UNIVERSIDADE FEEVALE

Universidade FeevaleMestrado em Tecnologia de Materiais e Processos IndustriaisRAFAEL FRANCISCO NIADACARACTERIZAÇÃO DE LIGAS COMPÓSITOS MAGNÉTICAS A PARTIR DAMETALURGIA DO PÓ PARA APLICAÇÃO EM NÚCLEO DE MÁQUINAS ROTATIVASNovo Hamburgo2011

Universidade FeevaleMestrado em Tecnologia de Materiais e Processos IndustriaisRAFAEL FRANCISCO NIADACARACTERIZAÇÃO DE LIGAS COMPÓSITOS MAGNÉTICAS A PARTIR DAMETALURGIA DO PÓ PARA APLICAÇÃO EM NÚCLEO DE MÁQUINAS ROTATIVASDissertação apresentada ao Mestradoem Tecnologia deMateriais e Processos Industriais comorequisito para obtenção do título demestre em Tecnologia de Materiais eProcessos IndustriaisOrientador: Prof. DR. Eng. Moisés de Matos DiasNovo Hamburgo2011

Universidade FeevaleMestrado em Tecnologia de Materiais e Processos IndustriaisRAFAEL FRANCISCO NIADACARACTERIZAÇÃO DE LIGAS COMPÓSITOS MAGNÉTICAS A PARTIR DAMETALURGIA DO PÓ PARA APLICAÇÃO EM NÚCLEO DE MÁQUINAS ROTATIVASDissertação de mestrado foi aprovada pela banca examinadora em 31 de 08 de2011, conferindo o título ao autor de mestre em Tecnologia de Materiais e ProcessosIndustriais.Componentes da Banca Examinadora:Prof. Dr. Eng. Moisés de Mattos Dias (Orientador)Universidade FeevaleProf. Dr. Eng. Lírio SchafferUniversidade Federal do Rio Grande do SulProf. Dr. Eng. José Lesina CésarUniversidade Luterana do BrasilProf. Dr. Eng. Renato Mazzini CallegaroInstituto Federal Sul-Rio-Grandense

“Eu que não me sento no trono de um apartamento com aboca escancarada cheia de dentes esperando a morte chegar”.Raul Seixas5

AGRADECIMENTOSA minha esposa Simone Scherer, meus filhos Lucas Scherer Niada e ViníciusScherer Niada, que tiveram a paciência e compreensão durante o período de mestrado.Ao Prof. Dr. Eng. Moisés de Mattos Dias pela orientação e pelo apoio durantetodo o desenvolvimento desta dissertação.Aos meus pais Lourival Niada (em Memória) e Benta Silva NiadaA todos os professores que participaram em minha formação.A todos que colaboraram de alguma forma para o desenvolvimento destetrabalho, meus sinceros agradecimentos.6

RESUMOEste trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de ligas compósitomagnéticas, obtidas a partir de pó de ferro impregnados com percentuais de resinatermofixa de HRJ - 10236, compactados em matrizes, e após efetuada a cura doscorpos de prova em forno com temperaturas controladas. Uma das aplicações deinteresse destes materiais é a construção de núcleos magneticamente ativos deMáquinas Elétricas Rotativas (Motores e ou Geradores Elétricos). Este materialcompósito resinado pode ser confeccionado em blocos únicos, e apresenta algumasdas características dos núcleos de chapas. O comportamento mecânico obedeceu àspropriedades da resina termofixa de HRJ-10236, pois ela envolve as partículas de póde Fe. Para caracterização do material foram traçadas curvas de histerese as quaisapresentaram propriedades magnéticas inferiores ao de ferro puro sinterizado e anúcleos de chapas, no entanto observou-se menores perdas por correntes parasitas,isso se deve ao aumento da resistividade pelo envolvimento das partículas de pó deferro pela resina termofixa. Nas simulações comparativas entre o núcleo de chapas e ocompósito de Fe e HRJ-10236, com a utilização do software FEMM 4.2 (Finite ElementMethod Magnetics), houve uma diminuição gradual no torque e no fluxo entre ferros,sendo que à medida que se aumentou os percentuais de resina ocorreu um maiordecréscimo nestas propriedades. Nos ensaios de rendimentos de transformadoresobservou-se que em baixas freqüências o compósito apresentou perdas significativasjá em freqüências maiores comportou-se de forma similar aos núcleos de chapas,demonstrando desta forma que pode ser uma alternativa viável para construção demáquinas elétricas.Palavras chaves: Metalurgia do Pó, Propriedades Magnéticas, CompósitosMagnéticos.i 7

ABSTRACTThis work aims at the development of composite magnetic alloys, obtained fromiron powder impregnated with thermosetting resin percentage of HRJ - 10236,compressed into matrices, and performed after healing of the specimens in an ovenwith controlled temperatures. One of the applications of these materials of interest is theconstruction of magnetically active nuclei of Rotating Electrical Machines (Motors and orGenerators). This composite resin can be made of single blocks, and presents somecharacteristics of the core plate. The mechanical behavior conformed to the propertiesof thermoset resin HRJ-10236, because it involves the dust particles of Fe. Tocharacterize the material hysteresis curves were plotted which showed lower magneticproperties of the sintered pure iron plates and cores, however there was a smaller eddycurrent losses, this is due to the increase in resistivity by the involvement of the dustparticles of iron by the thermoset resin. In comparative simulations between the coresheet and the composite of Fe and HRJ-10236, using the 2.4 softwere FEMM (FiniteElement Method Magnetics), there was a gradual decrease in torque and flux betweenthe irons, and as it increased the percentage of resin was a greater decrease in theseproperties. In tests of earnings transformer was observed that at low frequencies, thecomposite showed significant losses in higher frequencies have behaved similarly to thecore sheet, thus demonstrating what can be a viable alternative to construction ofelectric machines.Keywords: Powder Metallurgy, Magnetic Properties, Magnetic Composites.ii8

LISTA DE FIGURASFigura 1- Etapas da Metalurgia do Pó............................................................................24Figura 2 - Forma Geométrica das Partículas de Pó.......................................................27Figura 3 - Curva de Histerese........................................................................................34Figura 4 - SMC - Partículas de Pó Ferromagnético Microencapsuladas com umaPelícula Isolante Elétrica................................................................................................38Figura 5 – Comparação de Indução entre Laminado e SMC........................................ 40Figura 6 - Motor Elétrico.................................................................................................42Figura 7 - Metodologia FEMM........................................................................................48Figura 8 – Desenho das Ranhuras do Estator – (a) Esquema das Correntes – (b)Desenho Inserido no Programa de Simulação – (c) Linhas de Fluxo de Entreferro parauma Simulação...............................................................................................................49Figura 9 - Misturador Duplo Cone no LdTM na UFRGS.................................................51Figura 10 - Cavidade da Matriz......................................................................................52Figura 11 - Prensa Hidráulica Bovenau 30T..................................................................52Figura 12 - Matriz para os Cilindros................................................................................53Figura 13 - Cilindros ......................................................................................................53Figura 14 - Matriz para o Anel de Rowland....................................................................53Figura 15 - Anel de Rowland..........................................................................................54Figura 16 - Matriz da Barra............................................................................................54Figura 17 - Barra.............................................................................................................54Figura 18 - Matriz para o Núcleo Tipo T.........................................................................55Figura 19 - Núcleo Tipo T...............................................................................................55Figura 20 - Matriz para o Núcleo Tipo E.........................................................................55Figura 21 - Núcleo Tipo E...............................................................................................56Figura 22 – Temperatura de Cura do Compactado Verde.............................................56iii 9

Figura 23 - Corpos de Prova Cilíndrico “a”, Corpos de Prova para Núcleo deTransformadores “b”, Corpos de Prova em Forma de Barra..........................................57Figura 24 - Durometro Pantec RBN...............................................................................58Figura 25 - Barra.............................................................................................................58Figura 26 - Multímetro APPA 305...................................................................................59Figura 27 - Desenho Esquemático da Medida de Resistência.......................................59Figura 28 - Traçador de Curva de Histerese Modelo TLMP-TCH-14.............................60Figura 29 - Anel de Rowland (Toroidal).........................................................................60Figura 30- Transformador 12V, 110/220V......................................................................61Figura 31 – Dispersão da Dureza Rockwell H das amostras de Fe com 1% ,3% ,5%,8% e 10% de HRJ-10236..............................................................................................63Figura 32 – Micrografias (a) Fe HRJ 1% Ampliada 100X; (b) FeHRJ 1%Ampliada200X...............................................................................................................................64Figura 33 – Micrografias (a) Fe HRJ 3% Ampliada 100X; (b) FeHRJ 3%Ampliada200X...............................................................................................................................64Figura 34 – Micrografias (a) Fe HRJ 5% Ampliada 100X; (b) FeHRJ 5%Ampliada200X...............................................................................................................................64Figura 35 – Micrografias (a) Fe HRJ 8% Ampliada 100X; (b) FeHRJ 8%Ampliada200X...............................................................................................................................65Figura 36 – Micrografias (a) Fe HRJ 10% Ampliada 100X; (b) FeHRJ 10%Ampliada200X...............................................................................................................................65Figura 37 - Barras Deformadas de Fe – HRJ 8% e Fe - HRJ10%.................................66Figura 38 – (a) Fe HRJ 1% Curva de Histerese ; (b) Fe HRJ 1% Curva deMagnetização.................................................................................................................67Figura 39 – (a) Fe HRJ 3% Curva de Histerese ; (b) Fe HRJ 3% Curva deMagnetização.................................................................................................................68Figura 40 – (a) Fe HRJ 5% Curva de Histerese ; (b) Fe HRJ 5% Curva deMagnetização.................................................................................................................68Figura 41 – (a) Fe HRJ 8% Curva de Histerese ; (b) Fe HRJ 8% Curva deMagnetização.................................................................................................................68iv 10

Figura 42 – (a) Fe HRJ 10% Curva de Histerese ; (b) Fe HRJ 10% Curva deMagnetização.................................................................................................................69Figura 43 - Remanência Br (T)......................................................................................70Figura 44 - Campo Coercivo Hc (A/m)...........................................................................70Figura 45 - Permeabilidade Relativa, µr.........................................................................71Figura 46 - Comparativo da Permeabilidade Relativa e Resistividade do compósito com1%, 3%, 5% de HRJ-10236 e Fe (puro).........................................................................72Figura 47– Simulações das Interações Eletromagnéticas (a) Torque; (b) Densidade deFluxo Máximo.................................................................................................................73Figura 48 – Perdas Magnéticas em Transformadores com Núcleo de Chapas e Fe com1%, 3% e 5% de HRJ-10236.........................................................................................7911 v

