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APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 127 Os circuitos magnéticos são empregados com o intuito de concentrar o efeito magnético em uma dada região do espaço. Em outras palavras, este circuito direciona o fluxo magnético para onde for desejado, sendo dotado de materiais com certas propriedades magnéticas e dimensões, a partir de uma variedade de seções e diferentes comprimentos. Cumpre salientar aqui que as características magnetizantes dos materiais são de natureza não linear, o que deve ser levado em conta nos projetos de dispositivos eletromagnéticos. A título de exemplos poderíamos citar a determinação da corrente elétrica requerida em um enrolamento para produzir uma dada densidade de fluxo no entreferro de um pequeno atuador, de um relé ou de um eletromagneto. 14.1 - CIRCUITOS MAGNÉTICOS LINEARES São considerados magneticamente lineares os circuitos magnéticos onde a permeabilidade relativa é baixa. Circuitos magneticamente lineares podem ser obtidos quando o núcleo é de ar, ou constituído por um material não ferromagnético. Analogia com Circuitos Elétricos Consideremos o dispositivo da fig. 14.1, onde o núcleo é formado por um material de permeabilidade magnética . Figura 14.1 - Um circuito magnético simples Pela aplicação da lei de Ampère a este circuito teremos: INLdHL (14.1) Considerando que H possui módulo constante ao longo do caminho médio L percorrido pelo fluxo magnético , mostrado na figura teremos: LHIN (14.2) )m/esp.A( L INH (14.3) O produto N I é o responsável pela condução do fluxo no circuito magnético, desempenhando o papel de uma fonte. Daí ele ser conhecido por força magneto motriz (Fmm). CIRCUITOS MAGNÉTICOS LINEARES E NÃO LINEARES V i N 14 APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 128 De HµB , vem que: L NIµB (14.4) O fluxo magnético que passa através da secção reta ao longo do circuito será: SBφ (14.5) Onde pela eq. (14.4) S L FmmµS L INµ φ (14.6) ou ainda: Fmm φ (14.7) O termo do denominador Sµ L (14.8) é chamado de relutância do circuito magnético. Ele representa a dificuldade imposta à circulação do fluxo magnético, tendo como unidade A.esp/Wb no Sistema Internacional. Considere agora o circuito elétrico da fig. 14.2 formado por um único laço ou malha de corrente. Para esse circuito elétrico temos a resistência oposta à corrente elétrica dada por: Sσ LR (14.9) onde R VI (14.10) Portanto, para a corrente elétrica, sendo V a Fem (força eletro motriz) responsável pela corrente I: )Sσ( L Fem R FemI (14.11) Podemos então montar um circuito elétrico análogo ao circuito magnético, conforme as correspondências entre as grandezas magnéticas e elétricas a seguir: V i R Figura 14.2 - Circuito elétrico análogo APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 129 Circuito Magnético Circuito Elétrico Fmm = N.I Fem = V Fluxo Magnético = m Corrente elétrica = I Relutância = Resistência Elétrica = R Permeabilidade = Condutividade = Permeância = 1 Condutância = R1G Exemplo 14.1 Para o dispositivo da fig. 14.1, tem-se uma corrente I = 5 A, através de N = 100 espiras, fazendo circular um fluxo magnético por um retângulo cujos comprimentos médios da base e da altura são respectivamente 10 cm e 8 cm e secção reta 2 cm2, feito de um material de permeabilidade relativa r = 1000. Calcular: a) - A relutância do circuito magnético b) - A permeância do circuito magnético c) - A intensidade de campo magnético no núcleo d) - A densidade de fluxo magnético no núcleo e) - O fluxo magnético no núcleo Solução: Wb/esp.A10x43,1 10.2.10.π4.1000 10).810.