.
Desenvolvimento de um Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes sobre a Estrutura de
uma Bicicleta
Gilberto Lopes Filho
Hugo Emerenciano Santos
Desenvolvimento de um Gerador Síncrono de Ímãs
Permanentes sobre a Estrutura de uma Bicicleta
Trabalho de conclusão de curso apresentado
como requisito para obtenção do diploma no
curso de Engenharia Elétrica na Universidade
Federal de Goiás
Trabalho aprovado. Goiânia, 08 de dezembro de 2016:
Prof. Dr. Igor Kopcak
Orientador
Prof. Dr. Gelson Antônio A. Brigatto
EMC/UFG
Prof. Dr. Geyverson Teixeira de Paula
EMC/UFG
Goiânia
2016
“Vá embora criança humana pelas águas e montanhas de mãos dadas com uma fada azul,
pois o mundo é mais cheio de dor do que possa imaginar, sua busca é perigosa mas a
recompensa é valiosa. Este trabalho é dedicado às crianças adultas que,
quando pequenas, sonharam em se tornar cientistas."
(A.I. – Inteligência Artificial) e (Autor Desconhecido)
Agradecimentos
Agradecemos primeiramente a Deus que nos deu o dom de pensar e esteve presente
em todos os momentos das nossas vidas. Sem Ele nada disso seria possível.
Aos nossos pais que nos educaram e nos possibilitaram chegar até aqui, nos
incentivando e dando forças nos momentos difíceis.
Ao Prof. Dr. Igor Kopcak que nos orientou pacientemente buscando sempre o
melhor do Trabalho.
Ao Prof. Dr. José Wilson Lima Nerys que gentilmente cedeu o espaço de seu
laboratório na primeira etapa desse projeto.
Ao Gustavo de Castro Lopes que nos auxiliou, usando a ferramenta SolidWorks,
na elaboração de alguns desenhos utilizados ao longo deste trabalho.
Ao nosso grande amigo Gustavo Souza, fonte de inspiração para nós e exemplo de
humildade.
Aos demais professores, colegas e funcionários da Universidade que incentivaram e
contribuíram direta ou indiretamente com este trabalho.
Resumo
Neste trabalho de conclusão de curso foi projetado, construído e testado o desempenho de
um Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes. A premissa do projeto foi desenvolver em
uma bicicleta, utilizando de sua própria estrutura, um gerador de eletricidade. A energia
cinética desenvolvida pelo ciclista é convertida em energia elétrica. O rotor do gerador é
constituído de ímãs de neodímio que são fixados entre os raios da roda traseira da bicicleta,
e o estator é uma única bobina em forma de U fixada ao quadro da bicicleta. Foi estudada
a melhor forma de distribuição dos ímãs ao longo do rotor. Foram realizados ensaios afim
de se obter os parâmetros elétricos do gerador, tais como corrente, tensão e potência em
função da velocidade e impedância interna. Desejava-se ainda obter o modelo do circuito
magnético e a distribuição magnética dos ímãs no espaço por meio das linhas de campo.
Obteve-se a relação entre a forma de onda induzida no estator e a forma de onda do
fluxo magnético. A tensão de saída do gerador é retificada, filtrada e regulada para que se
obtenha uma fonte de tensão de 5 Vdc. É possível com esse gerador alimentar um conjunto
de LEDs brancos que funcionam como faróis dianteiro e traseiro, e carregar a bateria
de um celular. O protótipo servirá para auxiliar o entendimento do funcionamento de
máquinas síncronas de ímãs permanentes no Laboratório de Conversão Eletromecânica de
Energia.
Palavras-chave: bicicleta, gerador, ímã, neodímio.
Lista de ilustrações
Figura 2.1 – Exemplo de um núcleo ferromagnético. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figura 2.2 – Circuito magnético equivalente da Figura 2.1. . . . . . . . . . . . . . . 24
Figura 2.3 – Ímã de Neodímio utilizado neste trabalho. . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Figura 2.4 – Símbolo do diodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Figura 2.5 – Curva de Operação do Diodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Figura 2.6 – Diodo 1N4007. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figura 2.7 – Simbologias de Capacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figura 2.8 – Capacitor de 4700 µF, 25V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 2.9 – Circuito Retificador de Tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 2.10–Saida Retificada Filtrada com o Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 2.11–Símbolo do regulador de tensão 7805. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Figura 2.12–CI Regulador de Tensão 7805. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Figura 2.13–Exemplo de EcoBikes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Figura 2.14–Dispositivo Rolo de Treino em funcionamento. . . . . . . . . . . . . . . 34
Figura 3.1 – Primeiros testes da estrutura do rotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Figura 3.2 – Ideia para o núcleo ferromagnético para compor o estator da máquina. 38
Figura 3.3 – Primeira versão do estator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Figura 3.4 – Versão final do rotor no primeiro protótipo. . . . . . . . . . . . . . . . 40
Figura 3.5 – Disposição 1 meramente ilustrativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Figura 3.6 – Forma de onda de tensão para primeira disposição dos ímãs. . . . . . . 42
Figura 3.7 – Disposição 2 meramente ilustrativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Figura 3.8 – Forma de onda de tensão para segunda disposição dos ímãs. . . . . . . 43
Figura 3.9 – Disposição 3 meramente ilustrativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Figura 3.10–Forma de onda de tensão para terceira disposição dos ímãs. . . . . . . 44
Figura 3.11–Disposição 4 meramente ilustrativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Figura 3.12–Forma de onda de tensão para disposição dos ímãs número 4. . . . . . 45
Figura 3.13–Disposição 5 meramente ilustrativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Figura 3.14–Forma de onda de tensão para disposição dos ímãs número 5. . . . . . 46
Figura 3.15–Disposição 6 meramente ilustrativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Figura 3.16–Forma de onda de tensão para disposição dos ímãs número 6. . . . . . 47
Figura 3.17–Disposição 7 meramente ilustrativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Figura 3.18–Forma de onda de tensão para disposição dos ímãs número 7. . . . . . 48
Figura 3.19–Disposição 8 meramente ilustrativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Figura 3.20–Forma de onda de tensão para disposição dos ímãs número 8. . . . . . 49
Figura 3.21–Forma de onda de tensão retificada para disposição dos ímãs número 1. 50
Figura 3.22–Forma de onda de tensão retificada para disposição dos ímãs número 2. 51
Figura 3.23–Forma de onda de tensão retificada para disposição dos ímãs número 3. 51
Figura 3.24–Forma de onda de tensãoretificada para disposição dos ímãs número 4. 52
Figura 3.25–Forma de onda de tensão retificada para disposição dos ímãs número 5. 52
Figura 3.26–Forma de onda de tensão retificada para disposição dos ímãs número 6. 53
Figura 3.27–Forma de onda de tensão retificada para disposição dos ímãs número 7. 53
Figura 3.28–Forma de onda de tensão retificada para disposição dos ímãs número 8. 54
Figura 3.29–Dimensões em mm do núcleo ferromagnético do segundo protótipo. . . 56
Figura 3.30–Dimensão em mm da espessura do núcleo ferromagnético do segundo
protótipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Figura 3.31–Ideia para o núcleo ferromagnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Figura 3.32–Disposição 1 das camadas do núcleo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Figura 3.33–Disposição 2 das camadas do núcleo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Figura 3.34–Vista isométrica do núcleo ferromagnético do segundo protótipo. . . . . 59
Figura 3.35–Estator do protótipo 2 fixado na bicicleta. . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Figura 3.36–Vista Isométrica 1 da estrutura do rotor do protótipo 2. . . . . . . . . 61
Figura 3.37–Vista Isométrica 2 da estrutura do rotor do protótipo 2. . . . . . . . . 62
Figura 3.38–Vista Isométrica 3 da estrutura do rotor do protótipo 2. . . . . . . . . 62
Figura 3.39–Motor de indução utilizado no ensaio para fornecer a energia cinética
do gerador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Figura 3.40–Coroa de bicicleta a ser fixada no motor de indução. . . . . . . . . . . 65
Figura 3.41–Motor de indução com a coroa na corrente da bicicleta. . . . . . . . . . 65
Figura 3.42–Motor de indução com a coroa na corrente da bicicleta. . . . . . . . . . 66
Figura 3.43–Arranjo montado para os ensaios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Figura 3.44–Ímãs de neodímio passando no entreferro. . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Figura 3.45–Arranjo montado para os ensaios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Figura 3.46–Inversor de frequência para controlar o motor de indução. . . . . . . . 68
Figura 3.47–Inversor encapado com papel alumínio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Figura 3.48–Inversor encapado com papel alumínio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Figura 3.49–Materiais utilizados nos ensaios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Figura 3.50–Circuito Modelado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Figura 3.51–Circuito equivalente utilizado no ensaio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Figura 3.52–Forma de onda da tensão induzida (amarela) e do fluxo magnético (rosa). 73
Figura 3.53–Diagrama esquemático do circuito projetado para retificação e estabili-
zação da tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Figura 3.54–Circuito na placa perfurada da ponte retificadora não controlada. . . . 74
Figura 4.1 – Curva de Corrente por Tensão em 59 rpm. . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Figura 4.2 – Curva de Corrente por Tensão em 144 rpm. . . . . . . . . . . . . . . . 78
Figura 4.3 – Curva de Corrente por Tensão em 209 rpm. . . . . . . . . . . . . . . . 79
Figura 4.4 – Curva de Potência por Tensão em 59 rpm . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Figura 4.5 – Curva de Potência por Tensão em 144 rpm . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Figura 4.6 – Curva de Potência por Tensão em 209 rpm . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Figura 4.7 – Curva de Potência por Resistência em 59rpm . . . . . . . . . . . . . . 81
Figura 4.8 – Curva de Potência por Resistência em 144 rpm . . . . . . . . . . . . . 82
Figura 4.9 – Curva de Potência por Resistência em 209 rpm . . . . . . . . . . . . . 82
Figura 4.10–Curva de Tensão por Velocidade a vazio. . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Figura 4.11–Curva de Tensão por Velocidade com carga de 300 Ω. . . . . . . . . . . 85
Figura 4.12–Curva de Tensão por Velocidade com carga de 400 Ω. . . . . . . . . . . 86
Figura 4.13–Versão Final do Projeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Figura 4.14–Versão Final do Projeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Figura 4.15–Ímãs de neodímio presos em palitos de picolé fixados nos raios da bicicleta. 91