LISTA DE TABELASTabela 1 - Especificações Técnicas da Resina HRJ-10236...........................................47Tabela 2 - Força de Compactação dos Corpos de Prova..............................................52Tabela 3 - Dureza dos Corpos de Prova de Fe HRJ – 10236........................................62Tabela 4 - Resistividade Elétrica das Amostras.............................................................66Tabela 5 - Características Magnéticas do Compósito Fe HRJ e Fe (puro)Sinterizado......................................................................................................................69Tabela 6 - Simulações das Interações Eletromagnéticas...............................................73Tabela 7 - Perdas Magnéticas no Transformador com Núcleo de Chapas....................75Tabela 8 - Perdas Magnéticas no Transformador com Núcleo de Fe com 1% de HRJ-10236..............................................................................................................................76Tabela 9 - Perdas Magnéticas no Transformador com Núcleo de Fe com 3% de HRJ-10236.............................................................................................................................77Tabela 10 - Magnéticas no Transformador com Núcleo de Fe com 5% de HRJ-10236..............................................................................................................................78vi 12

x Espessura da peça (m)µr Permeabilidade Relativaµ 0 Permeabilidade do Vácuo (Tm/A)µ Permeabilidade Absoluta (Tm/A) m Densidade do Material (kg/m 3 )ρ Resistividade (µ Ω.m)α Ângulo de Defasagem (rad)14 viii

LISTA DE ABREVIATURASMPSMCCACCLdTMHRJ-10236TCHMsHcBrNpHRHFEMM 4.2Metalurgia do PóSoft Magnetic Composites (Compósitos Magnéticos Macios)Corrente AlternadaCorrente ContínuaLaboratório de Transformação Mecânica - UFRGSNome Comercial de Resina FenólicaTraçador de Curva de HistereseSaturação MagnéticaCampo CoercivoRemanênciaNúmero de Espiras no Enrolamento PrimárioDureza Rockwell HFinite Element Method Magnetics15 ix

SUMÁRIORESUMO...........................................................................................................................iABSTRACT………………………………………................................................................iiLISTA DE FIGURAS........................................................................................................iiiLISTA DE TABELA.........................................................................................................viLISTA DE SÍMBOLOS....................................................................................................viiLISTA DE ABREVIATURAS...........................................................................................ixSUMÁRIO.........................................................................................................................x1.INTRODUÇÃO.............................................................................................................202. Fundamentação Teórica.............................................................................................222.1. METALURGIA DO PÓ.............................................................................................222.1.1 Introdução............................................................................................................222.1.2. Vantagens e Desvantagens...............................................................................232.1.3. Etapas da Metalurgia do Pó...............................................................................242.1.4. Processos de produção do pó .........................................................................252.1.4.1. Introdução.........................................................................................................252.1.4.2. Métodos Mecânicos (quebra e moagem) .........................................................252.1.4.3. Decomposição Térmica....................................................................................252.1.4.4. Atomização........................................................................................................262.1.4.5. Processo de Redução Química.........................................................................262.1.4.6. Processo de Eletrólise.......................................................................................262.1.5. Características dos pós ....................................................................................272.1.5.1 Introdução...........................................................................................................272.1.5.2 Forma Geométrica das Partículas......................................................................2716 x

2.1.5.3. Tamanho das Partículas de Pó.........................................................................282.1.6. Mistura dos Pós..................................................................................................282.1.7. Compactação dos Pós.......................................................................................282.1.8. Sinterização do Compactado Verde.................................................................292.1.9. Cura e Reticulação da Resina Termofixa.........................................................302.2. ELETROMAGNETISMO.........................................................................................302.2.1 Introdução............................................................................................................302.2.2. Propriedades Magnéticas dos Sólidos ..........................................................312.2.2.1. Comportamento Magnético dos Materiais........................................................312.2.2.2. Conceitos e Propriedades Importantes.............................................................332.2.3. Curvas de Magnetização e Histerese ..............................................................342.3. MATERIAIS MAGNÉTICOS MOLES......................................................................352.3.1. Introdução...........................................................................................................352.3.2. Processo de Fabricação de SMC......................................................................352.3.3. Perdas Magnéticas em SMC .............................................................................362.3.4. Compósitos Magnéticos Moles........................................................................372.3.5. Características e Propriedades do SMC..........................................................392.3.6. Permeabilidade Magnética do SMC..................................................................392.3.7. Indução Magnética do SMC...............................................................................392.4. MÁQUINAS ELÉTRICAS........................................................................................402.4.1. Introdução...........................................................................................................402.4.2. Fatores que Determinam o Desempenho de Máquinas Elétricas..................432.4.3. Aplicações de Materiais SMC em Motores Elétricos......................................452.4.3.1. Motor sem Escovas de Corrente Contínua.......................................................452.4.3.2. Motor de Corrente Contínua com Escovas.......................................................45xi 17

2.4.3.3. Motores de Fluxo Transversal...........................................................................462.4.3.3. Motor Linear.......................................................................................................462.4.3.3. Servo-motor sem Escovas e de Corrente Contínua..........................................472.5. RESINA FENÓLICA HRJ-10236.............................................................................472.6. SOFTWARE DE SIMULAÇÃO FEMM....................................................................482.6.1. Fluxo de Entreferro e Torque............................................................................482.7. ENSAIO DE RENDIMENTO EM TRANSFORMADORES......................................493. METODOLOGIA........................................................................................................503.1. OBTENÇÃO DOS CORPOS DE PROVA...............................................................503.1.1. Introdução...........................................................................................................503.1.2. Mistura dos Pós..................................................................................................513.1.3. Compactação dos Corpos de Prova.................................................................513.1.4. Cura da Resina de HRJ-10236 dos Compactados Verdes..............................563.2. PROPRIEDADES FÍSICAS E MICROESTRUTURA DO MATERIAL.....................573.2.1. Introdução...........................................................................................................573.2.2. Ensaio de Dureza................................................................................................573.2.3. Micrografia..........................................................................................................583.2.4. Resistividade Elétrica........................................................................................583.2.5. Características Magnéticas...............................................................................593.2.6. Simulações Comparativas.................................................................................603.2.7. Ensaio de Rendimento em Transformadores..................................................614. DISCUSSÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS.......................................................624.1. PROPRIEDADES FÍSICAS E MICROESTRUTURA DO MATERIAL.....................624.1.1 Ensaio de Dureza.................................................................................................624.1.2. Micrografia..........................................................................................................6318 xii

4.1.3. Resistividade Elétrica........................................................................................664.1.4. Características Magnéticas...............................................................................674.1.5. Simulações Comparativas.................................................................................724.1.6. Ensaio de Rendimento em Transformadores..................................................745. CONCLUSÕES..........................................................................................................806. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS........................................................81REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..............................................................................8219 xiii

1. INTRODUÇÃOEm um mundo onde os recursos naturais estão cada vês mais escassos, háuma busca constante para o desenvolvimento de novos materiais e processos os quaisapresentem maior rendimento e eficiência. O desenvolvimento de um compósito deFerro com resina termofixa com técnicas de Metalurgia do Pó, para substituição dosatuais feixes de chapas utilizadas em motores elétricos, vem a encontro disto, pois épossível a produção de componentes magnéticos em um bloco único.Este estudo busca a caracterização de compósitos ferromagnéticos, utilizandosede técnicas de Metalurgia do pó onde foram feitas misturas de Pó de Ferro puro comdiferentes percentuais resinas termofixa de HRJ com o objetivo de analisar suaspropriedades.Os materiais foram misturados em um misturador duplo cone, compactadoscom a utilização de prensa hidráulica em matrizes distintas e depois curados em fornocom temperaturas controladas. Os corpos de prova obtidos foram comparados com aspropriedades magnéticas do Ferro puro sinterizado que possuem propriedadesconhecidas.Os compósitos estudados foram (pós):Ferro Puro 1% Resina Termofixa HRJFerro Puro 3% Resina Termofixa HRJFerro Puro 5% Resina Termofixa HRJFerro Puro 8% Resina Termofixa HRJFerro Puro 10% Resina Termofixa HRJPara aplicação em Núcleos Magnéticos de Motores Elétricos as propriedadesfísicas de interesse estudadas foram:Resistividade Elétrica;20

Propriedades Magnéticas: (Permeabilidade Magnética, Retentividade eCoercitividade) – obtidas a partir da Curva de Histerese; Propriedades Mecânicas: Dureza e Metalografia; Perdas Magnéticas totais – obtidas a partir de ensaios a vazio em corpode prova na forma de transformadores.Importante salientar que este projeto, se integrou a dois projetos de pesquisasna área de Geradores Eólicos, projetos estes conveniados com UFRGS, ULBRA, UCSe IFSUL.Finalmente os materiais foram simulados, para análise de desempenho comotorque e fluxo de entreferro. A simulação consiste no uso de software de elementosfinitos, FEMM, onde é gerado um projeto de uma máquina elétrica, atribuiu-se valorespara correntes e obtém-se o desempenho geral da máquina. Assim, simula-se tambéma mesma topologia de uma máquina convencional (com núcleos de chapas) e realizamseanálises comparativas de desempenho.21

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA2.1. METALURGIA DO PÓ2.1.1. IntroduçãoA metalurgia do pó é a técnica metalúrgica que consiste em transformar pós demetais, metalóides ou ligas metálicas e, às vezes, também substâncias não-metálicas,em peças resistentes, sem recorrer-se à fusão, mas apenas pelo emprego de pressãoe calor. O processo consiste em compactar e/ou modelar a mistura e aquecê-la (etapachamada de sinterização), com o objetivo de melhorar a coesão da estrutura interna. Acaracterística específica do processo é que a temperatura permanece abaixo datemperatura de fusão do elemento constituinte principal (CHIAVERINI, 1986).A metalurgia do pó é um processo em que a economia de material é levada aoextremo, com mínimas perdas de matéria-prima (as perdas na usinagem convencional,por exemplo, podem chegar a 50%). Certas ligas podem ser obtidas pela metalurgia dopó a custos várias vezes inferiores do que se fossem produzidas pela metalurgiaconvencional. A possibilidade de conjugar peças simples e partes sinterizadas tambémrepresenta um importante fator de economia de custos, com preservação de qualidadedo produto final. O controle exato da composição química desejada do produto final, aredução ou eliminação das operações de usinagem, o bom acabamento de superfície,a pureza dos produtos obtidos e a facilidade de automação do processo produtivo sãoalguns dos motivos que tornam a metalurgia do pó uma fonte produtora de peças parapraticamente todos os ramos da indústria, como o automobilístico, de informática,aeroespacial, de material eletroeletrônico, de equipamentos e implementos agrícolas,têxtil e tantos outros. Entretanto, algumas limitações ainda não superadas tornam ametalurgia do pó uma solução inviável em algumas situações. Em outras situações, ametalurgia do pó não é o último processo. Por exemplo, a peça tem de ser extraída deuma matriz, o que dificulta a produção de peças com certas características geométricas(furos, rasgos etc.), que devem ser obtidas por usinagem posterior (CHIAVERINI,1986).22

