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1.0.Circuitos Magneticos

Date post: 07-Aug-2018
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  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    1/79

    Faculdade PitágorasCurso de Graduação em Eng. Elétrica e de Automação

    Conversão Eletromecânica de Energia –  2012/01

    Prof. Lucas de Souza Batista

    Circuitos Magnéticos

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    2/79

    Equações de Maxwell – Forma Local

    Circuitos Magnéticos2

     E  J 

     E  D

     H  B

     

     

     

    Relações Constitutivas:

    GaussdeLei 

    FaradaydeLei 

    voconservatié 0

    AmpèredeLei 

      

     Ddiv

     B E rot 

     B Bdivt 

     D J  H rot 

    Lei de Ohm sob forma local.

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    3/79

    Equações de Maxwell – Forma Integral

    Circuitos Magnéticos3

     Mais conveniente para a resolução analítica de problemas;

     Para evitar as manipulações com divergentes ou rotacionais:

     Teorema da Divergência:

     Teorema de Stokes:

      )(V S V   sd  Adv Adiv 

      )(S  LS  l d  A sd  Arot 

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    4/79

    Lei de Ampère

    Circuitos Magnéticos4

    S S S  L

    S S S 

     sd t 

     D sd  J l d  H 

     sd t 

     D sd  J  sd  H rot 

     D J  H rot 

    )(

    Corrente decondução (I)

    Corrente de deslocamento (Id)(radiação eletromagnética)

    Origem da Id:•Variação de E no tempo;• Fenômenos capacitivos.

    L(S)

     J   I

    ds

    r

    Hdl

    S

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    5/79

     O somatório do fluxo de  B através de uma superfície fechadaé nulo (o fluxo magnético é conservativo);

     Não existe monopolo magnético.

    Densidade de Fluxo Conservativo

    Circuitos Magnéticos5

    0

    0

    )(

      V S V 

     sd  Bdv Bdiv

     Bdiv

    NS

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    6/79

     As frequências e dimensões dos problemas analisados nestecurso são tais que o termo da corrente de deslocamento dasequações de Maxwell pode ser desprezado.

    Eq. de Maxwell em Conv. de Energia

    Circuitos Magnéticos

    6

    0)(

    )(

    V S 

    S S  L

     sd  B

     sd  J l d  H 

    A integral de linha da componentetangencial da intensidade de  H ao longo deum caminho fechado L(S) é igual àcorrente total que corta a superfície S

    delimitada por este contorno;

    A densidade de fluxo magnético éconservada (não existe monopolomagnético).

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    7/79

     Armazenamento de energia elétrica pode ser feito por meiode campos elétricos ou de campos magnéticos.

     Armazenamento em campos elétricos:

     Armazenamento em campos magnéticos:

    Produção de Forças em Máq. Elétricas

    Circuitos Magnéticos7

    32

    0   /8.392

    1m J  E W ele      

    34

    0

    2

    /108.392

    1m J 

     BW mag   

        m A sV 

    Tesla B

    ./.104

    1

    7

    0

      

    mV  s A

    mV  E 

    ./.1085.8

    /10312

    0

    6

     

    !!!10000/   elemag    W W 

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    8/79

    Lei de Ampère (Ilustração)

    Circuitos Magnéticos8

     “Quando uma corrente elétrica flui ao longo de um condutor,produz-se um campo magnético em torno do   mesmo”(Oersted 1819).

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    9/79

    Lei de Ampère (Ilustração)

    Circuitos Magnéticos9

     A intensidade do campo magnético em torno do condutordepende da corrente que flui através do mesmo.

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    10/79

    Polaridade de um Condutor

    Circuitos Magnéticos10

     A regra da mão direita:

    Apontando o polegar nadireção do fluxo de corrente,os demais dedos indicarão osentido das linhas de força(H) ao redor do condutor.

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    11/79

    Polaridade de uma Bobina

    Circuitos Magnéticos11

     Linhas de campo em uma bobina (solenóide):

    Segurando a bobina com amão direita, com os dedosapontando no sentido dacorrente, então o polegarapontará no sentido docampo magnético H.

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    12/79

     Estrutura composta principalmente por material magnéticode permeabilidade elevada;

      O fluxo magnético tende a ficar confinado nos caminhos

    delimitados pela estrutura.