Figura 4.16–Ímã de neodímio em detalhe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Figura 4.17–Circuito retificador soldado em placa perfurada. . . . . . . . . . . . . . 92
Figura 4.18–Chaves para acionar os farois dianteiro e traseiro e saída USB com 5 V 92
Figura 4.19–Farol dianteiro da bicicleta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Figura 4.20–Farol traseiro da bicicleta aceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Figura 4.21–Lanterna dianteiro da bicicleta aceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Figura 4.22–Tela de um celular ao se tentar carregá-lo na saída USB. . . . . . . . . 96
Lista de tabelas
Tabela 2.1 – Correlação entre parâmetros dos circuitos elétricos e magnéticos. . . . 26
Tabela 4.1 – Ensaio em Vazio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Tabela 4.2 – Ensaio para carga de 300 Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Tabela 4.3 – Ensaio para carga de 400 Ω. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Tabela 4.4 – Luminosidade do farol dianteiro de acordo o luxímetro LD-209. . . . . 87
Tabela 4.5 – Luminosidade do farol traseiro de acordo o luxímetro LD-209. . . . . . 87
Tabela 4.6 – Luminosidade do farol traseiro de acordo o luxímetro LX-107. . . . . . 87
Tabela 4.7 – Luminosidade do farol dianteiro de acordo o luxímetro LX-107. . . . . 87
Tabela 4.8 – Tabela de Custos deste projeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Tabela A.1–Ensaio Com Rotação de 59rpm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Tabela B.1 –Ensaio Com Rotação de 144rpm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Tabela C.1 –Ensaio Com Rotação de 209rpm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Tabela D.1–Tabela para Obtenção da Indutância Interna do Gerador . . . . . . . . 109
Sumário
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1 Princípios Eletromagnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Máquinas Elétricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 Máquinas com ímãs permanentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.2 Ímãs permanentes de neodímio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3 Eletrônica de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.1 Diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.2 Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.3 Regulador de Tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 Trabalhos Similares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.1 Trabalhos envolvendo bicicletas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.1.1 EcoBike . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.1.2 Bicicleta Recarregável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.1.3 Dispositivo Rolo de Treino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.2 Trabalho envolvendo geradores de ímã de neodímio . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.2.1 Gerador Magnético de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.2.2 Desenvolvimento e aplicação de uma turbina eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.2.3 Gerador hidroelétrico de neodímio em uma roda d’água . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.2.4 Gerador de ímãs permanentes de fluxo axial para turbinaeólica . . . . . . . . . . . . 35
2.4.2.5 Análise de uma máquina síncrona de ímã permanente com tensão não-senoidal . . . . 36
2.4.2.6 Análise da variação da tensão gerada e do estado de magnetização em um gerador com
ímãs permanentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3 MATERIAIS E MÉTODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1 Primeiro protótipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.1 Confecção do estator da máquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.2 Confecção do rotor da máquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.3 Ensaios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.3.1 Ensaios com carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.3.2 Formas de onda retificadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.4 Conclusões acerca do primeiro protótipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 Protótipo Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.1 Considerações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.2 Estator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.2.1 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.3 Rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.3.1 Material e estrutura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2.4 Ensaios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.4.1 Velocidade fixa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.4.2 Carga fixa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.4.3 Obtenção da indutância e resistência do gerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.5 Forma de onda da tensão induzida e do fluxo magnético . . . . . . . . . . 72
3.2.6 Tratamento da tensão e alimentação de uma carga CC . . . . . . . . . . . 73
3.2.7 Elaboração de um roteiro de experimento para o Laboratório de Conversão . 75
4 RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1 Discussão dos Ensaios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.1 Ensaios com velocidade fixa (7 km/h , 17 km/h e 25 km/h) variando-se a
carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.2 Ensaios com carga fixa (a vazio, 300Ω e 400Ω) variando-se a velocidade . . 83
4.1.3 Medição da luminosidade dos faróis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Aspectos Construtivos do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3 Custos do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.4 Fotos da Versão Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1 Considerações Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
APÊNDICES 101
APÊNDICE A – ENSAIO EM BAIXA ROTAÇÃO . . . . . . . . . . 103
APÊNDICE B – ENSAIO EM MÉDIA ROTAÇÃO . . . . . . . . . . 105
APÊNDICE C – ENSAIO EM ALTA ROTAÇÃO . . . . . . . . . . . 107
APÊNDICE D – OBTENÇÃO DA INDUTÂNCIA INTERNA DO
GERADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
APÊNDICE E – ROTEIRO DE EXPERIMENTO PARA O LABO-
RATÓRIO DE CONVERSÃO ELETROMECÂNICA
DE ENERGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
E.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
E.2 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
E.3 Atividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
E.3.1 Ensaio a vazio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
E.3.2 Ensaio com carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
E.3.3 Variação da carga para uma velocidade fixa . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
E.3.4 Discussões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
21
1 Introdução
1.1 Motivação
Nos últimos anos no Brasil e no mundo o número de ciclistas vem crescendo cada vez
mais (BAPTISTA, 2016; BLONDIAU; ZEEBROECK, 2016). Os motivos que incentivam
cada vez mais pessoas a pegarem suas bicicletas e saírem às ruas são diversos, como
atividades de lazer, saúde, ou mesmo como meio de transporte.
Um desafio enfrentado pelos ciclistas vem junto com o pôr do sol. Ao contrário dos
veículos automobilísticos, uma bicicleta não possui faróis de forma nativa, o que torna
impraticável o percurso em regiões sem iluminação artificial. O problema se torna mais
acentuado quando se divide espaço entre veículos motorizados, seja em zona urbana ou em
rodovias. Assim sendo, enxergar e se fazer enxergar torna-se fundamental para a segurança
e integridade dos praticantes de ciclismos durante a noite.
Antigamente, por volta da década de 1990, utilizava-se um sistema composto por
um dínamo, acoplado mecanicamente a roda da bicicleta que fornecia a energia para
alimentar uma pequena lâmpada incandescente, ou mesmo uma de LED (light emissor
diode) (METSELAAR, 1997). Uma das vantagens dessa abordagem era o não uso de
baterias, já que a energia mecânica do movimento do ciclista era em parte convertida para
a iluminação, proporcionando assim uma autonomia praticamente ilimitada. Contudo uma
das principais desvantagens é que devido ao acoplamento direto com a roda, havia um
esforço considerável incrementado ao pedalar. Hoje em dia, embora ainda se encontre no
mercado, pouco se utiliza desse equipamento.
Atualmente existem algumas soluções para esses problema como por exemplo faróis
de led, alimentados por bateria. Esses conjuntos podem ser encontrados, no sítio Mercado
Livre R©, com preços que variam entre R$ 50,00 a R$ 300,00, podendo ultrapassar e muito
esse valor caso se busque um produto de altíssimo desempenho. Uma das vantagem é a alta
capacidade luminosa. Entretanto, como desvantagens pode-se apontar o uso de baterias e
o preço elevado do conjunto.
Tendo em vista esses fatores, e munidos de uma curiosidade e empenho em aplicar
os conhecimentos teóricos aprendidos em sala de aula, propões-se neste trabalho projetar e
implementar um gerador elétrico síncrono numa bicicleta, utilizando a roda como rotor e
ímãs de neodímio para produzir o campo magnético. Com o devido tratamento eletrônico
das formas de onda produzidas por este gerador, objetiva-se alimentar cargas como os
faróis e também aproveitar o uso da energia produzida para carregar um celular, num
percurso durante o dia, por exemplo.
22 Capítulo 1. Introdução
1.2 Objetivo
Os objetivos deste projeto são:
1. Desenvolver e implementar o projeto de uma máquina síncrona de ímãs permanentes;
2. Levantar os parâmetros da máquina elétrica;
3. Verificar o comportamento do gerador elétrico para diferentes valores de carga e
diferentes velocidades;
4. Correlacionar a tensão induzida e o fluxo magnético no estator por meio de suas
formas de onda;
5. Obter o circuito elétrico e magnético equivalente do gerador;
6. Retificar, filtrar e regular a tensão de saída do gerador;
7. Usar o gerador para alimentar um conjunto de LEDs e carregar um celular;
8. Fazer a correlação com Máquinas Síncronas de Ímã permanentes utilizadas em
aerogeradores.
23
2 Fundamentação Teórica
2.1 Princípios Eletromagnéticos
O princípio de funcionamento dos motores e posteriormente geradores tiveram
início nas pesquisas de Faraday. Ele constatou que um campo magnético variante no
tempo (Φ(t)) em um enrolamento de n espiras resultava nos terminais desta uma força
eletromotriz (fem) que é expressa pelaEquação (2.1) a seguir:
fem = −dΦdt (2.1)
O sinal negativo na Equação (2.1) indica que a fem é tal que produz uma corrente
cujo o fluxo produzido reduziria a intensidade da fem. Essa afirmação de que a tensão
induzida age de forma a produzir um fluxo oposto é conhecida como Lei de Lenz.
A Lei de Ampère e a Lei de Gauss mostradas nas Equações (2.2) e (2.3), respectiva-
mente, são muito importantes para o entendimento do comportamento do fluxo magnético
dentro das máquinas elétricas.