2.1.2. Vantagens e Desvantagens Perda mínima de matéria-prima; Controle rigoroso da composição química; Boa tolerância dimensional, dispensando operações posteriores deusinagem; Homogeneidade estrutural e de propriedades; Bom acabamento superficial; Uso mais eficiente de energia; Processo de fácil automação. Alto custo inicial do ferramental, sendo necessárias grandes produçõespara compensar o investimento; Tamanho e formato limitado das peças;Impede processo posterior de soldagem, devido ao comprometimento daspropriedades físicas e químicas devido à porosidade da peça (CHIAVERINI, 1986).23

2.1.3. Etapas da Metalurgia do PóA Metalurgia do Pó apresenta o fluxograma representado pela figura 1.Figura1- Etapas da Metalurgia do Pó1. O pó é confeccionado por processos específicos.2. Os pós com lubrificantes e aditivos são misturados para dar homogeneidadeà peça.3. A mistura é colocada na matriz, prensada e depois extraída.4. A peça é então sinterizada em fornos especiais.5. Dependendo do caso, a peça passa por um processo complementar comocalibragem, usinagem, forjamento, entre outros (CHIAVERINI, 1986).24

2.1.4. Processos de produção do pó2.1.4.1. IntroduçãoExistem vários processos para obtenção de pó metálico, sendo que suaescolha depende do conjunto de propriedades do material e das características que sequer para o pó, em função da aplicação pretendida. De acordo com Chiaverini, osprincipais são:2.1.4.2. Métodos Mecânicos (Quebra e Moagem)Empregado na produção de metais e ligas friáveis, tais como Cu-AI, Al-Mg, Ni-Fe e outros. Na realidade, a técnica de moagem se presta principalmente para reduzirdeterminados pós a partículas de menores dimensões, como é o caso de carbonetosduros sinterizados. O equipamento utilizado consta principalmente de moinhos de bola(CHIAVERINI, 1986).2.1.4.3. Decomposição TérmicaA aplicação mais importante é o método carbonila, empregado, sobretudo naobtenção de pós de ferro e níquel. Os carbonilas desses metais apresentam fórmulasrespectivamente de Fe (CO) 5 e Ni(CO) 4 , os quais são preparados a partir dos metais naforma esponjosa, sobre os quais se faz passar uma corrente de CO a temperaturas epressões determinadas. Tais carbonilas são, em seguida, decompostos quando apressão é reduzida e a temperatura elevada. As partículas que se originam apresentamuma forma quase esférica de diâmetros entre 0,01 e 10 mícrons. Apresentam altapureza e excelente compressibilidade, além de ótimas propriedades de sinterização.São aplicados em empregos especiais (CHIAVERINI, 1986).25

2.1.4.4. AtomizaçãoÉ este um dos processos mais importantes, porque por seu intermédio sãoproduzidos os pós mais utilizados na metalurgia do pó, tais como ferro, aço, estanho,chumbo, cobre, bronze, latão e outros. Em princípio, o processo consiste em forçar ometal ou a liga, no estado líquido, a passar através de um pequeno orifício edesintegrar a corrente liquida formada, mediante um jato de ar comprimido, vapor ougás inerte, o que promove a solidificação do metal em partículas finamente divididas,as quais são colhidas em coletores especiais por meio de um sistema de sucção(CHIAVERINI, 1986).2.1.4.5. Processo de Redução QuímicaConstitui este igualmente um dos processos mais empregados para afabricação de pós metálicos, principalmente tungstênio, molibdênio, ferro, cobre, níquele cobalto. A redução é feita a partir de óxidos, os quais são moídos até certa finura sobcondições controladas de temperatura e pressão. A principal vantagem do processo ésua flexibilidade, pois se variando o tamanho de partículas dos óxidos, a temperaturade redução, o tipo de agente redutor, é possível controlar dentro de largos limites otamanho da partícula metálica resultante, a sua densidade aparente e outrascaracterísticas (CHIAVERINI, 1986).2.1.4.6. Processo de EletróliseProcesso igualmente muito empregado. Metais como cobre, ferro, níquel,estanho, prata e chumbo podem ser produzidos na forma pulverulenta por precipitaçãoeletrolítica de soluções. O método permite também rigoroso controle das característicasdos pós, pela regulagem da intensidade de corrente, temperatura do banho,26

concentração e composição do eletrólito, tamanho e disposição dos eletrodos(CHIAVERINI, 1986).2.1.5. Características dos pós2.1.5.1. IntroduçãoEntre as características mais importantes dos pós metálicos estão à forma e otamanho das partículas individuais. Para o projeto de uma peça sinterizada, adistribuição granulométrica das partículas é outra informação importante. Os váriosmétodos de obtenção de pó metálicos conduzem a diversas formas, tamanhos,distribuição e outras características dos pós, sendo imprescindível o domínio doprocesso de obtenção e caracterização dos pós para se chegar a uma peça final queatenda os quesitos de engenharia (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).2.1.5.2. Forma Geométrica das PartículasAs formas mais comuns são esférica, granular, angular, irregular, acicular,dendrítica, porosa, fibrosa e nodular, representadas na figura 2.2009).Figura 2 – Forma Geométrica das Partículas de Pó (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al.27

2.1.5.3. Tamanho das Partículas de PóO diâmetro médio das partículas influência algumas características do produtofinal. Por exemplo, uma partícula maior permite maior compactação, enquanto umamenor permite uma superfície com menor rugosidade (CHIAVERINI, 1986).2.1.6. Mistura dos PósA partir da matéria prima em pós é a primeira etapa da metalurgia do pó, tendocomo objetivo a mistura de pós de origem diferentes assegurando a uniformidade daspeças e produzir lotes com características específicas de distribuição e tamanho departículas. Os equipamentos empregados consistem em moinhos de bola, misturadoresde pás ou duplo cone, homogenizadores etc, (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al.2009).2.1.7. Compactação dos PósNesta etapa, uma quantidade predeterminada de pó é colocada na cavidade deuma matriz montada em uma prensa de compressão, que pode ser mecânica ouhidráulica. A compactação ocorre por deslocamentos simultâneos dos punçõessuperiores e inferiores, à temperatura ambiente (CHIAVERINI, 1986).Nos primeiros movimentos do punção, a compactação causa apenas oadensamento do pó, sem deformação das partículas e sem produzir adesão entre elas.Com o aumento da pressão, ocorre deformação plástica das partículas, formando umaespécie de “solda fria” (CHIAVERINI, 1986).A compactação gera uma peça com formato final ou aproximado à peça a serfabricada, chamada de compactado verde. Em linhas gerais as pressões decompactação aconselhadas para peças de ferro e aço são:De baixa densidade: 30 a 50 KN/cm²;28

De média densidade: 50 a 60 KN/cm²; De alta densidade 50 a 100 KN/cm² (CHIAVERINI, 1986).2.1.8. Sinterização do Compactado VerdeO compactado verde, dentro ou fora da matriz, é aquecido a temperaturasaltas, mas que permanecem abaixo da temperatura de fusão do metal base. Além datemperatura, são controlados a velocidade de aquecimento e resfriamento, o tempo depermanência e a atmosfera em contato com a peça (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO,et al. 2009).O tempo de aquecimento melhora o mecanismo de coesão do compactadopara uma determinada temperatura. Em contrapartida, temperaturas próximas às defusão do metal, geram obtenção da força coesiva máxima em um curto espaço detempo, geralmente segundos (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).São quatro as funções do controle da atmosfera: previne ou minimiza reaçõesquímicas entre o compactado verde e os gases da atmosfera; evita oxidação; removeimpurezas superficiais e internas existentes; e eventualmente, fornece um ou maiselementos químicos para se ligarem com o compactado verde (CREMONEZI, KLEIN,LOBERTO, et al. 2009).A sinterização é feita, normalmente, em fornos contínuos, caracterizados portrês zonas de operação: pré-aquecimento, manutenção da temperatura e resfriamento.Durante a sinterização ocorrem reações químicas e físicas entre as partículas,reduzindo e em alguns casos até eliminando a porosidade existente no compactadoverde. A contração do compactado verde, em comparação com a peça final, chega aser de 40% do volume, sendo uma redução linear de cerca de 16% (PENTEADO,GASPAR, POLITO, et al. 2000).Os fenômenos que ocorrem na sinterização são os seguintes: ligação inicialentre partículas; crescimento da ligação; fechamento dos canais que interligam os29

poros; arredondamento dos poros; densificação ou contração dos poros; crescimentoeventual dos poros (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).2.1.9. Cura e Reticulação da Resina TermofixaA cura de polímeros termofixos é um processo de polimerização, sendo assim,durante a cura ocorre um aumento da massa molar média do polímero. A reação decura é normalmente exotérmica, porém, quase sempre requer um fornecimento deenergia para sua inicialização. Uma característica comum a todos os sistemastermofixos é o alto valor do calor de reação. As propriedades das resinas termofixasdependem diretamente das condições de cura utilizadas (WILLIAMS, 1985).2.2. ELETROMAGNETISMO2.2.1. IntroduçãoO Eletromagnetismo é a física dos campos eletromagnéticos, ou seja, â físicados campos magnéticos e dos campos elétricos. Resumidamente, um campomagnético produz corrente elétrica, e da mesma forma corrente elétrica, produz campomagnético. Esse princípio físico chamado indução eletromagnética é o responsávelpela existência de geradores elétricos, motores, transformadores. Os camposmagnéticos são produzidos pelo movimento de cargas elétricas, que por sua vezproduz o que conhecemos por força magnética, normalmente associada aos imãs queencontramos em nosso dia-a-dia. Magnetismo é um dos fenômenos responsáveis pelaatração ou repulsão dos materiais (ROMANO, 1976).30