    Circuito Magnético

    Circuitos Magnéticos12

    0   

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    13/79

    Eq. de Maxwell no Circuito Magnético

    Circuitos Magnéticos13

    0)(

    )(

    V S 

    S S  L

     sd  B

     sd  J l d  H 

      S   sd  J  Ni  fmm 

      S   sd  B 

     

    ccc   A B cc

    S  Ll  H l d  H  Ni  fmm     )(

    m H  H  H  B r    /10.4;  7

    00

           

    Força magnetomotriz [A.e]

    Fluxo magnético através de Ac [Wb]

    Fluxo magnético uniforme na seção reta Ac

    Força magnetomotriz

    Permeabilidade

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    14/79

     Considerando um entreferro suficientemente pequeno, e queo fluxo passa pelo mesmo sem espalhamento, o circuitoacima pode ser analisado com dois componentes em série:

    Circuito Magnético com Entreferro

    Circuitos Magnéticos14

    cc   A B    

     g  B

    l  B

     g  H l  H  Ni  fmm  g 

    cc

     g cc

    0  

    Núcleo magnético:   Entreferro:   g  g    A B    

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    15/79

    Analogia com Circuitos Elétricos

    Circuitos Magnéticos15

     

     

     

     

     g c

    c

     A

     g 

     A

    l   fmm

    0   

    c

    cc

     A

     

     g 

     g 

     A

     g 

    Relutância do núcleo

    Relutância do entreferro

     g c

     g c

      fmm  fmm

        

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    16/79

     Se a relutância do núcleo for desprezível

    Analogia com Circuitos Elétricos

    Circuitos Magnéticos16

     g 

     A Ni

     g 

     A  fmm  fmm   g  g 

     g 

    00        

     g tot     ,

    0  Enquanto µ for suficientementeelevada, a sua variação nãoafetará o desempenho do

    circuito magnético.

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    17/79

     Os circuitos magnéticos podem consistir em múltiploselementos em série e em paralelo. Generalizando, tem-se:

    Analogia com Circuitos Elétricos

    Circuitos Magnéticos17

      k 

    k k 

    k S  L

    l  H  F l d  H  F )(

    k k i RV 

     

    nni   0

      n

    n   0 

    Circuito elétrico:

      Circuito magnético:

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    18/79

     O espalhamento ocorre emsistemas reais;

     Se o espalhamento não for

    excessivo, o conceito decircuito magnético continuaaplicável;

     O efeito dos campos de

    espraiamento é aumentar aárea da seção reta doentreferroAg.

    Espalhamento do Fluxo no Entreferro

    Circuitos Magnéticos18

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    19/79

     Suponha que Ac = Ag = 9cm2, g = 0.05cm, lc = 30cm, N =500 espiras, e µr = 70000. Encontre as relutâncias Rc e Rg.Considerando Bc = 1.0T, determine o fluxo ø e a corrente i.

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos19

    Wb Ae A

     g 

    Wb Ae A

     g 

     g 

    r cr 

    cc

    /1042.4)109)(104(

    105

    /1079.3)109)(104(

    3.0

    5

    47

    4

    0

    347

    0

      

        

     A N 

    i

     Ni  fmm

    Wb A B

     g c

     g c

    cc

    8.0500

    )1046.4(109)(

    )(

    109)109(0.1

    54

    44

     

     

     

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    20/79

     Suponha que o ferro do rotor e do estator da máq. síncrona aseguir tenham permeabilidade infinita, I = 10A, N = 1000espiras, g = 1cm e Ag  = 2000cm2. Encontre o fluxo ø do

    entreferro e a densidade de fluxo Bg.

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos20

    T  A

     B

    Wb

     g 

     A NI   fmm

     g 

     g 

     g 

     g c

    65.02.0

    13.0

    13.002.0

    )2.0)(104)(10(1000

    2

    7

    0

     

     

     

      

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    21/79

     Supondo a máquina anterior com µinf, N=500 espiras,g=1cm, Ag=2000cm2 e Bg=0.9T, encontre o fluxo ø doentreferro e a corrente i necessária para produzir este fluxo.