∮
C
H.dl =
∫
S
J.da (2.2)
∮
S
B.da = 0 (2.3)
Na Equação (2.2) tem-se que a corrente total que passa por uma superfície S, em
função da densidade de corrente J em uma certa área, é igual a somatória das componentes
tangenciais da intensidade do campo magnético H em um caminho fechado C em torno
dessa superfície. Já na Equação (2.3) percebe-se que a densidade de fluxo magnético B é
conservativa, ou seja, todo o fluxo que entra numa superfície sai por ela. Isso equivale a
dizer que não existe mono-pólos magnéticos (SILVA, 2014).
O fluxo magnético φ, conforme a Equação (2.4), que atravessa uma superfície S é
a integral de superfície da componente normal de B. Em unidades SI, a unidade de φ é o
Weber (Wb).
φ =
∫
S
B.da (2.4)
O conceito de circuito magnético é uma suposição que produz simplificações na
resolução das Equações (2.2) e (2.3). Encontrar a solução geral dessas equações em
24 Capítulo 2. Fundamentação Teórica
geometrias complexas é extremamente difícil, portanto o conceito de circuito magnético é
um modelo que trata um problema de campo magnético tridimensional em um circuito
equivalente unidimensional, com resultados aceitáveis na engenharia (FITZGERALD;
KINGSLEY; UMANS, 2006).
Um circuito magnético consiste em uma estrutura em que grande parte é composta
por material magnético de alta permeabilidade. Isso tende a fazer com que o fluxo
magnético fique confinado apenas no interior do circuito magnético. A Figura 2.1 apresenta
um exemplo de um núcleo ferromagnético e a Figura 2.2 apresenta o circuito magnético
equivalente.
Figura 2.1 – Exemplo de um núcleo ferromagnético.
Fonte: (FITZGERALD; KINGSLEY; UMANS, 2006)
Figura 2.2 – Circuito magnético equivalente da Figura 2.1.
Fonte: (FITZGERALD; KINGSLEY; UMANS, 2006)
A permeabilidade (µ) de um material é a capacidade de facilitar a passagem de
fluxo magnético por meio deste. Uma forma de se comparar a magnitude dessa grandeza
é fazendo-se a razão do µ de um material em relação a permeabilidade do vácuo (µ0),
obtendo-se assim a permeabilidade relativa (µr) dada pela Equação (2.5).
2.1. Princípios Eletromagnéticos 25
µr =
µ
µ0
(2.5)
Conforme os valores de µr, os materiais são classificados como diamagnético,
paramagnético ou ferromagnético. O µr dos materiais ferromagnéticos é elevado, fazendo
com que o fluxo tenha uma tendência a passar por esse material, como mencionado
anteriormente.
A Equação (2.6) é uma simplificação da Equação (2.4) e pode ser usada para seções
retas de um circuito magnético, pois se assume que a densidade de fluxo magnético é
uniforme nesta seção.
φ = B.A (2.6)
Da Equação (2.1), a relação entre a força magnetomotriz fmm que atua em um
circuito magnético e a intensidade do campo magnético naquele circuito é descrita pela
Equação 2.7, onde N é o número de espiras e i é a corrente elétrica.
fmm = N.i =
∮
C
H.dl (2.7)
As dimensões do núcleo são tais que o comprimento do caminho magnético de
qualquer linha de fluxo é aproximadamente igual ao comprimento médio do núcleo (FITZ-
GERALD; KINGSLEY; UMANS, 2006). Desse modo a relação entre a fem e intensidade
do campo magnético pode ser descrita conforme a Equação (2.8).
fmm = N.i = H.l (2.8)
A relação entre intensidade de campo magnético H e a densidade de fluxo magnético
B é uma propriedade do material em que se encontra o campo magnético, conforme Equação
(2.9).
B = µ.H (2.9)
Os transformadores são enrolados em núcleo fechado. No entanto, os dispositivos
de conversão eletromecânica de energia que contêm um elemento móvel incluem entreferros
em seus circuitos magnéticos. É interessante se projetar o entreferro muito menor do
que as dimensões das faces adjacentes do núcleo, pois o fluxo magnético tenderá a seguir
o caminho definido pelo núcleo e pelo entreferro. Quando o comprimento do entreferro
torna-se excessivamente grande, o fluxo tende a se dispersar pelos lados do entreferro.
26 Capítulo 2. Fundamentação Teórica
É possível fazer uma analogia entre circuitos magnético e elétricos. A comparação
chega a ser tão perfeita que até as Leis de Kirchhoff para circuitos elétricos possuem
equivalentes no modelo de circuito magnético, conforme a Tabela 2.1.
Tabela 2.1 – Correlação entre parâmetros dos circuitos elétricos e magnéticos.
Circuito Elétrico Circuito Magnético
I: Corrente Elétrica(A) Φ: Fluxo Magnético(Wb)
fem: Força Eletromotriz(V ) fmm = N.i: Força Magnetomotriz(Ae)
J = I
A
: Densidade de Corrente Elétrica
(A/m2)
B =Φ
A
: Densidade de Fluxo
Magnético(Wb/m2)
σ: Condutividade (S/m) µ : Permeabilidade (H/m)
R = 1
σ
. l
A
: Resistência(Ω) R = 1µ . lA : Relutância (Ae/Wb)
G = 1
R
: Condutância (S) P = 1
R
: Permeância (Wb/Ae)
Fonte: (BIM, 2009)
2.2 Máquinas Elétricas
As máquinas elétricas são conversores eletromecânicos rotativos de energia que
funcionam baseados na produção de campos magnéticos variantes no tempo. Nas máquinas
síncronas, operando como motor, o estator é alimentado em corrente alternada e o rotor
em corrente contínua. O rotor da máquina síncrona pode ser de polos lisos ou de polos
salientes: no primeiro os enrolamentos são distribuídos e no segundo os enrolamentos
são concentrados. Esses polos podem ser estabelecidos por meio de uma fonte externa
de corrente contínua ou por meio de ímãs permanentes fixados na estrutura do rotor.
Utilizando a configuração de ímãs permanentes não há necessidade da fonte externa (BIM,
2009).
A distribuição de fluxo magnético de rotor é estacionária em relação ao rotor, mas
a medida que o rotor gira o fluxo concatenado no enrolamento do estator irá variar. Desse
2.2. Máquinas Elétricas 27
modo, se a máquina estiver funcionando como gerador, ao se aplicar uma energia mecânica
no rotor de modo que este gire, parte dessa energia será convertida em energia elétrica por
meio da indução de corrente no estator.
2.2.1 Máquinas com ímãs permanentes
Quando os polos gerados são estabelecidos por ímãs permanentes as máquinas são
denominadas máquinas de ímãs permanentes. (BIM, 2009).
As principais vantagens do uso de ímãs em máquinas elétricas para produzir o
campo magnético são:
1. eliminação de fontes externas para gerar o campo;
2. eliminação de escovas e anéis;
3. máquinas menores e mais leves;
4. geometrias mais flexíveis como uma forma de diminuir custos de fabricação;
5. simplicidade na construção dos rotores.
Dentre as desvantagens estão:
1. a perda do controle do campo;
2. a desmagnetização dos ímãs permanentes devido à temperaturas excessivas, reação
de armadura elevada ou impactos mecânicos;
3. o aumento da complexidade dos controladores eletrônicos.
2.2.2 Ímãs permanentes de neodímio
O ímã de neodímio é um dos materiais magnéticos mais fortes disponíveis comerci-
almente no mundo (DBS, 2015). Ele oferece um nível de magnetismo e uma resistência a
desmagnetização muito superior aos ímãs de ferrite, alnico e samário-cobalto. Isso os torna
muito úteis em diversos tipos de aplicações industriais. Outro atributo importante de ímãs
de neodímio que contribuiu para sua popularidade é o fator preço. Ímãs de neodímio são
relativamente baratos e acessíveis a professores, alunos e curiosos em geral.
Os ímãs de neodímio foram desenvolvidos em 1982 pela General Motors e Sumitomo
Metais Especiais tendo como base o neodímio, ferro e boro (DBS, 2015). Os ímãs de
neodímioinicialmente foram desenvolvidos em alternativa ao alto preço dos ímã de samário-
cobalto, pois era necessário se obter ímãs com alto desempenho e menor custo.
28 Capítulo 2. Fundamentação Teórica
Algumas das desvantagens dos ímãs de neodímio é que são bastante frágeis me-
canicamente, sua camada protetora de níquel pode se desfazer com o impacto ou com
determinados atritos, oxidam facilmente quando sua camada protetora é rompida, e por
terem fortes campos magnéticos requerem cuidado com seu manuseio.
Existe uma código que classifica os ímãs de acordo com a intensidade do campo
magnético que este produz e do limite de temperatura suportado sem que haja dano ao
componente. Neste trabalho foi utilizado o ímã de neodímio N35. Ele possui o formato
cilíndrico, com 5mm de altura e 13mm de diâmetro. De acordo com o fabricante ele possui
densidade de campo magnética de 3800 Gauss, que corresponde à 380 mWb/m2 ou 0,38
Teslas. A Figura 2.3 apresenta o ímã de neodímio utilizado para o desenvolvimento deste
trabalho (DBS, 2015).
Figura 2.3 – Ímã de Neodímio utilizado neste trabalho.
Fonte: (DBS, 2015)
2.3 Eletrônica de Potência
O desenvolvimento de chaves de potência utilizando os semicondutores fez com
que a eletrônica de potência se desenvolvesse muito nas últimas décadas. Atualmente
é possível controlar com precisão a tensão, corrente e a frequência em uma máquina
elétrica CA (FITZGERALD; KINGSLEY; UMANS, 2006). Neste trabalho foi projetado
e confeccionado um circuito que realiza a retificação, filtragem e estabilização da forma
de onda de tensão de saída do gerador síncrono de ímãs permanentes. Para isso foram
utilizados alguns componentes eletrônicos doravantes descritos.