2.2.2. Propriedades Magnéticas dos SólidosA importância histórica e comercial do ferro como um material magnético deuorigem ao termo Ferromagnetismo, para englobar as intensas propriedades magnéticaspossuídas pelo grupo do ferro na tabela periódica. O Ferromagnetismo é resultado daestrutura eletrônica dos átomos (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).2.2.2.1. Comportamento Magnético dos MateriaisO comportamento magnético dos materiais pode variar drasticamente deacordo com sua estrutura e o seu arranjo eletrônico. Eles podem ser classificadospelas suas respostas em presença de campo magnético externo como Diamagnéticos,Paramagnéticos e Ferromagnéticos (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).Em uma estrutura cristalina, assim como em um átomo isolado, no máximodois elétrons podem ocupar cada um dos níveis de energia de um átomo. Esses doiselétrons possuem spins opostos e, como cada elétron, quando girando em torno de simesmo, é equivalente a uma carga se movendo, cada elétron atua como um magnetoextremamente pequeno, com os correspondentes pólos norte e sul (CREMONEZI,KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).Os elementos químicos que possuem o mesmo número de elétrons com spins"para cima" e "para baixo", quase não reagem a um campo magnético externo e sãochamados Diamagnéticos (GUSSOW, 1986).Elementos que possuem número desemparelhado de elétrons exibem ummomento magnético atômico, isto é, comportam-se como se cada átomo fosse um imã.A maior parte dos elementos químicos é assim, mas esses "imãs atômicos" poucointeragem entre si, resultando no fraco magnetismo dos materiais Paramagnéticos(CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).31

Em apenas três dos cem elementos químicos da tabela periódica, ferro, cobaltoe níquel, ocorre um fenômeno incomum, em que os momentos magnéticos atômicosespontaneamente alinham-se paralelamente, gerando regiões magnetizadas no interiordo material chamada de Domínios Magnéticos (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al.2009).Um material magnético desmagnetizado possui domínios magnéticosorientados em várias direções, fazendo com que a resultante magnética se anule. Amagnetização do material ocorre quando, sob a ação de um campo externo, asdireções de magnetização dos domínios tendem a alinhar-se (CREMONEZI, KLEIN,LOBERTO, et al. 2009).Em certos materiais esse alinhamento magnético pode ser permanentementeretido, e eles são chamados materiais magnéticos duros. Os materiais em que oalinhamento magnético espontaneamente se desfaz são chamados materiaismagnéticos moles. E em inglês são conhecidos como "hard magnetic material" e "softmagnetic material" (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).O termo duro é utilizado porque os materiais mecanicamente duros tendem aser magneticamente duros, porque suas tensões residuais evitam a redistribuiçãoaleatória dos domínios magnéticos. O alinhamento dos momentos magnéticosatômicos dentro dos domínios normalmente é perdido caso o material seja aquecidoacima de certa temperatura, chamada de temperatura de Curie (Tc), sendo que estefenômeno é reversível através do resfriamento do material (CREMONEZI, KLEIN,LOBERTO, et al. 2009).32

2.2.2.2. Conceitos e Propriedades Importantes• Material Ferromagnético: Material que se magnetiza sob a ação de umcampo magnético externo.• Campo Magnético H (A/m): É o campo magnético criado por meio dapassagem de corrente elétrica numa bobina, medido em A/m (ou Oersted, no sistemaCGS).• Momento Magnético Atômico (Am 2 ): É uma propriedade de cada átomo domaterial, relativa ao movimento de rotação dos seus elétrons.• Magnetização M (A/m): Campo magnético existente dentro do material,proporcional ao grau de alinhamento dos momentos magnéticos atômicos em relaçãoao campo externo aplicado.• Indução Magnética B (T): É a soma do campo magnético externo com amagnetização do material, medida em Tesla (ou Gauss, no CGS). B=(H+M)µ 0• Permeabilidade Relativa (µr): Grandeza adimensional que representa o fatorde amplificação da magnetização em função do campo magnético aplicado µr =(B/µ 0 H).• Permeabilidade do Vácuo (µ 0 ): Constante que correlaciona a induçãomagnética em Testa com o campo magnético em A/m: B=( µ 0 H), onde µ 0 =4π.10 -7 Tm/A• Permeabilidade Absoluta (µ): É o grau de magnetização de um material emresposta a um campo magnético e é representada por: µ =(µr x µ 0 )• Curva de Magnetização: Representação gráfica da relação entre o campomagnético aplicado e a magnetização induzida (HxM) ou com a indução magnética(HxB)• Saturação Ms: É o valor máximo alcançado pela magnetização M, quandotodos os momentos magnéticos atômicos alinham-se com o campo externo aplicado.• Campo coercivo Hc: Campo magnético necessário para reduzir a induçãomagnética até zero, ou seja, para desmagnetizar o material.• Remanência Br: Indução magnética que permanece em um circuitomagnético fechado após a remoção do campo magnético externo aplicado(CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).33

2.2.3. Curvas de Magnetização e HistereseA resposta magnética de um material é caracterizada pela relação entrecomportamento do campo magnético induzido causado por um campo magnéticoaplicado, normalmente gerado por uma bobina (VLACK, 2007).No lado primário, aplicamos uma corrente elétrica que por sua vez irá gerar umcampo magnético. Esse campo magnético (campo aplicado no material) irá gerar umaindução magnética. Se o campo magnético for aumentado, ou diminuído, haverávariação da indução magnética. A variação da indução gerará uma diferença depotencial elétrico no lado secundário, proporcional à indução magnética (SMITH, 1998).Na figura 3 pode-se observar que no eixo "x" tem-se a variação do campomagnético aplicado (H) no material até a sua saturação. No eixo 'y' observam-se avariação da magnetização (B).Figura 3 – Ciclo de Histerese (PFINGSTAG, RODRIGUES, et al, 2010).Ao diminuir o campo (H), a magnetização (B) não volta a zero, com isso,quando "H" chega à zero, ainda existe uma magnetização remanescente que échamada de remanência. Para que (B) chegue a zero, é necessário aplicar um camponegativo, chamado de campo coercitivo. Se (H) continuar aumentando no sentido34

negativo, o material é magnetizado com polaridade oposta. Este fenômeno que causa oatraso entre magnetização e campo magnético é chamado de histerese magnética,enquanto que o ciclo traçado pela curva de magnetização é chamado de ciclo dehisterese (GUSSOW, 1986)Quando o ferro não está magnetizando, seus domínios magnéticos sãoorientados de maneira aleatória, mas na presença de campo magnético os domínios sealinham na mesma direção do campo aplicado (ROMANO, TODDAI, 1976).2.3. MATERIAIS MAGNÉTICOS MOLES2.3.1. IntroduçãoOs materiais magnéticos podem ser classificados como "duros" ou "moles". Os"Hard Magnetics", ou materiais magnéticos duros, são os imãs que se caracterizam porapresentar força magnética permanente. Já os materiais "Soft Magnetics" ou materiaismagnéticos moles ou simplesmente SMC, são os que apresentam força magnéticasomente em presença de um campo magnético externo. Os produtos fabricados commateriais magnéticos moles, em linhas gerais, podem ser classificados em"Sinterizados" e "Não-Sinterizados" (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).2.3.2. Processo de Fabricação de SMCO processo de fabricação de um componente magnético mole sinterizadossemelhante ao de uma peça estrutural, ou seja, compactação e sinterização. São feitosa base de Ferro, Ferro-Fósforo, Ferro-Níquel e Ferro-Silício. A diferença está naspropriedades a serem obtidas no produto final, pois enquanto a peça estrutural éavaliada principalmente pelas suas propriedades mecânicas o material magnético étambém avaliado por suas propriedades magnéticas tais como a indução e apermeabilidade (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).35

2.3.3. Perdas Magnéticas em SMCAs perdas magnéticas são causadas basicamente pelas "perdas por histerese"e "perdas por correntes de Foucault". Perdas por corrente parasitas de Foucaultpodem ser entendidas como perdas provenientes de campos alternados. Ela é tambémconhecida como "Eddy currents". Resumidamente, Corrente de Foucault é a correnteinduzida no material quando o fluxo magnético através dele varia. Essa corrente podeproduzir resultados indesejáveis, como por exemplo, o aumento da temperatura domaterial. Para evitar esse efeito, normalmente os materiais sujeitos a camposmagnéticos variáveis são freqüentemente laminados ou construídos com placas muitopequenas isoladas umas das outras. Fato que se pode observar em transformadores eem grande parte das maquinas elétricas (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al.2009).Ao produzir um componente SMC, deve-se tomar muito cuidado para que aisolação entre cada grão de pó não seja quebrada. Criar uma interconexão entre osgrãos isolados acarretará em uma intensificação das perdas por "Eddy Currents". Naverdade, as perdas sempre existirão, porém quanto menor for o grão, menor será aperda por correntes parasitas. Por outro lado, aproveitando as características dosmateriais SMC em máquinas elétricas, é possível também reduzir as perdas nasbobinas de cobre, pois um reprojeto da aplicação pode facilmente resultar em maioraproveitamento dos núcleos de ferro e assim reduzir a quantidade de cobre nasespiras, além de também possivelmente viabilizar redução de corrente elétricaconsumida pela máquina (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).As perdas por histerese são perdas provocadas pela dissipação de energiaassociada ao movimento das paredes entre os domínios magnéticos e sãoproporcionais a área do ciclo de histerese, (TORO, 1994).As perdas por histerese aumentam com a diminuição do tamanho de grão,presença de fases não magnéticas, densidade de discordâncias e orientação dosgrãos. Normalmente os problemas enfrentados pela metalurgia do pó com o aumento36

das perdas histeréticas estão relacionados com a permeabilidade e o campo coercivo.Já estes estão relacionados com: Matéria prima: Impurezas na mistura como, por exemplo, a presençacarbono. Compactação: Densidade baixa. Pré-sinterização: Ineficiência na remoção de lubrificante utilizado naCompactação. Sinterização: Atmosfera do forno inadequada. Atmosfera com Hidrogênioé uma das mais indicadas. Etapas Secundárias: Calibragem e Tratamento térmico (CREMONEZI,KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).2.3.4. Compósitos Magnéticos MolesSoft Magnetic Composites Materiais ou simplesmente SMC são basicamentepartículas de pó ferromagnético revestidas por filme isolante elétrico. ComponentesSMC são produzidos utilizando técnicas tradicionais de metalurgia do pó. O processode produção desses componentes, em linhas gerais, consiste em compactação eposterior tratamento térmico para cura (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).As pesquisas por materiais magnéticos com melhores características sãomotivadas pela possibilidade de redução nas dimensões dos equipamentos (maquinaselétricas, por exemplo) e diminuição de limitações no desempenho devido, porexemplo, à saturação e perdas magnéticas por histerese e Foucault (CREMONEZI,KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).Materiais SMC são partículas de pó ferromagnético revestidos por um filmeisolante elétrico, figura 4, normalmente ferro puro por possuir alta saturação magnéticaem comparação com a maioria de suas ligas (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al.2009).37