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos21

     Ai

    Wb

    6.28

    18.0

    :Respostas

     

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    22/79

    Lei de Faraday

    Circuitos Magnéticos22

    S S  L

    S S 

     sd  Bdt 

    d l d  E 

     sd t 

     B sd  E rot 

     B E rot 

    )(

    A circulação de E ao longo deL(S) gera uma fem:

    L(S)ds

    Edl

    S

    e

    t  B  

      )(S  L l d  E e

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    23/79

    Lei de Faraday

    Circuitos Magnéticos23

      S S  L  sd  Bdt d 

    l d  E  

    )(

    A integral de linha da intensidade de campoelétrico  E ao redor de um contorno fechadoL(S) é igual a taxa de variação temporal docampo magnético que atravessa a área S;

    Consequentemente, a variação do campomagnético produz um campo elétrico em umcaminho L. Se este caminho for condutor efechado, surgirá uma corrente elétrica;

    A corrente induzida no loop tem direçãotal que o fluxo produzido por esta se opõe àvariação do campo magnético (Lei de Lenz).

    B (decrescente)

    I

    B (crescente)

    I

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    24/79

     A corrente que circula no condutor fechado submetido a umcampo magnético variável no tempo é causada por uma fem.

    Lei de Faraday

    Circuitos Magnéticos24

    dt 

    d  sd  B

    dt 

    d e

     sd  Bdt 

    d l d  E 

    S S  L

     

    )(

    1 espira num campo B   N espira num campo B

    ][;   Wb N 

    dt 

    dt 

    d  N e

     sd  Bdt 

    d  N  sd  B

    dt 

    d e

    S S T 

        

     

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    25/79

     Num circuitos magnético composto de material magnéticode permeabilidade constante ou que inclua um entreferrodominante, a relação entre ø e i será linear:

    Indutância em um Circuito Magnético

    Circuitos Magnéticos25

    tot tot 

    tot    N 

    i

    i N 

    i

      fmm N 

    i

     N 

    i L

     

      

     

    22  

     

    ][0

    22

     H  g 

     A N  N  L

      g 

    tot 

     

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    26/79

     A equação a seguir mostra a estrutura dimensional daexpressão de indutância:

     O conceito de indutância apresentado requer uma relaçãolinear entre o fluxo e a fmm:

     Na prática, os efeitos não-lineares dos materiais magnéticospodem ser ignorados (a relutância do núcleo é dominada pelarelutância do entreferro –  que naturalmente é linear).

    Indutância em um Circuito Magnético

    Circuitos Magnéticos26

    i L

       

     A N  L

       2

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    27/79

     Dado o circuito magnético a seguir, determine:  A indutância do enrolamento;

     A densidade de fluxo B1 supondo uma corrente i;

     Nota: despreze os efeitos de espraiamento no entreferro.

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos27

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    28/79

     Indutância do enrolamento:

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos28

    21

    21

      Ni

     

    20

    22

    10

    11

     A

     g 

     A g 

     

     

     

      

     

    2

    2

    1

    12

    0

    2

    21

    21

    2

    )(

     g 

     A

     g 

     A N  L

     N  N i N 

    i L

    tot 

     

      

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    29/79

     Densidade de fluxo B1:

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos29

    1

    10

    1

    1 g 

     A Ni Ni       

    1

    0

    1

    11

     g 

     Ni

     A B

        

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    30/79

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos30

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    31/79

    Sistemas com Múltiplos Enrolamentos

    Circuitos Magnéticos31

    2211   i N i N   fmm     Força magnetomotriz total

     g 

     Ai N i N 

      fmm   g 

    tot 

    0

    2211   )( 

       

    2

    0

    211

    02

    111   i g 

     A N  N i

     g 

     A N  N 

      g  g 

     

      

     

     

      

     

          

    Fluxo resultante no núcleo

    Fluxo concatenadopela bobina 1

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    32/79

    Sistemas com Múltiplos Enrolamentos

    Circuitos Magnéticos32

    Indutância própria da bobina 1

    2121111   i Li L    

     

      

     

     g 

     A N  L

      g 02

    111

     

     

      

     

     g 

     A N  N  L  g 0

    2112

     

    Fluxo concatenado pela

    bobina 1 devido a i1

    Fluxo concatenado pela

    bobina 1 devido a i2

    Indutância mútua entre as bobinas 1 e 2

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    33/79

    Sistemas com Múltiplos Enrolamentos

    Circuitos Magnéticos33

    Na bobina 2

    2221212   i Li L    

     

     

     

     

     g 

     A N  L

      g 02

    222

     