2.3.1 Diodo
Os diodos constituem as mais simples das chaves de potência. Eles permitem que
a corrente elétrica flua apenas em um sentindo, ou seja, o diodo idealmente bloqueia o
2.3. Eletrônica de Potência 29
fluxo de corrente quando há polarização reversa e deixa passar corrente para polarização
direta. Quando o diodo está conduzindo diz-se que ele está diretamente polarizado, e isso
ocorre quando é aplicada no terminal ânodo uma tensão maior que no terminal cátodo. Na
prática, essa diferença deve ser maior que 0,7 V (BOYLESTAD; NASHELESKY, 1994). O
símbolo usado para representar o diodo está mostrado na Figura 2.4. A curva característica
do diodo é mostrada na Figura 2.5
Figura 2.4 – Símbolo do diodo.
Fonte: (BOYLESTAD; NASHELESKY, 1994)
Figura 2.5 – Curva de Operação do Diodo.
Fonte: (BOYLESTAD; NASHELESKY, 1994)
Apesar desse comportamento simplista, o diodo é usado em uma ampla variedade
de aplicações, sendo a mais comum o retificador na conversão CA em CC (que é a utilizada
neste trabalho). A Figura 2.6 mostra o diodo 1N4007, componente utilizado neste trabalho.
2.3.2 Capacitor
Capacitores são componentes eletrônicos que possuem a capacidade de armazenar
energia através de um campo elétrico. Eles são basicamente constituídos de dois materiais
condutores separados por um material isolante. Quando os terminais de um capacitor
são submetidos a uma tensão este começa seu processo de carregamento, as cargas se
30 Capítulo 2. Fundamentação Teórica
Figura 2.6 – Diodo 1N4007.
Fonte: (MALVINO, 1997)
acumulando nos condutores isolados entre si. A corrente elétrica que passa pelo capacitor
decresce, durante o carregamento até que a tensão do capacitor se torne igual a fornecida
(quantidade de cargas acumuladas atingem o equilíbrio). No processo inverso, no qual
o capacitor começa a fornecer corrente ao circuito, o capacitor descarrega as cargas
acumuladas até que se atinja a tensão aplicada em seus terminais chegando assim a um
novo equilíbrio.
Os capacitores possuem duas informações importantes que são: sua tensão limite
de operação e a sua capacitância, que nada mais é do que a carga que ele pode armazenar
em relação a ddp aplicada. Na Figura 2.7 temos o exemplo de duas representações de tipos
de capacitores, um de cerâmica (sem polaridade) e outro eletrolítico (com polaridade). Na
Figura 2.8 é apresentada uma foto de um capacitor eletrolítico.
Figura 2.7 – Simbologias de Capacitores
Fonte:(MALVINO, 1997)
Aproveitando-se dessa propriedade dos capacitores de se acumular energia, estes são
amplamente utilizados em eletrônica. Uma aplicação bastante importante de capacitores é
2.3. Eletrônica de Potência 31
Figura 2.8 – Capacitor de 4700 µF, 25V
Fonte:(MALVINO, 1997)
em circuitos retificadores de tensão. O circuito retificador apresentado na Figura 2.9 tem
o capacitor C1 com a função de tornar mais constante a saída da tensão, diminuindo a
ondulação de tensão (ripple) mostrado na Figura 2.10.
Figura 2.9 – Circuito Retificador de Tensão.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 2.10 – Saida Retificada Filtrada com o Capacitor
Fonte: (BOYLESTAD; NASHELESKY, 1994)
2.3.3 Regulador de Tensão
O regulador de tensão é um dispositivo capaz de manter a tensão de saída constante
(estabilizada) em um circuito elétrico mesmo havendo variações na tensão de entrada.
Geralmente é formado por resistores e elementos semicondutores como diodos zener e
32 Capítulo 2. Fundamentação Teórica
transistores. Para esse dispositivo funcionar adequadamente é importante ressaltar que
a tensão de entrada deve ser pelo menos maior que a tensão de saída. Os reguladores
podem ser implementados usando componentes discretos ou podem ser adquiridos na
forma de circuito integrado (CI). Existem vários tipos de CIs reguladores de tensão, e os
mais comuns são da série 78XX. Neste trabalho foi utilizado o CI 7805 para regular a
tensão de saída retificada do gerador para 5V, possibilitando o carregamento do celular e
o acendimento dos LEDs sem danificá-los. A Figura 2.11 mostra o símbolo do regulador
de tensão 7805, e a Figura 2.12 mostra o CI 7805.
Figura 2.11 – Símbolo do regulador de tensão 7805.
Fonte: (BOYLESTAD; NASHELESKY, 1994)
Figura 2.12 – CI Regulador de Tensão 7805.
Fonte: (BOYLESTAD; NASHELESKY, 1994)
2.4. Trabalhos Similares 33
2.4 Trabalhos Similares
Investigaram-se alguns trabalhos similares que envolvessem projetos de geradores
síncronos de ímãs permanentes e bicicletas que produzem energia elétrica a partir da
energia mecânica desenvolvida pelo ciclista. Esses trabalhos estão descritos nas seções a
seguir.
2.4.1 Trabalhos envolvendo bicicletas
2.4.1.1 EcoBike
A EcoBike é uma bicicleta que gera energia elétrica sem emissão de gases poluentes.
Ela é estacionária, ou seja, fica fixa no local enquanto as pessoas pedalam. Foi a primeira
Solução Sustentável criada pela EcoGreen. Cada EcoBike é acompanhada de uma bateria
que acumula toda a energia excedente gerada, ou seja, nenhuma energia é desperdiçada. Elas
podem ser interligadas entre si, para que, por exemplo, toda a energia gerada por diversas
EcoBikes, sejam destinadas para o mesmo aparelho eletrônico. Também acompanham as
EcoBikes, carregadores universais de celulares, para que a pessoa que pedalou possa se
beneficiar da sua própria energia. A Figura 2.13 mostra algumas EcoBikes (ECOGREENS
SOLUÇÕES SUSTENTÁVEIS, 2013).
Figura 2.13 – Exemplo de EcoBikes.
Fonte: (ECOGREENS SOLUÇÕES SUSTENTÁVEIS, 2013)
34 Capítulo 2. Fundamentação Teórica
Figura 2.14 – Dispositivo Rolo de Treino em funcionamento.
Fonte: (ARMELIN, 2013)
2.4.1.2 Bicicleta Recarregável
Esse foi um projeto desenvolvido por Gustavo Soares Tonucci, estudante de enge-
nharia de produção da PUC-MG. Ele desenvolveu um protótipo de bicicleta estacionária,
que gera eletricidade. Ele utiliza uma bateria veicular instalada num suporte dianteiro
da bicicleta, um alternador para converter a energia mecânica em energia elétrica. O
alternador utilizado foi o da Autopec polia dupla 14V/90A, de potência(PUC-MG, 2015).
2.4.1.3 Dispositivo Rolo de Treino
O Engenheiro José Carlos Armelin desenvolveu um sistemacapaz de converter a
energia mecânica desenvolvida ao pedalar em eletricidade. A tensão gerada pelo sistema é
de 14,5 V, que, ao passar por um inversor de tensão, é transformada em 115 V. A potência
do sistema depende da velocidade do pedalar, e pode chegar a até 150 W. A energia pode
ser utilizada instantaneamente ou ser armazenada em baterias (ARMELIN, 2013). Esse
produto custa em média R$1800,00, de acordo com o web site Pedal Sustentável. A Figura
2.14 apresenta esse dispositivo.
2.4.2 Trabalho envolvendo geradores de ímã de neodímio
2.4.2.1 Gerador Magnético de Energia
Esse foi um projeto final desenvolvido por estudantes do Centro Estadual de
Educação Tecnológica Paula Souza, no estado de São Paulo. Ele consiste em um gerador
que funciona pelo princípio da repulsão magnética dos ímãs. Ele foi construído com um
2.4. Trabalhos Similares 35
anel externo e um interno, onde há vários imãs com o mesmo polo virado para o mesmo
lado, de tal forma que dado a impulsão inicial o eixo que sustenta os anéis começa a girar.
Enrolou-se então uma bobina para se constituir um solenoide normal a superfície dos ímãs,
de tal modo que a variação do campo magnético dos ímãs induza uma tensão na bobina.
O projeto foi executado porém não obteve-se resultados satisfatórios. De acordo com os
autores do projeto, a maior dificuldade foi a montagem mecânica do gerador (EUGENIO
et al., 2013).
2.4.2.2 Desenvolvimento e aplicação de uma turbina eólica
O trabalho de Cnop e Pereira (2002) detalha o desenvolvimento de um projeto de
turbina eólica e apresenta os fundamentos que orientaram as decisões quanto a potência,
aerodinâmica, arranjo físico e topologia de gerador. Descreve o trabalho de pesquisa
e construção de protótipos e descreve os resultados alcançados. O desenvolvimento de
um gerador eólico pode ser dividido, de acordo com Cnop e Pereira (2002), em três
áreas: aerodinâmica, máquinas elétricas e eletrônica de potência. Os tópicos referentes a
máquinas elétricas foram fundamentais para o desenvolvimento do gerador elétrico de ímãs
permanentes sob a estrutura de uma bicicleta proposto neste trabalho, principalmente no
que diz respeito aos detalhes mecânicos e aspectos construtivos de uma máquina desse
tipo.