Figura 4: SMC - Partículas de Pó Ferromagnético Microencapsuladas com uma PelículaIsolante Elétrica (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).As ligas de ferro normalmente são utilizadas para minimizar as perdas porcorrentes parasitas. No caso do SMC esse trabalho é feito pela camada de isolante quereduzem as correntes parasitas em todas as direções (CREMONEZI, KLEIN,LOBERTO, et al. 2009).Normalmente esses materiais são comparados com ferro laminado, e essaabordagem é útil para entender as aplicações possíveis e os cuidados no processo defabricação de seus componentes dentro de uma fábrica de metalurgia do pó(CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).2.3.5. Características e Propriedades do SMCOs produtos fabricados com materiais magnéticos moles, em linhas gerais,podem ser classificados em produtos "Sinterizados" e "Não-Sintetizados". Os produtosSMC são classificados como Não-Sinterizados (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al.2009).38

2.3.6. Permeabilidade Magnética do SMCA permeabilidade se refere a capacidade do material magnético de concentraro fluxo magnético. Qualquer material facilmente magnetizado tem alta permeabilidade.Em linhas gerais, pelo menos até o momento, a permeabilidade magnética de ummaterial SMC é mais baixa quando comparada a um material Iaminado normalmenteutilizado em máquinas elétricas. Isto porque em um componente SMC o fluxomagnético tem que passar por partes não magnéticas como, por exemplo, a camadade isolante, e em alguns casos até mesmo os próprios poros característicos doprocesso de metalurgia do pó (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).Baseado nisso, a conversão de aplicações com laminados tradicionais paracomponentes SMC passar por um re-projeto para compensar, por exemplo, essa perdaem permeabilidade e explorar a capacidade de fluxo magnético em três dimensões.Lembrando: Laminado convencional só possui permeabilidade em duas dimensões(CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).2.3.7. Indução Magnética do SMCConforme pode ser observado na figura 5, o SMC na presença de um campomagnético relativamente alto apresenta propriedades de indução magnética muitopróxima à do material laminado. A saturação do material também é muito próxima dasaturação do material laminado e está diretamente ligada à densidade do componentefinal (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).39

Figura 5 – Comparação de Indução entre Laminado e SMC [7].Por outro lado, se uma máquina elétrica operar abaixo da saturação domaterial, a indução também será menor devido à baixa permeabilidade magnética. Estabaixa indução pode ser compensada através de um re-projeto do motor, explorando acapacidade de fluxo em 3D característico do SMC (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO,et al. 2009).2.4. MÁQUINAS ELÉTRICAS2.4.1. IntroduçãoAs máquinas elétricas são constituídas por circuitos elétricos e magnéticosacoplados entre si, a figura 6 exemplifica um motor elétrico. Por um circuito magnéticoentende-se um caminho para o fluxo magnético, assim como um circuito elétricoestabelece um caminho para a corrente elétrica. Nas máquinas elétricas, os condutorespercorridos por correntes interagem com os campos magnéticos (originados ou porcorrentes elétricas em condutores ou de ímãs permanentes), resultando na conversãoeletromecânica de energia (NASAR, 1984).Considerando um condutor de comprimento l colocado entre os pólos de umímã. Seja o condutor percorrido por uma corrente I, e fazendo um ângulo reto com as40

linhas de fluxo magnético. O condutor sofre a ação de uma força F, equação 1, e suamagnitude sendo dada por:(1)Onde B é a magnitude da densidade de fluxo magnético B, cuja direção é adas linhas de fluxo. A unidade no SI de B ou B é o tesla (T) (NASAR, 1984).A relação entre uma corrente elétrica e um campo magnético é dada pela leicircuital de Ampére, equação 2, sendo uma das formas:(2)Onde H é definido como intensidade de campo magnético (em A/m) devido àcorrente I sendo a integral da componente tangencial de H ao longo de um caminhofechado é igual à corrente envolvida pelo caminho (NASAR, 1984).O fluxo magnético, a densidade de fluxo magnético, a força magnetomotriz e apermeabilidade são as quantidades básicas necessárias para a avaliação dodesempenho dos circuitos magnéticos (NASAR, 1984).Existem vários tipos de motores elétricos, dos quais os principais são os decorrente contínua e de corrente alternada. Os motores de corrente contínua são maiscaros, pois é necessário um dispositivo que converta a corrente alternada em correntecontínua. Já os motores de corrente alternada são mais baratos e os mais utilizados,pois a energia elétrica é distribuída em forma de Corrente alternada reduzindo assimseu custo (TORO, 1994).Corrente contínua, CC: corrente na qual possui fluxo contínuo e ordenado deelétrons sempre na mesma direção (SMITH, 1998).Corrente alternada, CA: é uma corrente cuja magnitude e direção variaciclicamente. Ou seja, há variação de corrente elétrica, ao contrário da corrente41

contínua. O motor possui um imã que produz um campo de indução magnética, umcilindro onde estão os condutores e fios que são ligados a um gerador (SMITH, 1998).Figura 6 - Motor Elétrico (Laboratório de Qualidade, Braskem PE4).1- Carcaça2- Núcleo de chapas (estator)3- Rotor4- Tampa frontal5- Ventilador6- Proteção da ventoinha7- Eixo8- Bobinamento9- Rolamento42

2.4.2. Fatores que Determinam o Desempenho de Máquinas ElétricasNa sua grande maioria, os núcleos do estator e do rotor das máquinas elétricassão construídas com chapas de aço baixo carbono. Algumas máquinas de maiorrendimento ainda são construídas com chapas de aço-silício, com um percentual de1% a 3% de silício. O processo total para a confecção destes núcleos consistebasicamente em laminação, corte, um tratamento para isolação, empacotamento efixação. No caso das chapas de aço baixo carbono, o processo para isolação consistenum tratamento térmico, onde os pacotes de chapas são colocados em fornos durantecerto tempo, havendo então a oxidação da superfície das chapas, e em conseqüência,a formação de uma camada isolante de óxido de ferro entre as chapas adjacentes. Osseguintes fatores determinam o desempenho das máquinas elétricas (BORDIGNON,BITTENCOURT, LUNA, et al, 2010).As chapas são construídas a partir do ferro, pois este é um materialferromagnético e apresenta alta permeabilidade magnética. Em circuitos magnéticoscompostos por bobinas, núcleos de ferro e entreferro, quanto maior a permeabilidademagnética dos núcleos, menor será o campo magnético nos núcleos, e maior será aintensidade de campo no entreferro. Nos motores, o conjugado eletromagnético(torque) desenvolvido, é proporcional a densidade de fluxo magnético no entreferro.Portanto, se os núcleos do estator e do rotor são construídos com materiais com maiorpermeabilidade magnética, o motor poderá apresentar uma melhor desempenho.Entretanto não basta ao material magnético dos núcleos magnéticos possuírem altapermeabilidade. Deve possuir também elevada indução de saturação, possibilitandoentão que a máquina trabalhe num ponto de fluxo magnético elevado, sempre abaixodo ponto de saturação (BORDIGNON, BITTENCOURT, LUNA, et al, 2010).Utiliza-se aço baixo carbono, pois este é um material magnético macio, eapresenta baixa coercitividade. A perda por histerese é proporcional a área do ciclo dehisterese, que represente matematicamente uma densidade de energia. Portanto,quanto mais estreito o ciclo de histerese, menor a coercitividade, e menor a perda porciclo de histerese. As perdas por histerese P h [W/kg], estão representadas pela43

equação 3, onde ƒ é a freqüência do campo magnético aplicado [Hz], Wcmp adensidade de energia armazena no campo [j/m 3 ] (área do laço de histerese) e m adensidade do material dada em [kg/m 3 ] (BORDIGNON, BITTENCOURT, LUNA, et al,2010).PhfWSempre que há a incidência de um fluxo alternado sobre um núcleo magnético,haverá também correntes induzidas neste núcleo. Tanto o estator como o rotor sãoconstruídos com chapas laminadas e isoladas uma vez que, esta isolação entre chapasrestringe as correntes induzidas a uma menor área de circulação. A corrente induzidatotal, será a soma das correntes induzidas em cada chapa. Entretanto, a correnteinduzida total, será consideravelmente menor, comparada a uma máquina com estatore rotores construídos com material maciço. A redução das correntes induzidas pode serinterpretada como um aumento da resistência elétrica do corpo, uma vez que sãograndezas físicas inversamente proporcionais. Este efeito de redução das correntesinduzidas, também pode ser obtido com um aumento da resistividade elétrica domaterial. Portanto, quanto maior a resistividade do material, menor serão as correntesinduzidas e menores as perdas por correntes parasitas. Devido ao efeito Joule, estascorrentes parasitas geram perdas por calor Pp [W/kg], equação 4, e está representadana equação 4, onde k é uma constante de proporcionalidade [adimensional], B aindução magnética [T], x a espessura da peça [m], ƒ a freqüência do campo magnético[Hz] e e a resistividade elétrica [.m] (BORDIGNON, BITTENCOURT, LUNA, et al,2010).PpEm resumo, o material com o qual os núcleos do estator e do rotor sãoconstruídos deve apresentar as seguintes propriedades: Alta permeabilidade magnética relativa; Baixa coercitividade magnética;44cmpm2 2B f x ke2(3)(4)

2010). Alta resistividade ou resistência elétrica; Alta indução de saturação (BORDIGNON, BITTENCOURT,LUNA, et al,2.4.3. Aplicações de Materiais SMC em Motores ElétricosExistem vários casos de aplicações de materiais SMC em motores elétricoscomo os que são exemplificados a seguir.2.4.3.1. Motor sem Escovas de Corrente ContínuaO motor sem escovas e de corrente contínua foi concebido como um estudo decaso pela Universidade de Newcastle com o objetivo de ser um motor de tração diretapara bicicletas. A concepção deste motor é baseada em um estator mono-segmentadoe bobinamento individualizado. O rotor é externo e nele ficam alojados os ímãs deferrite. Os principais benefícios alcançados por este motor são: baixo custo em matebaixo peso e alta concentração de fluxo (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).2.4.3.2. Motor de Corrente Contínua com EscovasO Motor de corrente contínua com escovas é utilizado em bomba de freios ABS.A configuração do motor permitiu que os dispositivos de comutação magnética, assimcomo o bobinamento fossem aproveitados no espaço interno, reduzindo desta forma aaltura total do motor em comparação com a versão anterior feita com pacote dechapas. Estes benefícios só foram possíveis de serem alcançado através de umcompleto re-projeto do motor. As principais vantagens obtidas foram: redução dovolume do motor, redução no uso de fios de cobre e diminuição na complexidade demontagem (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).45