(2 Sµµ l 6 47 2 0r m )esp.A/(Wb10x7/1P 7 m/esp.A10x4,1H 10).810.(2 5x100 l NIH 3 2 m 237 0r m/Wb76,1B10.4,1.10.π4.1000HµµB Wb10.5,310.2.76,1BSφ 44 Exemplo 14.2 Calcular o valor do fluxo magnético em cada braço da estrutura magnética da fig. 14.3, dados: N = 500 espiras, I = 1,0 A, material 1 com r1 = 200 e material 2 com r2 = 100. Figura 14.3 - Estrutura ferromagnética do exemplo 14.2 5 5 5 2 2 2 2 2 N medidas em cm espessura: 2 cm cm material 1 material 2 APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 130 Solução: Pelo circuito elétrico análogo abaixo Para o lado do material 1: 11lHNI Para o lado do material 2: 22lHNI No caso l1 = l2 = lm cm28cm)111111115555(lm m/esp.A71,1785 28,0 1500 l NIH 1 1 m/esp.A71,1785 28,0 1500NIH 2 2 l Indução magnética no braço esquerdo: T45,071,1785104200HB 7101r1 Fluxo magnético no braço esquerdo: Wb108,110445,0SBφ 44111 Indução magnética no braço direito: T23,071,1785104100HB 7202r2 Fluxo magnético no braço direito: Wb1092,010423,0SBφ 44222 Fluxo magnético (total) no braço central: Wb1072,2φφφ 421c 14.2 - CIRCUITOS MAGNÉTICOS NÃO-LINEARES São considerados não lineares todos os circuitos magnéticos que utilizem materiais ferromagnéticos, dotados de permeabilidade magnética alta, tais como o ferro fundido, o aço silício, o aço fundido, a ferrite etc. A maioria dos circuitos magnéticos de aplicação prática são não lineares e a permeabilidade dos materiais ferromagnéticos torna-se variável em função da indução ou densidade de fluxo magnético B no núcleo. Exemplo 14.3 As dimensões da estrutura magnética na fig. 14.5 estão indicadas na tabela em seguida. O enrolamento de excitação possui 100 espiras. Determine a corrente neste enrolamento para estabelecer um fluxo de 1.5x10-4 (Wb). Despreze a dispersão do fluxo magnético, considerando-o todo confinado ao núcleo. Utilize as curvas de magnetização mostradas no final deste capítulo. Figura 14.5 - Estrutura ferromagnética Figura 14.6 - Circuito elétrico análogo 2 1 H1l1 H2l2 NI 2 1 H1l1 H2l2 NI Figura 14.4 - circuito elétrico análogo do exemplo 14.2 APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 131 Mat. 1 - Ferro Fundido Mat. 2 - Aço-Silício lm 0.2 m 0.4 m S 15x10-4 m2 15x10-4 m2 Solução: 2211 l.Hl.HI.NFmm A estrutura mostra um circuito com os dois materiais em série. Assim: )Wb(10x5,1φφφ 421 S.Bφ 2211 S.BS.Bφ )m/Wb(1,0 10x15 10x5.1 S φBB 24 4 21 Das curvas de magnetização temos: Para o ferro fundido: )m/esp.A(225H)m/Wb(1.0B 1 2 1 Para o aço-silício: )m/esp.A(35H)m/Wb(1.0B 2 2 2 Portanto: N l.Hl.HI 2211 A59,0 100 4,0x352.0x225I Imagine que tivéssemos que escolher apenas um tipo de material, entre os materiais 1 e 2, para manter o mesmo fluxo magnético. Qual seria o escolhido? Se o material escolhido fosse o 2 teríamos: )A(21,0 100 4,0x352,0x35 N l.Hl.H'I 2211 Se o material 1 fosse o escolhido teríamos: )A(35,1 100 4,0x2252,0x225''I Neste caso, o escolhido seria o material 2, por requerer uma corrente de 210 mA (conseqüentemente uma força magnetomotriz) menor do que a exigida no caso de se utilizar o material 1. Exemplo 14.4 Considere a estruturamagnética em aço fundido mostrada na fig. 14.7. Para um fluxo magnético de 1,5 x 10-4 Wb, qual é o valor de B nos pontos 1 e 2, dados que S1 = 16 cm2, S2 = 20 cm2, l1 = 15 cm, l2 = 30 cm. Determine também a corrente na bobina sabendo-se que ela possui 200 espiras. N 1 2 Figura 14.7 – estrutura ferromagnética do exemplo 14.4 APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 132 Solução: O fluxo magnético é o mesmo em qualquer seção. Logo 21 φφφ A indução magnética na seção 1 é: T094,0 1016 105,1 S φB 4 4 1 1 A indução magnética na seção 2 é: T075,0 