No trabalho de Cnop e Pereira (2002) implementaram-se algumas turbinas eólicas e
são apresentadas as características de cada uma. Um dos fatores significativos foi a relação
potência do gerador e peso deste. Essa relação se torna ainda mais crítica quando o projeto
é em uma estrutura móvel (em uma bicicleta, por exemplo) e que a energia mecânica que
fará com que o rotor da máquina gire seja proveniente de um ser humano (e não do vento,
como é o caso de uma turbina eólica).
2.4.2.3 Gerador hidroelétrico de neodímio em uma roda d’água
Esse trabalho, que foi desenvolvido por estudantes da USP, consiste em utilizar peças
de computador queimadas (HDs) como peças de reaproveitamento para construção de fontes
de energia elétrica. Apesar de ser bastante rústico, o experimento obtém energia elétrica
a partir de corrente induzida magneticamente, gerada por energia cinética (ITALPRO,
2015).
2.4.2.4 Gerador de ímãs permanentes de fluxo axial para turbina eólica
Esse trabalho apresenta o desenvolvimento do projeto e a construção de um gerador
eólico de fluxo axial de ímãs permanentes de baixa potência, a ser acionado por uma
turbina eólica. Nesse trabalho foram utilizados equacionamentos e estes foram validados
com o auxílio de softwares de cálculo de elementos finitos. É salientado que a modelagem
36 Capítulo 2. Fundamentação Teórica
mecânica , assim como as considerações sobre o projeto estrutural e os procedimentos de
montagem são apresentados de forma a representar a interdependência desses processos
no projeto de uma máquina elétrica (MAIA, 2011).
2.4.2.5 Análise de uma máquina síncrona de ímã permanente com tensão não-senoidal
Nesse trabalho são mostrados os fatores construtivos que influenciam na forma
da tensão gerada bem como o ganho de potência obtido na utilização de máquinas com
tensões não senoidais ao invés da geração senoidal padrão. Para isso o autor utilizou os
softwares RMXprt, o Maxwell 2D e o Maxwell Circuit Editor (CAETANO, 2013).
2.4.2.6 Análise da variação da tensão gerada e do estado de magnetização em um gerador
com ímãs permanentes
Esse trabalho analisou o comportamento de um gerador de ímãs permanentes a
partir de diferentes pontos de carga aplicada. Quantificando a magnetização dos ímãs
presentes o autor desenvolveu um protótipo com desenho propício à adaptação para
geradores eólicos (MATHIAZZI, 2007).
37
3 Materiais e Métodos
Neste capítulo é descrita a metodologia do projeto e da montagem deste trabalho.
São descritos todos os testes e protótipos que foram feitos, bem como os ensaios realizados
em cada um, suas vantagens e desvantagens. É descrito ainda todo o desenvolvimento do
projeto até se chegar na versão final.
3.1 Primeiro protótipo
3.1.1 Confecção do estator da máquina
Foram feitos alguns testes preliminares antes da confecção do primeiro protótipo
a fim de se investigar o comportamento da indução eletromagnética. Foram utilizadas
tiras retangulares de papelão e estas foram fixadas nos raios da roda, onde posteriormente
seriam presos os ímãs. Foram utilizados algumas bobinas apoiadas em suportes próximas à
roda e a bicicleta foi colocada de ponta-cabeça. Ao se girar a roda percebeu-se uma forma
de onda de tensão com pequena amplitude (ordem de mV) no osciloscópio. A Figura 3.1
apresenta o arranjo feito para esses testes.
Figura 3.1 – Primeiros testes da estrutura do rotor.
Fonte: Produção dos próprios autores
38 Capítulo 3. Materiais e Métodos
A ideia inicial para o primeiro protótipo foi pensar em como seria a estrutura do
estator da máquina. Inicialmente havia se pensado em confeccionar várias bobinas e fixá-las
próximas a cada ímã, de modo que o número de polos do estator fosse igual ao número de
polos do rotor. No entanto isso se mostrou inviável uma vez que a estrutura para fixar as
bobinas e mantê-las próximas aos ímãs sem tocar nos raios das rodas era muito complexa
de ser feita e não apresentaria uma boa robustez. Além disso, seria necessário espaçar as
bobinas corretamente para que a onda de tensão resultante fosse a soma de cada bobina
(assumindo que o gerador fosse monofásico). Devido a essas dificuldades essa ideia foi
descartada.
Por meio dos trabalho estudados, decidiu-se confeccionar o estator em formato de
"U". O núcleo ferromagnético abraçaria a roda da bicicleta, com um entreferro suficiente
apenas para que a roda girasse. A Figura 3.2 apresenta a proposta dessa peça.
Iniciou-se a etapa de escolha do melhor material para compor o estator. Basicamente,
era necessário pensar no material do núcleo, que obviamente deveria ser ferromagnético, e
do fio que iria constituir a bobina. Para a confecção da bobina optou-se por utilizar fio de
cobre esmaltado, pois havia disponibilidade desse material no Laboratório de Conversão
Eletromecânica de Energia da EMC/UFG. Além disso, decidiu-se seguir o padrão de
máquinas elétricas e transformadores, em que a grande maioria utiliza esse tipo de fio.
A utilização do cobre foi devido ao equilíbrio entre o baixo volume e boa condu-
tividade de corrente elétrica. O esmalte em torno do fio tem como finalidade garantir a
isolação elétrica, pois caso contrário a bobina se tornaria um grande curto-circuito.
Figura 3.2 – Ideia para o núcleo ferromagnético para compor o estator da máquina.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Apesar de se saber que os núcleos das máquinas elétricas são constituídos de chapas
metálicas laminadas, foram investigadas outras formas de se confeccionar esse núcleo
visando diminuir o custo do protótipo. O material alternativo escolhido para a confecção
3.1. Primeiro protótipo 39
do núcleo do primeiro estator foi um vergalhãoutilizado em construção civil. Ele foi
escolhido devido ao baixo preço e por possuir uma certa flexibilidade, facilitando um
pouco o manuseio. Ele foi cortado em tiras de mesmo tamanho e dobrado de acordo com
o formato pretendido do núcleo.
A Figura 3.3 apresenta como ficou a bobina composta pelos vergalhões e pelos fios
de cobre, constituindo o estator da máquina. A bobina enrolada possuía 314 voltas, com
6 vergalhões, pesando menos de 500g. O estator foi fixado na estrutura da bicicleta por
meio de fitas adesivas. O entreferro resultante foi o menor possível de modo que a bobina
ainda passasse pela roda. Mesmo sendo o menor entreferro possível para essa topologia, é
perceptível na Figura 3.3 que há uma distância considerável entre a bobina e o ímã de
neodímio.
Figura 3.3 – Primeira versão do estator.
Fonte: Produção dos próprios autores
3.1.2 Confecção do rotor da máquina
Para confecção do rotor da máquina era necessário decidir qual seria o material
que prenderia os ímãs aos raios. Entre vários materiais cogitados optou-se pela estrutura
feita a partir de papéis mais rígidos, tais como os de capa de agendas e cadernos. Foram
recortadas tiras retangulares e estas foram presas aos raios da roda traseira.
40 Capítulo 3. Materiais e Métodos
Em cada tira retangular foi possível colocar 2 ímãs de cada lado, conforme mostra
a Figura 3.4. Os ímãs estão sempre aos pares, sendo que entre eles há a estrutura que os
prende ao raio da bicicleta. Desse modo, em cada tira são presos 4 ímãs. Optou-se por não
fixar os ímãs as tiras pois ainda não se sabia qual seria a melhor disposição destes. Desse
modo, os ímãs se auto-sustentam e comprimem a tira entre eles.
Figura 3.4 – Versão final do rotor no primeiro protótipo.
Fonte: Produção dos próprios autores
3.1.3 Ensaios
Foram realizados diversos ensaios com o intuito de se investigar como a disposição
dos ímãs afetam a forma de onda da tensão induzida. Doravante são descritas a disposição
dos ímãs por meio textual e por meio de imagem, e é apresentada a forma de onda de tensão
resultante medida no osciloscópio. Devido aos problemas técnicos do equipamento não foi
possível gravar a imagem em um pen-drive e inseri-la no texto. Ao invés disso fotografou-se
a tela do osciloscópio. Além do osciloscópio foi colocado também uma voltímetro na
saída do gerador. Nos primeiros testes com esse protótipo, mesmo usando um núcleo
ferromagnético na bobina do estator, a tensão induzida ainda foi muito baixa. Desse
modo, pequenos ruídos e interferências já comprometiam a visualização da forma de
onda da tensão induzida. Para mitigar esse problema utilizou-se na saída do gerador um
transformador de 12V/220V. Com isso a tensão de saída foi elevada em aproximadamente
3.1. Primeiro protótipo 41
18 vezes e foi possível uma melhor visualização da forma de onda, com tensões de pico de
5V a 10V.
Nos itens a seguir são descritas as diversas disposições ensaiadas para os ímãs de
neodímio:
1. Foram utilizados 18 pontos de ímãs. A cada dois pontos de ímãs inverteu-se a
polaridade dos mesmos, ou seja, olhando de frente tem-se: NORTE-NORTE, SUL-
SUL, NORTE-NORTE, SUL-SUL etc. Esses dois pontos de ímãs estão preso na
mesma estrutura. Neste caso duas tiras seguidas foram NORTE-NORTE pois o
número de tiras é ímpar. A Figura 3.5 apresenta uma ilustração dessa disposição dos
ímãs. A forma de onda correspondente a esta disposição está mostrada Figura 3.6.
2. Foram colocados 9 pontos de ímãs, igualmente espaçados entre si ao longo da
roda. Alternou-se a polaridade para cada ponto: NORTE-SUL, NORTE-SUL etc.
A Figura 3.7 apresenta uma ilustração dessa disposição dos ímãs. A forma de onda
correspondente a esta disposição está mostrada na Figura 3.8.