2.4.3.3. Motores de Fluxo TransversalEste tipo de motor tem como característica principal uma elevada densidade detorque, permitindo que possa ser utilizado em aplicações de tração direta e desta formaeliminando o uso de caixas de redução. O motor pode ter o formato por uma topologiachamada de garra polar. Vários casos de sucesso vêm se tornando realidade com estetipo de configuração de motor, sempre aliado aos fatores benéficos do SMC. Os casosbrevemente abordados a seguir são exemplos práticos do potencial tecnológico portrás do SMC (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).O motor de tração direta para cadeiras de rodas elétricas, mostrado, utiliza osbenefícios do fluxo magnético em 3-D, resultando em um motor silencioso, pois não háescovas e nem engrenagens redutoras. Com maior eficiência passando d 50% para80%, e de elevada densidade de torque, da ordem de 12 Nm com picos de 90 Nm(CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).Os atuadores que tem sua aplicação marítima, produzidos com SMC, operam emcondições severas de uso. A substituição das antiquadas linhas hidráulicas foimotivada pelo uso de motores elétricos de menor custo de manutenção e também a fimde se evitar a contaminação da carga pelo óleo hidráulico do sistema. Outrasvantagens obtidas pelo motor são: Alto torque (até 2.000 Nm), simplicidade demontagem, alta precisão e confiabilidade, baixo consumo de cobre e redução no custototal de fabricação (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).2.4.3.3. Motor LinearO motor linear é baseado em dois estatores interno e externo, feitos em SMCcom um ímã entre ambos. Este motor conceitual utilizado em um freezer portátil. Obenefício mais marcante alcançado neste projeto foi a drástica redução número decomponentes empregados na construção do motor sem haver perda de desempenhoquando comparado com o seu antecessor feito com pacote de chapas (CREMONEZI,KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).46

2.4.3.3. Servo-motor sem Escovas e de Corrente ContínuaOs servos-motores foram projetados pela Phase Motion Control S.r.l da Itália.Utilizando-se componentes SMC foi possível reduzir em 2/3 o tamanho do motoranterior, feito com pacotes de chapas, porém, mantendo-se o mesmo desempenho.Isso graças a um novo bobinamento dos componentes (CREMONEZI, KLEIN,LOBERTO, et al. 2009).2.5. RESINA FENÓLICA HRJ-10236Esta é uma resina fenólica modificada em pó, tipo Novolaca, que contémhexametileno-tetramina, C 6 H 12 N 4 . É indicada principalmente para fabricação depastilhas de freios, lonas pesadas ou leves e discos de embreagem. A resina HRJ-10236 proporciona médio coeficiente de atrito ao material de fricção, com boaestabilidade térmica e baixo “fading” (perda de atrito). Os demais itens, comoresistência mecânica, desgaste e recuperação de atrito, são considerados bons. Naárea de materiais abrasivos, a HRJ-10236 é utilizada em discos de corte e rebolos emgeral. Outra aplicação para esta resina é na área de confecção do disco de alumínioem pó prensado para discos diamantados, a tabela 1 demonstra suas especificaçõestécnicas (DIAS, VECCHIA, et al, 2010).Tabela 1 - Especificações Técnicas da Resina HRJ-10236.Fluxo à 125ºCCura à 154ºC20 - 45 mm50 - 90 sTeor de Hexa 7,5 - 8,5 %Granulometria (M#20) mín. 97%47

2.6. SOFTWARE DE SIMULAÇÃO FEMMOs resultados das interações eletromagnéticas de uma máquina elétricarotativa podem ser obtidos através de simulações em software de elementos finitosFEMM 4.2 (Finite Element Method Magnetics). A metodologia de elementos finitos temcomo objetivo a solução de equações diferenciais para uma diversidade de entradas. Aidéia principal é dividir o material em um grande número de regiões, cada um com umageometria simples (e.g. triângulo). Em cada elemento a solução é aproximada atravésde uma interpolação dos valores de cada vértice do triangulo (BORDIGNON,BITTENCOURT, LUNA, et al, 2010).A vantagem de dividir a área inicial em pequenos elementos é que a partir deuma área conhecida é possível resolver o problema ou sistema de equações maisfacilmente. Através do processo de discretização é gerado um sistema de álgebralinear com milhares de variáveis. A solução do sistema ocorre com o auxilio deprocessadores os quais através de algoritmos, são capazes de resolver o sistema empouco tempo. A figura 7 mostra um diagrama esquemático sobre a Metodologia FEMM(BORDIGNON, BITTENCOURT, LUNA, et al, 2010).Figura 7 – Metodologia FEMM (BORDIGNON, BITTENCOURT, LUNA, et al, 2010).2.6.1. Fluxo de Entreferro e TorqueA simulação determina valores instantâneos de fluxo de entreferro e torque.Por este motivo, no estator da máquina simulada a corrente aplicada no circuito 1 e 2 éde 2A e nos circuitos 3, 4, 5, 6 de 1A, conforme mostra a figura 8-(a). A figura 8-(b)mostra o desenho dimensional inserido no programa de simulação e a figura 8-(c)mostra o detalhamento das linhas de fluxo de entreferro para uma simulação. A48

simulação é efetuada partindo do projeto dimensional do motor. Utilizando-se dametodologia de bobinamento em série para um motor de 4 pólos, sendo 12 espirascom fio 12AWG por ranhura do estator. A corrente nominal utilizada, conforme dadosdo motor, foi de 14,2A, para uma tensão de 380V – Y e o motor é utilizado emfreqüência padrão de 60Hz (BORDIGNON, BITTENCOURT, LUNA, et al, 2010).(a) (b) (c)Figura 8 – Desenho das Ranhuras do Estator – (a) Esquema das Correntes – (b)Desenho Inserido no Programa de Simulação – (c) Linhas de Fluxo de Entreferro para umaSimulação (BORDIGNON, BITTENCOURT, LUNA, et al, 2010).2.7. ENSAIO DE RENDIMENTO EM TRANSFORMADORESO ensaio consiste em aplicar uma tensão no lado de baixa (12V), em umtransformador, deixando o lado de alta (110,220V) em aberto, com a utilização de umgerador de sinais e um amplificador, é possível variar a tensão e freqüência no lado dealta e com um osciloscópio medir a tensão e amplitude da corrente elétrica bem como oângulo de defasagem (BITTENCOURT, FERREIRA, DIAS, et al, 2010).Somente são levadas em consideração as perdas no enrolamento primário,equação 5, pois o enrolamento secundário está em aberto, e não haverá potência desaída desta forma não haverá perdas, e ao medir a resistência do fio do enrolamentoprimário e reduzindo-se da perda total teremos a perda no núcleo (BITTENCOURT,FERREIRA, DIAS, et al, 2010).Pp = Vp . Ip . cos α (5)49

Onde Pp é a potencia do enrolamento primário, Vp é a tensão do enrolamentoprimário e a corrente do enrolamento primário e α o ângulo de defasagem(BITTENCOURT, FERREIRA, DIAS, et al, 2010).3. METODOLOGIA3.1. OBTENÇÃO DOS CORPOS DE PROVA3.1.1. IntroduçãoPara realização dos experimentos foram feitos corpos de prova a partir de pósde ferro com resina HRJ-10236. Os pós foram misturados e colocados em matrizes dediferentes perfis, adequando desta forma aos ensaios e análises requeridos.Os corpos de provas foram obtidos a partir das matérias seguintes primas:Pó de ferro Constituição química: Ferro puro, Fe. Percentual em massa: 99%, 97%, 95%, 92% e 90%. Tamanho médio da partícula: 150 µm.Resina Fenólica HRJ-10236 Constituição química: hexametileno-tetramina, C 6 H 12 N 4 . Percentual em massa: 1%, 3%, 5%, 8% e 10%.50

3.1.2. Mistura dos PósA mistura é primeira etapa da metalurgia do pó, tendo como objetivo assegurara uniformidade das peças e produzi-las com uma boa dispersão dos constituintesgarantindo desta forma a homogeneidade dos corpos de prova.Na obtenção dos corpos de prova, o pó de Ferro puro (Fe), foi misturado comos percentuais respectivamente de 1%, 3%, 5%, 8%, 10% de resina termofíxa de HRJ -10236 em um misturador duplo cone (Figura 9), com rotação de 60 rpm, durante 20minutos, para dispersão dos constituintes, esta etapa foi realizada no Laboratório deTransformação Mecânica, LdTM, da Universidade Federal do Rio Grande do Sul,UFRGS.Figura 9- Misturador Duplo Cone no LdTM na UFRGS.3.1.3. Compactação dos Corpos de ProvaO pó de Fe e resina HRJ-10236 foram dispostos na cavidade das matrizes(Figura 10), de acordo com o perfil desejado do corpo de prova, as quais forammontadas individualmente na prensa hidráulica Bovenau 30T (Figura 11), que selocaliza no LdTM da UFRGS. A compactação ocorre por deslocamentos simultâneosdos punções superiores e inferiores, à temperatura ambiente.51

Figura 10 - Cavidade da Matriz.Nos primeiros movimentos do punção, a compactação causa apenas oadensamento do pó, sem deformação das partículas e sem produzir adesão entre elas.Com o aumento da pressão, ocorre deformação plástica das partículas, formando umaespécie de “solda fria”.A compactação gera uma peça com formato final ou aproximado à peça a serfabricada, chamada de compactado verde. É muito frágil, e o manuseio inadequadopode “esfarelar” a peça.Figura 11 - Prensa Hidráulica Bovenau 30T.Os corpos de prova foram compactados com uma pressão de 6 x10 8 N/m², parase obter uma densidade média, como segue na tabela 2.Tabela 2 – Força de Compactação dos Corpos de Prova.Corpo de prova Área (m 2 ) Força (N)Cilindro 2,6 x10 -4 15 x10 4Anel 3,91 x10 -4 23,5 x10 4Barra 1,43 x10 -4 8,6 x10 4Núcleo T 2,33 x10 -4 14 x10 4Núcleo E 5,2 E10 -4 30 x10 452

segue:As matrizes utilizadas nos ensaios são de acordo com o perfil desejado comoPara os corpos de prova cilíndricos (Figura 13), que foram utilizados para ostestes mecânicos e análise metalográfica foi empregada a matriz da figura 12.Figura 12 - Matriz para os Cilindros.Figura 13 - Cilindros. Para os corpos de prova em forma de anel de Rowland, (Figura 15), osquais foram utilizados para caracterização das propriedades magnéticas, a matrizempregada é a matriz da figura 14.Figura 14 - Matriz para o Anel de Rowland.53