     

      

     

     g 

     A N  N  L L

      g 0

    211221

     

    2

    02

    21

    0

    2122   i g 

     A N i

     g 

     A N  N  N 

      g  g 

     

      

     

     

      

     

          

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    34/79

     Circuitos magnéticos com um único enrolamento:

    Indutância e Tensão Induzida

    Circuitos Magnéticos34

     Li

    dt 

    dt 

    d  N e

     

      

    dt 

     Lid e

      )(

    Circuito magnético estático(L constante)

      dt 

    di Le 

    Máquinas rotativas(L variável)   dt 

    dLi

    dt 

    di Le  

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    35/79

     A potência nos terminais do enrolamento é a medida dofluxo de energia para o dispositivo através deste enrolamento

     A variação da energia magnética armazenada no dispositivono intervalo de tempo t0 a t é:

    Energia Armazenada no Campo

    Circuitos Magnéticos35

    ][W 

    dt 

    d iie p

       

    ][00

     J d idt  pW t 

    t         

      

    Sistema com enrolamento

    único e L constante

    22

    0

    2

    0

    2

    2

    1

    2

    10

    )(2

    1

    00

     Li

     L

     Ld 

     Ld iW 

      

        

      

     

     

     

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    36/79

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos36

    Indutância L

     H  N 

     L

     H  N 

    i L

     g 

     g c

    tot 

    57.0:)(Como

    56.01046.4

    500

    2

    5

    22

      

    Energia magnética armazenada W(Bc=1.0T e i=0.8A)

     J  LiW    18.0)8.0)(56.0(5.02

    1   22

    A tensão induzidaBc=1.0 sen wt

    f=60Hz

    V  t e

    t e

    dt 

    dB NA

    dt 

    d  N 

    dt 

    d e

      c

    c

    )377cos(170

    )377cos377)(109(500   4

      

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    37/79

     Importância dos materiais magnéticos:  Obtenção de densidades elevadas de fluxo com níveis

    relativamente baixos de força magnetomotriz;

     Confinamento e direcionamento dos campos magnéticos.

     Principais objetivos:  Em transformadores, são utilizados para maximizar o acopla-

    mento magnético entre os enrolamentos;

     Em máquinas, são utilizados para dar forma aos campos demaneira a produzir o conjugado desejado.

    Propriedades dos Materiais Magnéticos

    Circuitos Magnéticos37

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    38/79

     Materiais ferromagnéticos:   Tipicamente compostos de ferro e de ligas de ferro com

    cobalto, tungstênio, níquel, alumínio e outros metais;

     Compostos por um elevado número de domínios magnéticos.Em uma amostra não magnetizada, os momentos magnéticosestão dispostos aleatoriamente, e o fluxo magnético líquidoresultante no material é nulo.

    Propriedades dos Materiais Magnéticos

    Circuitos Magnéticos38

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    39/79

     Quando uma fmm externa é aplicada, os momentos dos domínios

    magnéticos tendem a se alinhar com o H aplicado;  Como resultado, os momentos magnéticos somam-se ao campo

    aplicado, produzindo um valor muito mais elevado de B:

    Propriedades dos Materiais Magnéticos

    Circuitos Magnéticos39

     M  H  B

      

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    40/79

     À medida que a força magnetizante aumenta, esse comportamento

    continua até que todos os momentos estejam alinhados com H;  A partir deste ponto, os momentos não contribuem mais com o

    aumento de B (material completamente saturado).

    Propriedades dos Materiais Magnéticos

    Circuitos Magnéticos40

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    41/79

      Na ausência da força magnetizante, os momentos magnéticosrelaxam-se assumindo direções de mais fácil magnetização;

     Entretanto, os momentos retêm uma componente de magnetiza-ção líquida na direção do campo aplicado;

     Este efeito é responsável pelo fenômeno de histerese magnética.

    Propriedades dos Materiais Magnéticos

    Circuitos Magnéticos41

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    42/79

     Histerese magnética:

    Propriedades dos Materiais Magnéticos

    Circuitos Magnéticos42

    A curva pontilhada representa a curva demagnetização do material;

    Br: densidade de fluxo residual ou

    remanescente;

    -Hc: força de magnetização necessáriapara reduzir a densidade de fluxo para zero(força coerciva do material);

    Quanto maior a área do ciclo dehisterese, maior a perda por histerese (deve-se à relaxação dos momentos dos dipolosmagnéticos do material).