1020 105,1 S φB 4 4 2 2 Da curva para o aço fundido: m/Ae85HT094,0B 11 m/Ae65HT075,0B 22 Aplicando a lei de Ampère: 2211 lHlHNI A16,0 200 3,06515,085I 14.3 - FATOR DE EMPACOTAMENTO (OU FATOR DE LAMINAÇÃO) Quando um material ferromagnético é colocado na presença de um campo magnético variável no tempo, correntes parasitas (ou correntes de Foucault) serão induzidas em seu interior, provocando perdas de energia com o aquecimento do material. A redução deste fenômeno é obtida com o núcleo de dispositivos eletromagnéticos construído com chapas ou lâminas de material ferromagnético, isoladas entre si (por exemplo, com verniz), conforme pode ser ilustrado na fig. 14.8. Assim, devido ao processo de empilhamento das chapas para montagem do núcleo, a área efetiva do material ferromagnético, Smag atravessada pelo fluxo torna-se menor que a área geométrica, Sgeom ocupada pelo núcleo. Pode-se então definir um fator de empacotamento ke como sendo a relação: geom mag e S S k (14.12) Outra razão de natureza prática para a laminação do circuito magnético é a de facilitar a colocação das bobinas no dispositivo visando à construção e a manutenção. Fig. 14.8 – Núcleo Laminado A tabela a seguir fornece alguns valores para o fator de empacotamento em função da espessura da chapa ou lâmina utilizada. APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 133 Espessura da chapa (mm) ke 0.0127 0,50 0.0258 0,75 0.0508 0,85 0.10 a 0.25 0,90 0.27 a 0.36 0,95 Exemplo 14.5 Uma estrutura magnética é feita de um pacote em aço-silício com chapas de 0,15 mm, como pode ser mostrada na fig. 14.9. Determine a corrente que deve circular no enrolamento com 500 espiras para estabelecer um fluxo de 9x10-4 Wb no braço direito da estrutura. Dados: l1 = l3 = 50 cm, l2 = 15 cm, espessura comum S = 25 cm2. Figura 14.9 - Estrutura magnética do exemplo 14.5 Solução: malha 1: )I(.lHl.HFmm 2211 malha 2: )II(l.Hl.H0 2233 nó 1: )III(φφφ 321 Figura 14.10 - Circuito análogo do exemplo 14.5 Dado: Wb10x9φ 43 333 S.Bφ Considerando um fator de empacotamento ke = 0,90 2 4 4 3 m/Wb4,0 90,0x10x25 10x9B Da curva de magnetização para o aço silício: m/esp.A60H4,0B 33 A partir da equação (II) na malha 2: m/esp.A200 10x15 10x50x60 l l.HH 2 2 2 33 2 Da curva de magnetização: 2 22 m/Wb07,1B200H Wb10x08,24)9,0x10x25(x07,1S.Bφ 44222 Da equação (III): Wb10x08,3310x910x08,24φ 4441 2 4 4 1 1 1 m/Wb47,110x5,22 10x08,33 S φ B N = 500 l1 l3 l2 1 APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 134 Da curva de magnetização: m/esp.A2050H47,1B 11 Da equação (I): esp.A105510x15x20010x50x2050Fmm 22 A11,2 500 1055 I 14.4 – CIRCUITOS MAGNÉTICOS COM ENTREFERROS Alguns dispositivos eletromagnéticos, tais como instrumentos de medidas, motores, relés etc, por serem constituídos de uma parte fixa e outra móvel, possuem um espaço de ar lg na sua estrutura magnética. Este espaçamento ou interstício promove o acoplamento entre as partes sob o ponto de vista magnético para que o fluxo se estabeleça por um caminho fechado. A este espaço é dado o nome de “entreferro" (ou "air gap" em inglês). Figura 14.11 - Estrutura magnética com entreferro Ao cruzar o entreferro, o fluxo magnético sofre um fenômeno chamado de espraiamento (frangeamento, espalhamento, efeito de bordas), conforme pode ser visto da fig. 14.12. Isto faz com que a área efetiva por onde passa o fluxo se torne maior que a área S geométrica do entreferro. Fig. 14.12 - Campo magnético em um entreferro Seja uma área de secção reta S = a x b retangular e o entreferro de comprimento lg. Então, de uma forma prática, podemos calcular a área aparente ou efetiva do entreferro Sg através da relação: )m()lb).