Figura 15 - Anel de Rowland. Para os corpos de prova em forma de barra (Figura 17), foram utilizadospara medir a resistividade, foi usada a matriz figura16.Figura 16 - Matriz da Barra.Figura 17 – Barra. Para os núcleos de transformadores que se constitui em duas partes, onúcleo tipo E (Figura 21), e o tipo T (Figura 19), foram empregadas as matrizes dafigura 20 e figura 18 respectivamente:54

Núcleo tipo TFigura 18 - Matriz para o Núcleo Tipo T.Figura 19 - Núcleo Tipo T.Núcleo tipo EFigura 20 - Matriz para o Núcleo Tipo E.55

Figura 21 - Núcleo Tipo E.Após a compactação se obtém os corpos de prova verdes para seremsubmetidos ao processo de cura.3.1.4. Cura da Resina de HRJ-10236 dos Compactados VerdesOs compactados verdes foram submetidos ao processo de cura emtemperaturas controladas conforme a figura 22, em um forno de recozimento, para queocorresse as devida reações entre a resina termofixa de HRJ – 10236 bem como asligações com o pó de ferro conferindo desta forma as propriedades mecânicasrequeridas.T (°C)Figura 22 – Temperatura de Cura do Compactado Verde.56

Os corpos de prova representados pela figura 23 foram obtidos após oprocesso de cura da resina de HRJ-10236.(a) (b) (c)Figura 23 - Corpos de Prova Cilíndrico “a”, Corpos de Prova para Núcleo de Transformadores“b”, Corpos de Prova em Forma de Barra.3.2. PROPRIEDADES FÍSICAS E MICROESTRUTURA DO MATERIAL3.2.1. IntroduçãoOs corpos de prova após a compactação foram submetidos a ensaiosmecânicos para verificação de sua resistência a tensões requeridas ao funcionamentode motores elétricos e também a micrografias para análise de sua estrutura.3.2.2. Ensaio de DurezaO ensaio de dureza Rockwell H, foi realizado no laboratório de ensaiosmecânicos da Universidade Luterana do Brasil, ULBRA, nos corpos de provacilíndricos, no equipamento Pantec RBN (Figura 24), com a carga 60kgf, penetradoresfera 1/8”, segundo a Norma NM ISO 6508 (Materiais metálicos - Ensaio de durezaRockwell H)57

Figura 24 - Durometro Pantec RBN.3.2.3. MicrografiaAs micrografias foram realizadas no laboratório de ensaios mecânicos daUniversidade Luterana do Brasil (ULBRA), com os corpos de prova cilíndricos, nomicroscópio óptico marca Union de platina invertida, seguindo a norma ABNT NBR –15454, 2007. A análise da estrutura do material é importante para verificarmos adispersão de seus constituintes bem como o isolamento entre as partículas de ferrocom a resina de HRJ- 10236, pois isso pode diminuir as perdas por correntes parasitas.3.2.4. Resistividade ElétricaA resistividade elétrica foi calculada com a equação 5, a partir da resistênciaelétrica dos corpos de prova em forma de Barra (Figura 25), sendo que somente foifeita a medição nos compósitos de Fe com 1%, 3% e 5% de resina HRJ-10236. Aferramenta utilizada foi o multímetro APPA 305 (Figura 26).Figura 25 - Barra.58

Figura 26 - Multímetro APPA 305. R (5)Onde, é a resistividade elétrica [μ.Ω.m], R é a resistência, é o comprimentoda barra [m] e A é a área da seção transversal da barra [m²].Figura 27 - Desenho Esquemático da Medida de Resistência.A figura 27 representa o desenho esquemático da medida de resistência.3.2.5. Características MagnéticasAs análises das características magnéticas foram realizadas noLaboratório de Transformação Mecânica – UFRGS, LdTM, com o Traçador de Curvasde Histerese Magnética (Figura 28), modelo TLMP-TCH-14, de acordo com a normaASTM A773 (Standard Test Method for dc Magnetic Properties of Materials Using Ringand Permeameter Procedures with dc Electronic Hysteresigraphs).59

Figura 28 - Traçador de Curva de Histerese Modelo TLMP-TCH-14.Os corpos provas em forma de anel de Rowland (Figura 31) foram utilizadospara traçar as curvas de histerese, onde se envolveu completamente com um filmeplástico, em seguida foi feito a bobinagem secundária, tendo um novo isolamento comfilme plástico para que seja feito finalmente a bobinagem primária.Figura 29 - Anel de Rowland (Toroidal).A densidade das espiras segue a equação 6:Dens.esp.NpLNp ( d2ext d int)(6)Onde, Np é o número de espiras no enrolamento primário, L o comprimento docircuito magnético [mm], dext o diâmetro externo do anel [mm] e dint o diâmetro internodo anel [mm].3.2.6. Simulações ComparativasAs simulações das interações eletromagnéticas foram obtidas através desoftware de elementos finitos FEMM 4.2 (Finite Element Method Magnetics) noLaboratório de Fundição da UFRGS, LAFUN. A metodologia de elementos finitos temcomo objetivo a solução de equações diferenciais para uma diversidade de entradas. Aidéia principal é dividir o material em um grande número de regiões, cada um com uma60

geometria simples (e.g. triângulo). Em cada elemento a solução é aproximada atravésde uma interpolação dos valores de cada vértice do triangulo. Através deste software épossível verificar o torque momentâneo, o fluxo concatenado em cada bobina e asperdas por correntes de Foucault.3.2.7. Ensaio de Rendimento em TransformadoresForam realizados os testes de rendimento em transformadores nos compósitosde Fe e resina HRJ-10236 no Laboratório de Fundição da UFRGS, LAFUN, ecomparado os resultados com os obtidos dos núcleos de feixe de chapas.Na primeira etapa foram feitas as análises de rendimento do transformadorconvencional de feixe de chapas metálicas (Figura 30), em seguida ele foi desmontadoe substituído o núcleo pelos de compósitos de Fe e resina HRJ-10236, tendo em vistaque as dimensões dos núcleos são bem próximas as do transformador utilizado, onúmero de espiras nos enrolamentos primário e secundário foram os mesmos.O ensaio baseou-se em aplicar uma tensão no lado de baixa (12V), deixando olado de alta,(110,220V) em aberto, com a utilização de um gerador de sinais e umamplificador, foi possível variar a tensão e freqüência no lado de alta e com umosciloscópio foram medidas a tensão e amplitude da corrente elétrica bem como oângulo de defasagem.Somente foram levadas em consideração as perdas no enrolamento primário,pois o enrolamento secundário ficou em aberto, pois não havendo potência de saídanão haverá perdas, desta forma ao medir a resistência do fio do enrolamento primário ereduzindo-se da perda total temos a perda no núcleo.Figura 30 - Transformador 12V, 110/220V.61

4. DISCUSSÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS4.1. PROPRIEDADES FÍSICAS E MICROESTRUTURA DO MATERIAL4.1.1. Ensaio de DurezaOs materiais para máquinas elétricas são submetidos a diversos esforços etensões durante sua operação, os resultados de dureza são importantes paracaracterização de suas propriedades físicas. Na metalurgia do Pó, em geral sãoespecificadas a dureza aparente que indica a dureza média da superfície docomponente, também conhecida como macrodureza. Medidas dureza de materiaissinterizados não são compatíveis com resultados tradicionalmente obtidos em materiaisnão porosos (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).Tabela 3 - Dureza dos Corpos de Prova de Fe HRJ – 10236.Dureza em HRH: 1/8”; 600 NFe1%HRJ 87 90 87Fe3%HRJ 85 85 86Fe5%HRJ 88 88 90Fe8%HRJ 86 86 88Fe10%HRJ 83 86 86Desvio Padrão = 1,8762

de HRJ-10236.Figura 31 – Dispersão da Dureza Rockwell H das amostras de Fe com 1% ,3% ,5% ,8% e 10%A figura 31 representa a dispersão das medições de dureza Rockwell H databela 3, onde se pode observar que alguns resultados estão sobrepostos entre oscorpos de prova, tendo ainda um desvio padrão de 1,87 e com o encapsulamento daspartículas de pó de Fe observado nas micrografias, conclui-se que a resistênciamecânica dos corpos de prova é atribuída às propriedades da resina de HRJ-10236após a cura.4.1.2. MicrografiaO objetivo das micrografias representadas nas figuras 32, 33, 34, 35 e 36, é averificação da homogeneidade dos corpos de prova e o encapsulamento do pó de Fecom a resina termofixa de HRJ-10236, para aumento da resistividade elétricadiminuindo desta forma as perdas por correntes parasitas.A partir da matéria prima a mistura de pós de origem diferentes e a etapa queassegura a uniformidade das peças (CHIAVERINI, 1986).As ligas de ferro normalmente são utilizadas para minimizar as perdas porcorrentes parasitas. No caso do SMC esse trabalho é feito pela camada de isolante que63

eduzem as correntes parasitas em todas as direções (BORDIGNON, BITTENCOURT,LUNA, et al, 2010).(a)(b)Figura 32 – Micrografias (a) Fe HRJ 1% Ampliada 100X; (b) FeHRJ 1%Ampliada 200X.(a)(b)Figura 33 - (a) Fe HRJ 3% Ampliada 100X; (b) Fe HRJ 3%Ampliada 200X.(a)(b)Figura 34 - (a) Fe HRJ 5% Ampliada 100X; (b) Fe HRJ 5%Ampliada 200X64

(a)(b)Figura 35 – (g) Fe HRJ 8% Ampliada 100X, (h) FeH RJ 8%Ampliada 200X.(a)(b)Figura 36 – Micrografias (a) Fe HRJ 10% Ampliada 100X; (b) Fe HRJ 10%Ampliada 200XAs micrografias das figuras 32, 33, 34, 35, 36, evidenciam que houve disperçãodos constituintes e aparentemente o encapsulamento do Fe, onde na parte escura aformação de aglomerados de ferro, já na clara é a resina de HRJ-10236 e porosidadesprovenientes do próprio processo de metalurgia do pó que ocorrem na etapa decompactação ou pelo formato das partículas utilizadas.65