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    43/79

    Propriedades dos Materiais Magnéticos

    Circuitos Magnéticos43

    Laços B-H para aço elétrico de grão orientado, tipo M-5, 0.012”

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    44/79

    Propriedades dos Materiais Magnéticos

    Circuitos Magnéticos44

    Curva de magnetização para aço elétrico tipo M-5, 0.012”

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    45/79

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos45

    Det. a corrente i para produzir Bc = 1.0T.

     A

     N 

     F  F i

    e A g  B

     g  H  F 

    e Al  H  F me A H T  B

     g c

     g 

     g  g 

    ccc

    cc

    8.0

    500

    399

    .396104

    105

    .3.3)3.0(11/.110.1Para

    7

    4

    0

      

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    46/79

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos46

    Det. a corrente i para produzir Bc = 2.0T.

     A

     N 

     F  F i

    e A g  B

     g  H  F 

    e Al  H  F me A H T  B

     g c

     g 

     g  g 

    ccc

    cc

    58.7

    500

    3792

    .792104

    1052

    .3000)3.0(10000/.100000.2Para

    7

    4

    0

      

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    47/79

    Excitação em Corrente Alternada

    Circuitos Magnéticos47

    wt  B Awt t  c   sinsin)( maxmax        Fluxo senoidal no núcleo

    wt  E wt wN dt 

    d  N t e   coscos)( maxmax      

     Tensão induzida na bobina

    maxmaxmax   2   B  fNAwN  E  c    

    maxmax

    0

    22

    2)(

    1 B  fNA

     E dt t e

    T  E  c

    rms     

      

     

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    48/79

    Corrente para Produzir Fluxo Senoidal

    Circuitos Magnéticos48

    ccc   A B B      

     N l  H i H  ccc /  

    Corrente de excitação

    As propriedades magnéticas não-lineares do núcleo requerem que aforma de onda da corrente seja

    não senoidal.

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    49/79

    Volts-Ampères rms para Excitar o Núcleo

    Circuitos Magnéticos49

    max

    ,,

    2

    /

     B fNA E 

     N  H l  I 

    cef  

    ef  ccef  

     

     

    )(2

    2

    max,

    max,

    ccef  ef  ef  

    ef  ccef  ef  

    l  A H  fB I  E 

     N  H l  B fNA I  E 

     

     

     

     

      As características de excitação CA donúcleo são descritas frequentementeem termos de volts-ampères ao invésde uma curva de magnetização B-H.

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    50/79

    Volts-Ampères rms por unidade de Peso

    Circuitos Magnéticos50

    ef  

    c

    ef  ef  

    a

    ccc

    c

     H  B

     f   I  E 

     P 

    l  A

    max

    , 2

    massa    

     

      

      

     

    Densidade de massa do material magnéticoMassa do núcleo

    Volts-Ampères eficazes de excitação porunidade de massa

    )(2 max,   ccef  ef  ef     l  A H   fB I  E        

    Volts-Ampères eficazes de

    excitação por Kg a 60Hzpara o aço elétrico de grãoorientado do tipo M5 de0.012”

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    51/79

     A potência fornecida ao dispositivo está associada à energiaarmazenada no campo magnético do núcleo:

     Parte desta energia é dissipada como perdas (aquecimento);

     O restante aparece como potência reativa associada à energiaarmazenada no campo magnético do núcleo;

     Esta potência reativa não é dissipada no núcleo (ciclicamentefornecida e absorvida pela fonte de excitação);

     Potência útil (ativa).

    Potência em Circuitos Magnéticos em CA

    Circuitos Magnéticos51

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    52/79

     Perdas (potência ativa):

     Ôhmicas (RI2), devido às correntes nos enrolamentos;

     Ôhmicas (RI2), devido às correntes induzidas no material do

    núcleo (correntes parasitas ou correntes de Foucault);  Hiterese magnética, devido ao realinhamento dos momentos

    dos dipolos magnéticos do material;

     Mecânicas (atrito nas escovas e mancais, ventilação).