3. Foram colocadas 9 pontos de ímãs, igualmente espaçados entre si ao longo da roda.
Foram utilizados todos os ímãs com a mesma polaridade: NORTE, NORTE, NORTE,
NORTE. A Figura 3.9 apresenta uma ilustração dessa disposição dos ímãs. A forma
de onda correspondente a esta disposição é a Figura 3.10
4. Foram colocados 18 pontos de ímãs. Todos os ímãs estavam com a mesma polaridade
e estavam igualmente espaçados. A Figura 3.11 apresenta uma ilustração dessa
disposição dos ímãs. A forma de onda correspondente a esta disposição é a Figura
3.12.
5. Foram colocados 18 pontos de ímãs. As polaridades estão alternadas: NORTE-SUL,
NORTE-SUL etc. Os ímãs não estão igualmente espaçados. A Figura 3.15 apresenta
uma ilustração dessa disposição dos ímãs. A forma de onda correspondente a esta
disposição é a Figura 3.16
6. Esse ensaio é semelhante ao anterior, porém os pontos em que os ímãs estão presos
na estrutura estão mais próximos. Os ímãs não estão igualmente espaçados. A
Figura 3.17 apresenta uma ilustração dessa disposição dos ímãs. A forma de onda
correspondente a esta disposição é a Figura 3.18
7. Foram utilizados 18 pontos de ímãs. A polaridade ficou: NORTE-SUL, SUL-NORTE,
NORTE-SUL etc. A Figura 3.13 apresenta uma ilustração dessa disposição dos ímãs.
A forma de onda correspondente a esta disposição é a Figura 3.14.
8. Foram colocados 18 pontos de ímãs. As polaridades foram alternadas: NORTE-SUL,
NORTE-SUL etc. Todos os imãs estavam igualmente espaçados. A Figura 3.19
42 Capítulo 3. Materiais e Métodos
apresenta uma ilustração dessa disposição dos ímãs. A forma de onda correspondente
a esta disposição é a Figura 3.20.
Figura 3.5 – Disposição 1 meramente ilustrativa.
Fonte: Produção dos próprios autores
Figura 3.6 – Forma de onda de tensão para primeira disposição dos ímãs.
Fonte: Produção dos próprios autores.
3.1. Primeiro protótipo 43
Figura 3.7 – Disposição 2 meramente ilustrativa.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.8 – Forma de onda de tensão para segunda disposição dos ímãs.
Fonte: Produção dos próprios autores.
44 Capítulo 3. Materiais e Métodos
Figura 3.9 – Disposição 3 meramente ilustrativa.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.10 – Forma de onda de tensão para terceira disposição dos ímãs.
Fonte: Produção dos próprios autores.
3.1. Primeiro protótipo 45
Figura 3.11 – Disposição 4 meramente ilustrativa.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.12 – Forma de onda de tensão para disposição dos ímãs número 4.
Fonte: Produção dos próprios autores.
46 Capítulo 3. Materiais e Métodos
Figura 3.13 – Disposição 5 meramente ilustrativa.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.14 – Forma de onda de tensão para disposição dos ímãs número 5.
Fonte: Produção dos próprios autores.
3.1. Primeiro protótipo 47
Figura 3.15 – Disposição 6 meramente ilustrativa.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.16 – Forma de onda de tensão para disposição dos ímãs número 6.
Fonte: Produção dos próprios autores.
48 Capítulo 3. Materiais e Métodos
Figura 3.17 – Disposição 7 meramente ilustrativa.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.18 – Forma de onda de tensão para disposição dos ímãs número 7.
Fonte: Produção dos próprios autores.
3.1. Primeiro protótipo 49
Figura 3.19 – Disposição 8 meramente ilustrativa.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.20 – Forma de onda de tensão para disposição dos ímãs número 8.
Fonte: Produção dos próprios autores.
50 Capítulo 3. Materiais e Métodos
3.1.3.1 Ensaios com carga
Após a realização dos testes em vazio para cada forma de onda, foi colocado uma
carga resistiva. No entanto a potência fornecida pelo gerador era muito pequena, não
conseguindo prover o suficiente para alimentar a carga resistiva. Desse modo não foi possível
visualizar a forma de onda de tensão com carga no osciloscópio. Tentou-se aumentar a
velocidade de giro da roda, e consequentemente aumentar a variação do fluxo magnético,
aumentando a tensão e também a frequência da onda induzida, porém ainda assim os
resultados não foram satisfatórios.3.1.3.2 Formas de onda retificadas
Foi montada uma ponte de diodos de onda completa em uma matriz de contato e
a saída do transformador foi ligada na entrada CA da ponte. Mediu-se com osciloscópio as
formas de onda CC retificadas. Todas as formas ondas das disposições dos ímãs descritas
anteriormente foram retificadas. As Figuras 3.21, 3.22, 3.23, 3.24, 3.25, 3.26, 3.27 e 3.28,
respectivamente, apresentam essas formas de onda.
Figura 3.21 – Forma de onda de tensão retificada para disposição dos ímãs número 1.
Fonte: Produção dos próprios autores.
3.1. Primeiro protótipo 51
Figura 3.22 – Forma de onda de tensão retificada para disposição dos ímãs número 2.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.23 – Forma de onda de tensão retificada para disposição dos ímãs número 3.
Fonte: Produção dos próprios autores.
52 Capítulo 3. Materiais e Métodos
Figura 3.24 – Forma de onda de tensão retificada para disposição dos ímãs número 4.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.25 – Forma de onda de tensão retificada para disposição dos ímãs número 5.
Fonte: Produção dos próprios autores.
3.1. Primeiro protótipo 53
Figura 3.26 – Forma de onda de tensão retificada para disposição dos ímãs número 6.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.27 – Forma de onda de tensão retificada para disposição dos ímãs número 7.
Fonte: Produção dos próprios autores.
54 Capítulo 3. Materiais e Métodos
Figura 3.28 – Forma de onda de tensão retificada para disposição dos ímãs número 8.
Fonte: Produção dos próprios autores.
3.2. Protótipo Final 55
3.1.4 Conclusões acerca do primeiro protótipo
Ao término dos ensaios foi possível concluir alguns pontos referentes ao primeiro
protótipo do projeto:
1. A tensão induzida foi muito pequena e não foi possível visualizar sua forma de onda
sem a utilização de um transformador elevador;
2. A potência fornecida pelo gerador era muito pequena e logo inviável para alimentar
uma carga por menor que fosse;
3. De todas as disposições ensaiadas dos ímãs, as que apresentaram o maior valor rms
foram as disposições número 6 e 8;
4. Com uma maior quantidade de polos, maior era a tensão induzida;
5. O entreferro da máquina ainda era demasiadamente grande e portanto era necessário
diminuí-lo;
6. A quantidade de voltas da bobina foi pequena e era necessário aumentá-la;
7. A manipulação do vergalhão foi muito trabalhosa e o resultado final não foi o
esperado, sendo que o núcleo ferromagnético ficou assimétrico e o entreferro não
estava perfeitamente alinhado com os ímãs.
É importante salientar que para se concluir que a disposição 6 e 8 apresentam os maiores
valores de tensão rms, ajustou-se a mesma frequência para todas as ondas e comparou-se
uma a uma.
3.2 Protótipo Final
3.2.1 Considerações
Diante dos problemas apresentados pelo primeiro protótipo buscaram-se formas
de extingui-los ou minimizá-los. O objetivo era de alguma forma aumentar a potência
elétrica gerada. Para isso decidiu-se diminuir o entreferro, aumentar o número de espiras
da bobina e modificar a estrutura do rotor de modo que esta fique mais firme e, com isso,
mais robusta. Por fim, foi decidido que o melhor era refazer tanto o estator quanto o rotor
da máquina para se obter o desempenho esperado.
56 Capítulo 3. Materiais e Métodos
3.2.2 Estator
3.2.2.1 Metodologia
O ponto mais crítico do projeto estava no estator da máquina, dessa forma foi
decidido primeiramente refazê-lo e posteriormente refazer o rotor, uma vez que este
aparentava estar mais robusto. Esse segundo estator foi elaborado inicialmente tomando
as medidas das dimensões da roda e do garfo da bicicleta com um maior cuidado. Era
necessário considerar que as dimensões do núcleo iriam aumentar uma vez que este seria
envolvido pelo fio de cobre. O grande desafio foi balancear o desempenho sem apresentar
riscos de danos aos equipamentos, pois uma vez que o entreferro fosse diminuído corria-se
o risco dos ímãs grudarem no núcleo em uma eventual vibração da roda, e aumentando-se
demasiadamente a área efetiva do núcleo o tornaria muito pesado. Dessa forma foi decidido
que as dimensões adequadas do núcleo para o melhor desempenho e robustez são as que
estão ilustradas na Figura 3.29 e 3.30. Todas as medidas estão em mm.
Figura 3.29 – Dimensões em mm do núcleo ferromagnético do segundo protótipo.
Fonte: Produção dos próprios autores.
3.2. Protótipo Final 57
Figura 3.30 – Dimensão em mm da espessura do núcleo ferromagnético do segundo protó-
tipo.
Fonte: Produção dos próprios autores.
O vergalhão usado para compor o núcleo ferromagnético do primeiro estator se
mostrou ineficiente nos resultados finais. A manipulação dos vergalhões de modo a deixá-los
na forma desejada era muito trabalhosa e o resultado final não era interessante, o que já
era de certa forma esperado devido as suas características magnéticas e a sua topologia
não laminada. Diante desses problemas optou-se por trocar este material e substituí-lo por
um núcleo composto de chapas laminadas de ferro empregado na construção de núcleos de
transformadores.
No Laboratório de Microcontroladores da EMC/UFG havia chapas metálicas
disponíveis para uso. A primeira ideia foi cortar várias peças laminadas, de modo que
forme uma peça maciça no formato desejado. A Figura 3.31 apresenta essa ideia.