(la(S 2ggg (14.13) Observe-se aqui que quando o entreferro for muito reduzido, o efeito do espraiamento pode ser desprezado. Exemplo 14.6 Vamos investigar a influência de um entreferro sobre um circuito magnético. Imagine uma estrutura retangular em aço silício, com secção reta de 5 cm x 2 cm, comprimento médio de 50 cm, excitada por uma bobina de 100 espiras. Determinar os valores de corrente necessários para que sejam estabelecidos fluxos magnéticos de 3x10-4 Wb, 6x10-4 Wb e 9x10-4 Wb. Em seguida, admita um entreferro de 1 mm na estrutura e refaça os cálculos para encontrar os mesmos valores de fluxo. Analise os resultados. lg APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 135 Solução: Sem entreferro: Para Wb10x3S.Bφ 4 T3,0 10x10 10x3 S φB 4 4 Da curva de magnetização do aço-silício: m/esp.A55HT3,0B o valor da corrente será: A275,0 100 5,0x55 N l.HI Para Wb10x6φ 4 T6,0 10x10 10x6B 4 4 m/esp.A75T6,0 A375,0 100 5.0x75I Para Wb10x9φ 4 T9,0 10x10 10x9B 4 4 m/esp.A135T9.0 A675,0 100 5,0x135I Com o entreferro: Área efetiva do entreferro: 2 g cm71,10)1,02).(1,05(S Para Wb10x3φ 4 T28,0 10x71,10 10x3 S φ B 4 4 g g g m/esp.A222817 10xπ4 28,0 µ B H 7 0 g g A50,2 100 001.0x222817)001,05,0(x55I Para Wb10x6φ 4 T56,0 10x71,10 10x6B 4 4 g m/esp.A445812 10xπ4 56,0H 7g A83,4 100 001,0x445812499,0x75I Para Wb10x9φ 4 T84,0 10x71,10 10x9B 4 4 g m/esp.A668718 10xπ4 84,0H 7g A36,7 100 001,0x668718499,0x135I A partir dos resultados podemos observar que: - Para se obter os mesmos valores de fluxo, com a introdução do entreferro, é necessário um aumento muito grande nos valores da corrente. - Praticamente toda a Fmm é utilizada para vencer o entreferro (torna-se mais acentuado quanto maior o entreferro) - A introdução do entreferro tornou o circuito magnético (material magnético + entreferro) praticamente linear. APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 136 Exemplo 14.7 Considere uma estrutura magnética construída com chapas de aço silício, com fator de empacotamento 0,9. As dimensões da seção transversal do núcleo são 5 cm e 6 cm. O comprimento médio do caminho do fluxo é 1 m. Determine a Fmm para estabelecer um fluxo de 25x10-4 Wb no entreferro, cujo comprimento tem 5 mm. Solução: T7,0 005,006,0005,005,0 1025 S φ B 4 g g g m/Ae3,557042 µ B H 0 g g T93,0 9,006,005,0 1025 S φB 4 n n n Da curva de magnetização para o aço silício m/Ae130HT93,0B nn nngg lHlHFmm Ae6,2914)005,01(130005,03,557042Fmm Exemplo 14.8 Considere a mesma estrutura, porém com uma bobina de 750 espiras, e uma corrente de 6 A. Qual é o valor do fluxo no entreferro? Solução: ggnn l.Hl.Hi.N (I) φφφ gn nngg S.BS.Bφ g0 g n ng HµS SBB g n 0 n g S S µ BH (II) Substituindo (II) em (I): )III(l. S.µ SBlHi.N g g0 n nnn A equação acima recebe o nome de reta negativa de entreferro (veja fig. 14.13) Fazendo-se 0Hn em (III): )m/Wb( l.S S.µ .i.NB 2 gn g0 n 224 47 n m Wm5,1 10.5,0x10x6x5x9,0 10)5,06)(5,05(10.π46x750B Fazendo-se 0Bn em (III): )m/esp.A(4500 1 6x750 l i.NH n n Figura 14.13 - A curva de magnetização e a reta negativa de entreferro De acordo com a fig. 14.13 e dispondo da curva de magnetização do aço silício, determinamos graficamente os valores da intersecção. m/esp.A550Hem/Wb33,1B 'n 2' n Portanto: Wb10x3610x6x5(x9,0x33,1S.Bφ 44n ' n B H Reta negativa de entreferro Curva de magnetização APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 137 Exemplo 14.9 Um núcleo toroidal de aço fundido apresenta uma seção transversal circular de 10 cm2. O comprimento médio do circuito magnético é 35 cm, com um gap de 1 mm. Uma bobina enrolada com 200 espiras em torno do núcleo alimenta o circuito magnético com uma corrente de 3 A. Determine o fluxo no entreferro. Solução: Figura 14.14 - Circuito Magnético e circuito análogo do exemplo Raio do núcleo toroidal de aço fundido: m0178,0 π 10x10rm10x10rπS 4 242 n Raio efetivo do entreferro: m0188,0001,00178,0r Área efetiva do gap (entreferro): 242 g m10x1,110188,0.