    Perdas em Circuitos Magnéticos em CA

    Circuitos Magnéticos52

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    53/79

     Perdas devido às correntes induzidas:

      Os campos magnéticos variáveis no tempo dão origem acampos elétricos;

     Estes campos elétricos resultam em correntes induzidas quecirculam no núcleo e opõem-se à variação da densidade defluxo no material;

     Para contrabalancear o efeito de desmagnetização, a corrente

    do enrolamento de excitação deve aumentar;  Assim, o laço B-H resultante da operação em CA é um pouco

    mais “cheio” (maiores perdas por histerese).

    Perdas em Circuitos Magnéticos em CA

    Circuitos Magnéticos53

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    54/79

     Para reduzir os efeitos das correntes parasitas:

     As estruturas magnéticas são construídas com chapas delgadas;

     Estas chapas são alinhadas na direção das linhas de campo, e

    estão isoladas entre si por uma camada de óxido em suassuperfícies, ou por esmalte ou verniz de isolação.

    Perdas em Circuitos Magnéticos em CA

    Circuitos Magnéticos54

    Quanto mais delgadas as

    chapas, menores são asperdas por correntes deFoucault.

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    55/79

     Perdas devido à histerese magnética:

     Uma excitação variável no tempo produz um laço cíclico dehisterese no material magnético;

     O ingresso de energia W no núcleo para um ciclo de histerese:

    Perdas em Circuitos Magnéticos em CA

    Circuitos Magnéticos55

       

      

        cccccc

    cc dB H l  AdB NA N 

    l  H d idt  pW     

    Esta energia é requerida para girar os

    dipolos do material e é dissipada comocalor.A potência das perdas por histerese éproporcional à frequência da excitação(há uma perda de energiaW por ciclo).

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    56/79

     Perdas no núcleo Pc para o aço elétrico de grão orientado do tipoM5 a 60Hz:

    Perdas em Circuitos Magnéticos em CA

    Circuitos Magnéticos56

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    57/79

     Aço de grão orientado:

     Apresentam direções altamente favoráveis de magnetização;  As perdas no núcleo são baixas e a permeabilidade é alta;

     Estrutura atômica cúbica (liga de silício e ferro);  A maioria das arestas dos cubos dos cristais é alinhada na

    direção de laminação (direção favorável de magnetização);  Em aços não orientados, os cristais estão orientados

    aleatoriamente (material de característica uniforme);  Os aços orientados podem operar com densidades de fluxo

    mais elevadas.

    Perdas em Circuitos Magnéticos em CA

    Circuitos Magnéticos57

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    58/79

     O núcleo magnético a seguir é feito de chapas de aço elétricode grão orientado M5. O enrolamento é excitado com umatensão de 60Hz produzindo no aço uma densidade de fluxode B = 1.5sen377t T. O aço ocupa 0.94 da área da seção reta.A densidade de massa do aço é 7.65g/cm3. Encontre (a) atensão aplicada, (b) a corrente de pico, (c) a corrente eficazde excitação e (d) as perdas no núcleo.

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos58

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    59/79

     Tensão aplicada:  B = 1.5sen377tT (aço elétrico de grão orientado M5);

     O aço ocupa 0.94 da área da seção reta (7.65g/cm3).

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos59

    V t e

    t  pol 

    m pol e

    dt 

    dB NA

    dt 

    d  N e c

    )377cos(274

    )377cos377(5.14.39

    0.194.04200

    22

    22

     

      

     

       

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    60/79

     Corrente de pico:  B = 1.5sen377tT (aço elétrico de grão orientado M5);

     O aço ocupa 0.94 da área da seção reta (7.65g/cm3).

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos60

     A N 

    l  H  I 

    m pol 

    m pol l 

    me A H T  B

    c

    c

    13.0200

    )71.0(36

    71.04.39

    0.1)8866(

    /.365.1Para

    max

    maxmax

     

      

     

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    61/79

     Corrente eficaz de excitação:  B = 1.5sen377tT (aço elétrico de grão orientado M5);

     O aço ocupa 0.94 da área da seção reta (7.65g/cm3).

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos61

     A E 

     P  I 

    VAkg kg VA P 

    kg cm

     g 

     pol 

    cm pol  M 

     pol  pol  pol V kg VA P T  B

    ef  

    aef  

    a

    c

    c

    a

    10.02/275

    2020)2.13)(/5.1(

    2.130.1

    65.7

    0.1

    54.2)5.105(

    5.105)28)(94.0)(4(/5.15.1Para

    ,

    3

    3

    3

    32

    max

     

      

      

      

     

     

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    62/79

     Perdas no núcleo:  B = 1.5sen377tT (aço elétrico de grão orientado M5);

     O aço ocupa 0.94 da área da seção reta (7.65g/cm3).