Essa topologia se mostrou inviável pela dificuldade do processo de corte devido à
falta de equipamentos apropriados. Além disso, o entreferro novamente seria limitado pela
largura da roda, voltando ao problema do primeiro protótipo. Buscando soluções para
contornar esse problema pensou-se em dividir o núcleo em vários retângulos. No entanto, era
necessário que as camadas tivessem divisões distintas a fim de que as chapas permanecessem
juntas. As Figura 3.32 e 3.33 mostram os tipos de camadas que compuseram o núcleo
ferromagnético. A Figura 3.34 apresenta uma vista isométrica, meramente ilustrativa, do
58 Capítulo 3. Materiais e Métodos
resultado da alternância das camadas entre a disposição 1 e 2.
Figura 3.31 – Ideia para o núcleo ferromagnético
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.32 – Disposição 1 das camadas do núcleo.
Fonte: Produção dos próprios autores.
3.2. Protótipo Final 59
Figura 3.33 – Disposição 2 das camadas do núcleo.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.34 – Vista isométrica do núcleo ferromagnético do segundo protótipo.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Seguindo a proposta da Figura 3.34, o estator foi montado ao redor da roda,
abraçando-a a medida que a montagem foi sendo concluída. Com isso não haveria o
problema do entreferro ter uma espessura menor que a largura da roda. Foram utilizadas
18 camadas, sendo 9 seguindo a disposição da Figura 3.32 e 9 seguindo a disposição da
60 Capítulo 3. Materiais e Métodos
Figura 3.33. Foi se enrolando o fio de cobre no núcleo concomitante a montagem deste ao
redor da bicicleta.
Um ponto importante para ser ressaltado é que do protótipo 1 para o protótipo 2
ocorreu uma mudança no ponto de fixação do núcleo ferromagnético, conforme mostra
a Figura 3.35. Isso foi motivado pelo fato de que o grande número de voltas da bobina
tornou-a muito espessa, e o pedal da bicicleta estava resvalando nela a cada pedalada
completa. Isso poderia, a longo prazo, danificar os fios de cobre da bobina e comprometer o
gerador. Devido a esse fato o estator foi colocado mais acima, abaixo do banco da bicicleta.
Figura 3.35 – Estator do protótipo 2 fixado na bicicleta.
Fonte: Produção dos próprios autores.
A versão final da bobina ficou com 3155 voltas, sem nenhuma volta em paralelo,
com uma resistência de 18Ω. A indutância, calculada doravante, é 1, 36H. A bobina possui
uma massa total de 3,850 kg, sendo que a massa do cobre é de 2,755kg e do núcleo é de
3.2. Protótipo Final 61
1,095kg. De acordo com as dimensões do núcleo, a área efetiva do núcleo é de 2,85 cm2.
Calculando-se a relutância por meio da Equação 3.1 tem-se:
R = N
2
L
= 3155
2
1, 36 = 7, 32MAe (3.1)
3.2.3 Rotor
3.2.3.1 Material e estrutura
O rotor no primeiro protótipo estava relativamente atendendo as necessidades.
Porém com a confecção de um novo estator, bem mais robusto e planejado, era necessário
fazer também um novo rotor. A estrutura composta de papéis rígidos flambavam ligei-
ramente na direção da bobina quanto o ímã passava pelo entreferro, e isso não poderia
mais acontecer uma vez que o entreferro foi diminuído com o novo estator. Para isso era
necessário mudar o material que prenderia os ímãs nos raios da bicicleta. Após se cogitar
vários materiais, decidiu-se usar palitos de picolé, uma vez que estes eram resistentes e com
baixo custo. A disposição dos ímãs adotada foi de alternância entre os polos, espaçando-os
igualmente, conforme disposição 8 apresentada da Figura 3.19.
O objetivo era confeccionar uma estrutura que envolvesse o par de ímãs, de modo
que eles não ficassem salientes. Nas pontas da estrutura haveria uma pequena depressão
em formato semicircular onde os raios passariam, encaixando a estrutura na roda da
bicicleta. As Figuras 3.36, 3.37 e 3.38 apresentam uma ilustração dessa estrutura, com 3
vistas isométricas distintas.
Figura 3.36 – Vista Isométrica 1 da estrutura do rotor do protótipo 2.
Fonte: Produção dos próprios autores.
62 Capítulo 3. Materiais e Métodos
Figura 3.37 – Vista Isométrica 2 da estrutura do rotor do protótipo 2.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.38 – Vista Isométrica 3 da estrutura do rotor do protótipo 2.
Fonte: Produção dos próprios autores.
3.2. Protótipo Final 63
Na prática não foi obtido o grau de perfeição apresentado pelas Figuras 3.36, 3.37 e
3.38. Foram utilizado vários palitos de picolé, fazendo 3 camadas e colando-os entre si por
meio de cianoacrilato (cola Super Bonder R©). O ideal teria sido usar uma impressora 3d
para imprimir toda a peça. Porém a estrutura final ficou suficientemente robusta, atingindo
assim seu objetivo.
3.2.4 Ensaios
Com o intuito de se investigar o comportamento da máquina em diferentes situações,
foram realizados alguns ensaios em laboratório. Para realização destes era necessário fixar
uma velocidade de rotação, pois qualquer variação influenciaria nas medidas. Impor uma
velocidade constante manualmente seria algo inviável. Decidiu-se usar uma motor de
indução para acionar o gerador, conforme apresenta a Figura 3.39. Para controlar a
velocidade do motor de indução foi utilizado um inversor de frequência.
Fixou-se uma coroa de bicicleta no eixo do motor de indução, apresentada na
Figura 3.40, e essa coroa movimentava a corrente da bicicleta, conforme mostra a Figura
3.41 e 3.42. A velocidade era determinada pelo inversor mostrado na Figura 3.46. A
bicicleta estava de ponta-cabeça, com o banco apoiado no chão. Foram colocados alguns
equipamentos ao seu lado como um calço a fim de se evitar que a bicicleta vibrasse muito
e ocorresse algum acidente, conforme mostram as Figuras 3.43, 3.44 e 3.45.
Nas primeiras medições notou-se que havia um ruído muito grande nas medições de
tensão do gerador, tanto no multímetro quanto no osciloscópio. O resultado no multímetro
era que as medidas estavam absurdas e nos osciloscópio era impossível visualizar a
forma de onda. Investigando esse fato concluiu-se que ele ocorria todas as vezes que o
inversor era ligado. A hipótese é que os chaveamentos dos semicondutores internos do
equipamento estavam gerando alguma interferência eletromagnética nos equipamentos
eletrônicos próximos.
Para mitigar esse problema foi criado uma Gaiola de Faraday envolvendo o inversor,
utilizando papel alumínio. Feito isso aterrou-se a gaiola ligando um condutor terra em
sua carcaça. Com isso esperava-se que o problema fosse extinto. As Figuras 3.47 e 3.48
apresentam esse arranjo técnico.
Ao ligar novamente o inversor e medir a tensão de saída do gerador percebeu-se que
as medidas do multímetro estavam mais condizentes, porém ainda estavam um pouco acima
comparado com quando o inversor estava desligado. Durante as medições percebeu-se que
havia uma diferença de potencial entre a carcaça do inversor e a bicicleta, e isso estava
alterando os valores de tensão medidos. Para se resolver isso ligou-se um fio condutor
entre a bicicleta e a carcaça do inversor, que estava aterrada. Dessa forma tanto a bicicleta
quanto o inversor de frequência estavam no mesmo potencial. Após isso as medições com
64 Capítulo 3. Materiais e Métodos
o multímetro ficaram rigorosamente iguais tanto com o inversor desligado quanto com o
inversor ligado.
Mesmo com todos esses arranjos as medidas do osciloscópio ainda estavam com
muito ruído. Uma das hipóteses levantadas foi que o ruído do inversor estava se propagando
através da rede elétrica. Como era inviável ligar o osciloscópio em outro circuito, optou-se
por pensar em soluções que filtrassem esse ruído. Uma das alternativas foi a utilização
de uma isolação galvânica, ou seja, a utilização de um transformador com relação de
espiras 1:1 para ligar o osciloscópio na rede. Após isso as medidas do osciloscópio ficaram
condizentes, se aproximando das medidas do multímetro.
Para a realização dos ensaios foi utilizado uma matriz de contato e alguns componen-
tes como resistores e potênciômetros. A Figura 3.49 apresenta esses componentes dispostos
na bancada. Foram realizados dois tipos de ensaios: velocidade fixa, onde variou-se a carga
para uma velocidade constante; carga fixa onde variou-se a velocidade para uma carga
constante. Esses ensaios foram feitos na saída do gerador, antes da retificação da forma de
onda da tensão. As discussões e resultados destes ensaios são apresentadas no Capítulo 4.
Figura 3.39 – Motor de indução utilizado no ensaio para fornecer a energia cinética do
gerador.
Fonte: Produção dos próprios autores.
3.2.4.1 Velocidade fixa
Os primeiros ensaios foram para velocidades fixas. Para realização do primeiro
ensaio ajustou-se a velocidade do motor de indução de modo que a velocidade de rotação
3.2. Protótipo Final 65
Figura 3.40 – Coroa de bicicleta a ser fixada no motor de indução.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.41 – Motor de indução com a coroa na corrente da bicicleta.
Fonte: Produção dos próprios autores.
da roda estivesse aproximadamente a 59 rpm, que equivale a um ciclista pedalando a
aproximadamente 7 km/h. Essa velocidade foi medida com o auxílio de um tacômetro.
As grandezas elétricas medidas foram tensão e corrente, e a potência desenvolvida
66 Capítulo 3. Materiais e Métodos
Figura 3.42 – Motor de indução com a coroa na corrente da bicicleta.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.43 – Arranjo montado para os ensaios.