πS O circuito magnético é descrito por: ggnn l.Hl.HI.N gn φφφ Como o circuito é de aço fundido, ke = 1, e n g n gnngg BS SBSBSB g g n 0 n nn l.S S. µ Bl.HI.N Fazendo Hn = 0 : )m/Wb(84.0 10.10x10 10xπ4x10x1.11x3x200 l.S µ.S.I.N B 2 34 74 gn 0g n Fazendo Bn= 0 : )m/esp.A(1720 10x9,34 3x200 l I.NH 2 n n Do cruzamento da reta negativa de entreferro com a curva de magnetização do material magnético do núcleo obtemos: )m/Wb(67.0B 2n )m/esp.A(350Hn O fluxo no entreferro é: 67,0x10x10SB S SS.Bφ 4gn g n ggg Wb10x7,6φ 4g Substituindo os valores encontrados para Bn e Hn na equação do circuito magnético teremos: )esp.A(65501.0x 10xπ4 67.0349.0x350I.N 7 Observamos que este resultado se aproxima do valor correto de N.I que é 600 A.esp. Portanto, este método gráfico permite a obtenção de soluções com certa precisão. V i R APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 138 EXERCÍCIOS 1) - Um circuito magnético compõe-se de duas partes de mesmo material ferromagnético com permeabilidade magnética relativa 4000µ r formando um caminho único para o fluxo. A parte 1 tem 50 mm de comprimento médio e 104 mm2 de seção reta. A parte 2, conectada à parte 1, possui 30 mm de comprimento médio e 120 mm2 de área de secção. O material magnético encontra-se na parte da curva onde a permeabilidade relativa é proporcional à densidade de fluxo. Encontre o fluxo , para uma Fmm de 40 A.esp. 2) - A figura abaixo mostra um circuito magnético em aço fundido. A parte 1 tem um comprimento médio l1 = 34 cm, e secção S1 = 6 cm2. A parte 2 tem l2 = 16 cm e S2 = 4 cm2. Calcule a corrente do enrolamento com N1 espiras, supondo I2 = 0.5 A., N1 = 200 espiras, N2 = 100 espiras e o fluxo magnético no circuito, = 120 Wb. Figura do problema 2 3) - A figura abaixo mostra um circuito magnético com uma Fmm de 500 Ae. A parte 1 é de aço fundido, com l1 = 340 mm, e S1 = 400 mm2. A parte 2 é de ferro fundido, com l2 = 138 mm e S2 = 360 mm2. Calcule o fluxo magnético. Figura do problema 3 4) - Para o circuito magnético mostrado na figura abaixo, a permeabiliade relativa é 1000. A seção transversal é de 2 cm2, com exceção da perna central, que é de 4 cm2. Os caminhos l1 e l2 medem 24 cm, e l3 mede 8 cm. Calcular o fluxo magnético nos caminhos L1 e L2. Figura do problema 4 2 1 N2 N1 F2 F1 1 2 1000 Ae 500 Ae L1 L2 L3 APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 139 2 cm Espessura 2 cm Entreferro = 1 mm Fmm = 500 Fmm = 500 5 cm 2 cm 6 cm 6 cm 4 cm 2 cm 2 cm 5) - Um núcleo em aço-silício, seção retangular de 10 mm x 8 mm, comprimento médio de 150 mm. Possui um entreferro de 0.8 mm. O fluxo é 80 x 10-6 Wb. Calcule a Fmm. 6) - O circuito magnético mostrado na figura abaixo é de aço fundido. A bobina tem 500 espiras. As dimensões são : le = 1mm, S2 = S3 = 150 mm2 , S1 = 300 mm2 , l1 = 40 mm, l2 = 110 mm e l3 = 109 mm. Calcule a corrente na bobina para gerar um fluxo de 125 Wb no entreferro. Suponha que Se é 17 % maior que S3. Figura do problema 6 7) - Encontre o fluxo magnético em cada um dos três braços do circuito magnético mostrado na figura abaixo. Considere H = 200B no aço. Figura do problema 7 N = 500 L2 L3 L1 APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 140 CURVAS DE MAGNETIZAÇÃO DOS PRINCIPAIS MATERIAIS FERROMAGNÉTICOS
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