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos62

    W kg kg W  P 

    kg W  P T  B

    total 

    c

    c

    16)2.13)(/2.1(

    /2.15.1Para max

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    63/79

     Segundo quadrante de um laço de histerese:

    Imãs Permanentes

    Circuitos Magnéticos63

    Alnico 5 - material magnéticopermanente (imã)

    Aço do tipo M5

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    64/79

     A coercitividade Hc   corresponde à intensidade de campomagnético requerida para reduzir a densidade de fluxo do materiala zero;

     A magnetização remanescente pode produzir fluxo magnético em

    um circuito na ausência de uma excitação externa (ex.: imãs  – usados largamente em dispositivos como alto-falantes e motoresde imãs permanentes).

    Imãs Permanentes

    Circuitos Magnéticos64

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    65/79

     O circuito magnético é constituído por um núcleo de altapermeabilidade, um entreferro de comprimento g=0.2cm, e umaseção de material magnético de comprimento lm=1.0cm. A áreada seção reta do núcleo e do entreferro é igual a Am=Ag=4cm2.

    Determine a densidade de fluxo Bg quando o material magnético é(a) Alnico 5 e (b) Aço elétrico M5.

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos65

    Como a permeabilidade do núcleo é

    infinita, a intensidade Hc é desprezível;A fmm que atua no circuitomagnético é nula.

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    66/79

     Dados: g=0.2cm, lm=1.0cm, Am=Ag=4cm2. Determine Bg  se omaterial magnético é o Alnico 5.

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos66

    T  B B

     H  H  H 

     g 

     A

     A B

     B A

     A B A B A B

     H 

     g 

    l  H  g  H l  H   fmm

    m g 

    mmmm

    m

     g 

    m

    m

     g 

    m g  g  g mm

    mm

     g  g mm

    30.0

    1028.65

    0

    6

    00

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

      

     

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    67/79

     Dados: g=0.2cm, lm=1.0cm, Am=Ag=4cm2. Determine Bg  se omaterial magnético é o aço elétrico M5.

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos67

    T  B B

     H  H  H  g 

     A

     A B

    m g 

    mmmm

    m

     g 

    m

    5

    6

    00

    108.3

    1028.65

     

      

     

     

     

     

          

    Definições de coercitividade:

    FMM requerida para desmagnetizar o

    material;Medida da capacidade do materialpara produzir fluxo (materiais capazes deproduzir bons imãs são caracterizados

    por elevada coercitividade).

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    68/79

     Medida da capacidade de desempenho de um imã permanente;  Corresponde ao maior produto B-H (B-H)max;

      A operação do imã neste ponto resulta no menor volume dematerial necessário para se produzir um dado Bg.

    Produto Energético Máximo

    Circuitos Magnéticos68

    )(

    )()(

    ;

    0

    2

    002

    0

    mm

     g  ga p

    mag 

    mm

     ga p

    mag mm

     g 

    mm g 

     g  g 

    mm

     g m

     g 

    m g 

     B H 

     BV V 

     B H V V  B H 

     gA Al  B

     H  B

     H  g 

    l  H  B

     A

     A B

     

     

     

     

     

     

     

     

     

      

     

     

     

     

     

     

      

     

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    69/79

     Medida da capacidade de desempenho de um imã permanente;  Corresponde ao maior produto B-H (B-H)max;

      A operação do imã neste ponto resulta no menor volume dematerial necessário para se produzir um dado Bg.

    Produto Energético Máximo

    Circuitos Magnéticos69

    )(

    )()(

    ;

    0

    2

    002

    0

    mm

     g  ga p

    mag 

    mm

     ga p

    mag mm

     g 

    mm g 

     g  g 

    mm

     g m

     g 

    m g 

     B H 

     BV V 

     B H V V  B H 

     gA Al  B

     H  B

     H  g 

    l  H  B

     A

     A B

     

     

     

     

     

     

     

     

     

      

     

     

     

     

     

     

      

     

    Alnico 5

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    70/79

     Dado o circuito magnético, encontre o volume mínimo de imãnecessário para produzir uma densidade de fluxo de 0.8T noentreferro.