Fonte: Produção dos próprios autores.
foi calculada pelo produto dessas duas grandezas. Foram usados 3 potenciômetros como
carga resistiva, de 100 kΩ, 10 kΩ e de 1 kΩ. O motivo de se usar 3 potenciômetros é
que para valores muito baixos o potenciômetro é muito sensível, perdendo sua precisão e
variando muito. Portanto o potenciômetro de 100 kΩ foi substituído pelo de 10 kΩ quando
3.2. Protótipo Final 67
Figura 3.44 – Ímãs de neodímio passando no entreferro.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.45 – Arranjo montado para os ensaios.
Fonte: Produção dos próprios autores.
a resistência estava próxima deste valor, e o de 10 kΩ foi substituído pelo de 1 kΩ quando
a resistência diminuiu abaixo de 1 kΩ.
O ensaio consistiu em verificar as variações de tensão, corrente e potência para dife-
rentes valores de resistência. Iniciou-se o ensaio a vazio, depois ajustou-se o potenciômetro
68 Capítulo 3. Materiais e Métodos
Figura 3.46 – Inversor de frequência para controlar o motor deindução.
Fonte: Produção dos próprios autores.
de maior resistência para seu valor máximo, 130 kΩ e diminuiu-se gradativamente esse
valor de resistência até próximo ao curto-circuito. A Tabela A.1 no Apêndice A apresenta
essas medidas.
Repetiu-se o processo para outras duas velocidades, 144 rpm (17 km/h) e 209 rpm
(25 km/h). As Tabelas B.1 e C.1 no Apêndice B e C, respectivamente, apresentam essas
medidas.
3.2. Protótipo Final 69
Figura 3.47 – Inversor encapado com papel alumínio.
Fonte: Produção dos próprios autores.
Figura 3.48 – Inversor encapado com papel alumínio.
Fonte: Produção dos próprios autores.
3.2.4.2 Carga fixa
O segundo tipo de ensaio realizado foi com uma carga fixa. Em um primeiro
momento colocou-se o gerador sem carga. A velocidade inicial, de rotação, medida com
70 Capítulo 3. Materiais e Métodos
Figura 3.49 – Materiais utilizados nos ensaios.
Fonte: Produção dos próprios autores.
um tacômetro, foi 59 rpm e a final de 220 rpm. A velocidade foi sendo gradativamente
aumentada e a tensão foi sendo medida. Repetiu-se o procedimento com o gerador ali-
mentando uma carga resistiva de 300 Ω e 400 Ω. Esse valor foi escolhido pois de acordo
com as Tabelas A.1, B.1 e C.1, foi o valor de resistência que apresentou uma das maiores
potências para as os três ensaios de velocidade. As Tabelas 4.1, 4.2 e 4.3 no Capítulo 4,
apresentam essas medidas.
3.2.4.3 Obtenção da indutância e resistência do gerador
Com o auxílio de um multímetro, fora medida a resistência do enrolamento do
estator do gerador, obtendo-se assim a resistência Rin igual a 18 Ω. Esse valor é proveniente
do fio de cobre que apesar de ser um bom condutor e apresentar uma baixa resistividade,
o grande comprimento deste fio usado na bobina resultou nessa resistência.
Para se obter a indutância interna do gerador, injetou-se uma tensão senoidal, por
meio de uma fonte de sinal, nos terminais do gerador desligado, que segundo a modelagem
mostrada na Figura 3.50 resulta no circuito ilustrado na Figura 3.51, onde a tensão Vf é a
da fonte de sinal, e Rext uma resistência conhecida e Zin a impedância interna do Gerador.
A resistência Rin da Figura 3.50 representa a resistência do fio de cobre no en-
rolamento da bobina, e a indutância Lin é a indutância interna do gerador. A carga Rl
representa uma carga qualquer que o gerador está alimentando. Quando o gerador não
está em operação, a fonte de tensão V assume valor zero, ou seja, atua como um curto
3.2. Protótipo Final 71
circuito. Logo, aplicando uma tensão alternada nos terminais do gerador seguido por uma
resistência externa de valor conhecido, resulta no circuito apresentado na Figura 3.51.
Figura 3.50 – Circuito Modelado
Fonte: Produção dos próprios autores
Figura 3.51 – Circuito equivalente utilizado no ensaio
Fonte: Produção dos próprios autores
Conforme a Figura 3.50, para obter a tensão Vext sobre o resistor Rext aplica-se um
divisor de tensão e tem-se as Equação 3.2:
Vext =
Vf .Rext
Rext + Zin
(3.2)
Isolando Zin da Equação 3.2 obtém-se a Equação 3.3:
72 Capítulo 3. Materiais e Métodos
Zin =
Vf .Rext
Vext
−Rext (3.3)
A partir de Zin obtém-se a indutância Lin pela Equação 3.4, levando em consideração
a frequência f da fonte de sinal.
Lin =
√
Z2in −R2in
2.pi.f (3.4)
Foi escolhido um Rext de 12, 41Ω, resultado da associação de vários resistores. Esse
valor foi escolhido pois era necessário adotar uma resistência com a mesma ordem de
grandeza da resistência interna do gerador. Caso contrário, as variações de tensão de Vext
ficariam imperceptíveis e difíceis de se medir devido a sensibilidade dos equipamentos.
De posse de Rin, já medido, aplicou-se um sinal de entrada no gerador projetado
inicialmente com frequência de 10 Hz e tensão Vf de 1,55 V. Medindo-se a tensão sobre
Rext calculou-se o Lin a partir da Equação 3.4. Repetiu-se o processo para outros 5 valores
de tensão e frequência conforme a Tabela D.1 no Apêndice D.
Realizando a média das indutâncias calculadas obtidas mostradas na Tabela D.1
obteve-se Lin = 1, 363H.
3.2.5 Forma de onda da tensão induzida e do fluxo magnético
Devido à disposição dos ímãs escolhida no segundo protótipo (alternância entre
polos espaçados igualmente) esperava-se que a forma de onda de tensão fosse similar à
Figura 3.20. Desejava-se saber ainda como seria a forma de onda do fluxo magnético, uma
vez que, de acordo com a Equação 2.1, a tensão induzida é a derivada do fluxo magnético
ou, de um outro ponto de vista, o fluxo magnético é a integral da tensão induzida. Por
meio de um multímetro ou osciloscópio é possível medir a tensão, portanto integrando
esta forma de onda é possível se obter o fluxo magnético que passa no interior da bobina.
Utilizando um osciloscópio mais sofisticado foi possível fazer a aquisição da forma
de onda de tensão e integrá-la em tempo real para se obter o fluxo magnético. A Figura
3.52 apresenta as duas formas de onda. A forma de onda superior é a de tensão e forma
de onda inferior é a do fluxo magnético. É interessante notar que como a tensão é a
derivada do fluxo, nos pontos onde esta derivada é positiva a tensão também é positiva, e
nos pontos onde esta derivada é negativa a tensão também é negativa, o que condiz com
o esperado. Outra observação é que nos pontos críticos (máximos e mínimos) do fluxo
magnético a derivada desta onda é zero, ou seja, a tensão é zero, como mostrado pela
Figura 3.52. Observa-se ainda que a forma de onda do fluxo magnético apresenta uma
inclinação. Acredita-se que isso seja devido ao fato de que no processo de integração do
3.2. Protótipo Final 73
osciloscópio este esteja somando à função integrada alguma constante na forma de onda
de tensão.
Figura 3.52 – Forma de onda da tensão induzida (amarela) e do fluxo magnético (rosa).
Fonte: Produção dos próprios autores
3.2.6 Tratamento da tensão e alimentação de uma carga CC
Como já mencionado anteriormente, a tensão de saída do gerador implementado
neste trabalho é alternada. Portanto para se carregar um celular e ligar os LEDs dos faróis
seria necessário retificar essa tensão.
Foi projetado um retificador em ponte não controlado ligado a um regulador de
tensão de 5V. Deste modo, a tensão é ceifada em 5V e é possível carregar um celular e
acender os LEDs sem queimá-los por sobretensões. Foi utilizada uma placa perfurada para
confeccionar o circuito. A Figura 3.53 apresenta o diagrama esquemático do circuito e a
Figura 3.54 apresenta o circuito confeccionado.
Foi medida a quantidade de lúmens que os faróis estavam emitindo. Para isso
foram utilizados dois luxímetros, um digital e um analógico, para 3 distâncias distintas. A
74 Capítulo 3. Materiais e Métodos
Figura 3.53 – Diagrama esquemático do circuito projetado para retificação e estabilização
da tensão.
Fonte: Produção dos próprios autores
Figura 3.54 – Circuito na placa perfurada da ponte retificadora não controlada.
Fonte: Produção dos próprios autores
velocidade de rotação da roda foi de aproximadamente 144 rpm (15 km/h). Os resultado e
discussões dessas medidas são apresentadas no Capítulo 4.
3.2. Protótipo Final 75
3.2.7 Elaboração de um roteiro de experimento para o Laboratório de Con-
versão
Foi elaborado um roteiro de experimento para a disciplina de Laboratório de
Conversão Eletromecânica de Energia visando motivar os alunos nos estudos de máquinas
elétricas. O intuito é instigar os estudantes sobre os fenômenos eletromagnéticos e mostrar
que é possível projetar e implementar uma máquina elétrica simples de uma forma não
industrial. O roteiro propõe que sejam feitos alguns ensaios como neste trabalho. Ele
contém ainda questionamentos para que os alunos discutam e levantem hipóteses sobre as
medições realizadas, se estão dentro do esperado e o que mudaria caso algum elemento
da máquina fosse alterado. O roteiro proposto se