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos70

    32min

    37

    0

    22

    09.518.36.1

    18.3)1040)(104(

    8.02.0

    6.10.1

    8.02

    cmcmcmV 

    cmcml 

     H 

     B g 

     H 

     H  g l 

    cmcm B

     B A A

    mag 

    m

    m

     g 

    m

     g 

    m

    m

     g 

     g m

     

      

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

      

     

     

      

     

     

     

    No ponto de máximo produto energético: Bm = 1.0T e Hm = -40kA/m.

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    71/79

    Curvas de Desmagnetização para Imãs

    Circuitos Magnéticos71

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    72/79

      Quanto maior a coercitividade, menos propenso à desmagnetização é o imã.

    Características de Imãs Comuns

    Circuitos Magnéticos72

    Imãs permanentes do tipo:

    Alnico (ferro, níquel e cobalto –  1940): coercitividade relativamente baixa efragilidade mecânica;

    Cerâmica (ferrite –  óxido de ferro e carbonato de bário ou estrôncio -1950):menor densidade de fluxo residual, coercitividade relativamente elevada, boascaracterísticas mecânicas, fabricação de baixo custo;

    Samário-cobalto (imãs permanentes de terrasraras –  1970): alta densidade de fluxo residual,coercitividade e produto energético máximoelevados (nesta categoria tem-se também oneodímio-ferro-boro –  1983).

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    73/79

     Produto energético máximo para imãs permanentes comuns:

    Características de Imãs Comuns

    Circuitos Magnéticos73

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    74/79

    Características de Imãs Comuns

    Circuitos Magnéticos74

    A inclinação da reta de recuo é chamada  permeabilidade de recuo µR. No ponto de operação (d), a magnetização remanescente efetiva é o ponto (f).

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    75/79

    Características de Imãs Comuns

    Circuitos Magnéticos75

    Imãs como o Alnico, frequentemente não operam de maneira estável emsituações de FMM e geometria variáveis e, também, há risco de que umaoperação imprópria possa desmagnetizá-lo significativamente.

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    76/79

    Características de Imãs Comuns

    Circuitos Magnéticos76

    Em imãs de cerâmica, samário-cobalto ou neodímio-ferro-boro, as retas derecuo são muito similares às curvas características de desmagnetização(inclinação próxima de µ0).

    Nestes materiais, os efeitos de desmagnetização podem ser ignorados.

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    77/79

     Um enrolamento é usado para magnetizar o imã (depois da magnetiza-ção, o enrolamento é retirado). Supondo que o material do imã seja oAlnico 5 e que o sistema seja inicialmente magnetizado com Ag=2cm2:

      Determine lm   tal que o sistema opere na reta de recuo que

    intercepta o ponto de produto energético máximo.

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos77

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    78/79

     O sistema é inicialmente magnetizado com Ag=2cm2. O valor de lm talque o sistema opere na reta de recuo que intercepta o ponto de produtoenergético máximo será:

    Exemplo

    Circuitos Magnéticos78

    cml 

     H 

     B

     A

     A g l 

     B A A B A B A B H  g l  H  g  H l  H   fmm

    m

    a

    m

    a

    m

     g 

    mm

    m g m g  g  g mm

    mm g  g mm

    98.3104104

    0.1222.0

    //0

    47

    )(

    0

    )(

      

      

      

      

     

      

     

     

     

     

     

     

     

     

  • 8/21/2019 1.0.Circuitos Magneticos

    79/79

      Calcule a densidade de fluxo Bg quando o êmbolo move-se para frente epara trás, e o entreferro varia entre os seus limites.

    Exemplo

          )4se(54.008.14/2/

    )2se(0.112/2/

    08.1142

    08.1216002.0

    98.3

    2

    4

    /;/

    2

    2

    2

    0

    )(

    0

    )(

    cm AT  B A A B

    cm AT  B A A B

    T  Bcm A

    T  H  g 

     A

     A B

     B A A B H  g l  H 

     g m g m g 

     g m g m g 

    m g 

    b

    mm

    m

     g b

    m

    m g m g mm g 

     

      

      

      

     

     

      

      

      

     

      

    Considera-se que a inclinação da retade recuo seja igual à inclinação da curva

    B-H no ponto H=0 e B=Br.


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