4.1.3. Resistividade ElétricaOs materiais possíveis de serem utilizados na construção de núcleos do estatore do rotor de máquinas elétricas devem apresentar elevada resistividade elétrica(BORDIGNON, BITTENCOURT, DIAS, et al, 2010).Ao produzir um componente SMC, deve-se tomar muito cuidado para que aisolação entre cada grão de pó não seja quebrada. Criar uma interconexão entre osgrãos isolados acarretará em uma intensificação das perdas por Eddy Currents(CREMONEZI, LOPES, 2010).Tabela 4 - Resistividade Elétrica das Amostras de Fe e HRJ-10236.Amostra R (Ω) Área(m²) (m) ρ (μ.Ω.m)Fe1%HRJ 0,53 2,5E-05 0,027 490Fe3%HRJ 1,13 1,9E-05 0,027 774Fe5%HRJ 2,37 1,9E-05 0,027 1665Fe8%HRJ - - - -Fe10%HRJ - - - -A resistividade elétrica elevou-se com o acréscimo dos percentuais de HRJ-10236. Isto se deve ao fato do aumento da espessura do filme que envolveu aspartículas de pó de ferro, encapsulamento, pois esta resina é isolante elétrica. Comaumento de resina as perdas por correntes parasitas tendem a diminuir.A resistividade das amostras de Fe com resina de HRJ de 8% e 10% não foimedida devido aos corpos de prova terem sofrido deformações durante o processo decura conforme a figura 37.Figura 37 – Barras Deformadas de Fe – HRJ 8% e Fe – HRJ 10%.66

4.1.4. Características MagnéticasOs materiais que apresentam alta permeabilidade magnética, baixacoercividade magnética e alta indução de saturação são os que apresentam melhorespropriedades magnéticas para construção de núcleos de estatores e de rotores demáquinas elétricas (BORDIGNON, BITTENCOURT, DIAS, et al, 2010).A permeabilidade se refere a capacidade do material magnético de concentraro fluxo magnético. Qualquer material facilmente magnetizado tem alta permeabilidade.Em linhas gerais, pelo menos até o momento, a permeabilidade magnética de ummaterial SMC é mais baixa quando comparada a um material Iaminado normalmenteutilizado em máquinas elétricas. Isto porque em um componente SMC o fluxomagnético tem que passar por partes não magnéticas como, por exemplo, a camadade isolante, e em alguns casos até mesmo os próprios poros característicos doprocesso de metalurgia do pó (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al. 2009).As perdas por histerese são perdas provocadas pela dissipação de energiaassociada ao movimento das paredes entre os domínios magnéticos e sãoproporcionais a área do ciclo de histerese (TORO, 1994).As curvas de histerese bem como a curvas de magnetização obtidas paracompósito de Fe com 1%, 3%, 5%, 8% e 10% de HRJ-10236 são as seguintes:(a)(b)Figura 38 – (a) Fe HRJ 1% Curva de Histerese ; (b) Fe HRJ 1% Curva de Magnetização.67

(a)(b)Figura 39- (a) Fe HRJ 3% Curva de Histerese; (b) Fe HRJ 3% Curva de Magnetização.(a)(b)Figura 40- (a) Fe HRJ 5% Curva de Histerese; (b) Fe HRJ 5% Curva de Magnetização.(a)(b)Figura 41- (a) Fe HRJ 8% Curva de Histerese; (b) Fe HRJ 8% Curva de Magnetização.68

(a)(b)Figura 42- (a) Fe HRJ 10% Curva de Histerese; (b) Fe HRJ 10% Curva de Magnetização.As curvas de magnetização do compósito de Fe com 1%, 3%, 5%, 8% e 10%medidas representadas pelas figuras 38, 39, 40, 41 e 42, demonstram que estecompósito apresenta características dos materiais magnéticos moles, SMC de acordocom a literatura.As áreas dos ciclos de histerese de Fe com os diferentes percentuais de HRJ –10236 são pequenas, isso evidencia que há poucas perdas por histerese.Os valores da tabela 5 foram obtidos a partir das curvas de histerese (Figuras38, 39, 40, 41 e 42), sendo que a resistividade foi medida nos corpos de prova emforma de Barra, (Figura 25). As propriedades do ferro puro sinterizado já sãoconhecidas na literatura (DIAS, VECCHIA, BARBOZA, et al, 2010).Tabela 5 - Características Magnéticas e Resistividade Elétrica do Compósito Fe HRJ eFe (puro) Sinterizado.Ligaρ B r Hc Hc[µΩ.m] [T] A/m [Oe]µrFe (puro) sinterizado 0,140 1,18 127 1,60 3700Fe 1%HRJ 490 0,105 410 5,2 134Fe 3%HRJ 774 0,057 400 5,0 96Fe 5%HRJ 1665 0,046 390 4,9 70Fe 8%HRJ - 0,023 345 4,3 47Fe 10%HRJ - 0,015 310 3,9 3369

A remanência, campo coercivo e a permeabilidade relativa da tabela 5 sãorepresentados respectivamente pela figura 43, figura 44 e figura 45.Figura 43 - Remanência Br (T).Figura 44 - Campo Coercivo Hc (A/m).70

Figura 45 - Permeabilidade Relativa, µr.As características magnéticas do compósito Fe com HRJ-10236 demonstramque a Remanência Br (Figura 43), o campo coercivo Hc (Figura 44) e a permeabilidaderelativa µr (Figura 45), são inversamente proporcionais ao incremento de resinatermofixa de HRJ-10236.O compósito de Fe com 1% de HRJ-10236 apresentou maior permeabilidaderelativa, no entanto demonstrou maior coercividade e menor resistividade elétrica, poisa espessura da camada isolante elétrica é menor. Na medida em que se aumentaramos percentuais da resina termofixa, observa-se um decréscimo destas propriedades.71

Permeabilidade e Resistividade40003500300025002000150010005000Chapas Fe1HRJ Fe3HRJ Fe5HRJAmostraρ*µΩ.m]µrFigura 46 – Comparativo da Permeabilidade Relativa e Resistividade do compósito com 1%,3%, 5% de HRJ-10236 e Fe (puro).A figura 46 demonstra que com o aumento da resistividade elétrica houvediminuição da permeabilidade magnética. Isso se deve ao aumento da camadaisolante entre as partículas de pó de Fe com incremento nos percentuais de resina deHRJ -10236. Outro ponto observado é a baixa resistividade elétrica do Fe (puro)sinterizado e alta permeabilidade magnética em comparação ao Fe com 1%, 3% e 5%de resina.4.1.5. Simulações ComparativasAs máquinas elétricas são constituídas por circuitos elétricos e magnéticosacoplados entre si. Por um circuito magnético entende-se um caminho para o fluxomagnético, assim como um circuito elétrico estabelece um caminho para a correnteelétrica. Nas máquinas elétricas, os condutores percorridos por correntes interagemcom os campos magnéticos (originados ou por correntes elétricas em condutores ou deímãs permanentes), resultando na conversão eletromecânica de energia (TORO, V. D.,1994).Visto que a conversão de energia envolve a troca energia entre um sistemaelétrico e um mecânico, as grandezas fundamentais no sistema mecânico são o torquee a velocidade. A ação motora resulta quando o sistema elétrico faz uma corrente72

elétrica circular através dos condutores que são colocados num campo magnético(TORO, V. D, 1994).Tabela 6 - Simulações das Interações EletromagnéticasNúcleoTorque (N.m) Densidade de Fluxo Máximo (T)Chapas 34,49 2,02Fe1HRJ_1A 27,1 2,02Fe1HRJ_1B 27,45 2,06Fe3HRJ_3A 25,85 2,01Fe3HRJ_3B 25,77 1,98Fe5HRJ_5A 26,56 2,28Fe5HRJ_5B 23,78 1,85Fe8HRJ_8A 20,71 1,66Fe8HRJ_8B 16,61 1,37Fe10HRJ_10A 19,36 1,58Fe10HRJ_10B 19,38 1,58As variáveis da tabela 6 são representadas pela figura 47, onde foi feito amédia dos dois resultados entre os corpos de prova com os mesmos percentuais deresina de HRJ-10236, em comparação com o núcleo de chapas:(a)(b)Figura 47 – Simulações das Interações Eletromagnéticas (a) Torque; (b) Densidade de Fluxo Máximo.73

Nas simulações comparativas entre o núcleo de chapas e o compósito de Fe eHRJ-10236, observa-se uma diminuição gradual no torque e no fluxo entre ferros,sendo que à medida que se aumentou os percentuais de resina, houve um maiordecréscimo nestas propriedades observado na figura 47. Isto já era esperado devido àspropriedades magnéticas medidas, pois a resposta do softwere FEMM estádiretamente relacionada com as entradas.4.1.6. Ensaio de Rendimento em TransformadoresAs perdas magnéticas são causadas basicamente pelas perdas por histerese eperdas por correntes de Foucault. Perdas por corrente parasitas de Foucault podemser entendidas como perdas provenientes de campos alternados. Ela é tambémconhecida como Eddy currents. Resumidamente, Corrente de Foucault é a correnteinduzida no material quando o fluxo magnético através dele varia. Essa corrente podeproduzir resultados indesejáveis, como por exemplo, o aumento da temperatura domaterial. Para evitar esse efeito, normalmente os materiais sujeitos a camposmagnéticos variáveis são frequentemente laminados ou construídos com placas muitopequenas isoladas umas das outras. Fato que se pode observar em transformadores eem grande parte das máquinas elétricas (CREMONEZI, KLEIN, LOBERTO, et al.2009).As perdas magnéticas em transformadores dos compósitos de Fe com 8% e10% de HRJ-10236 não foram medidas devido à deformidade dos corpos de provadurante a etapa de cura. Por sua vez as chapas e as com 1%, 3% e 5% de HRJ-10236estão representadas nas tabelas 7, 8, 9 e 10 respectivamente.74

f (Hz)Tabela 7 – Perdas Magnéticas no Transformador com Núcleo de ChapasVe (V)CHAPASENTRADASAÍDA1ΩT Dif cos α (°) Pot (W)Vr (V) Ie (A) V Maior Pot (W) Perdas n%60 4,55 3,56E-02 0,036 2,40E-03 0,86 0,137 75,15 - - -60 4,55 1,35E-01 0,135 6,40E-04 0,96 0,574 66,6 0,444 0,130 77,34100 4,55 2,42E-02 0,024 1,24E-03 0,88 0,096 73,822 - - -100 4,55 1,28E-01 0,128 2,08E-04 0,98 0,554 64,9 0,421 0,133 76,00200 4,55 1,58E-02 0,016 6,40E-04 0,87 0,062 73,66 - - -200 4,55 1,24E-01 0,124 8,40E-05 0,98 0,540 64,67 0,418 0,121 77,51400 4,55 8,80E-03 0,009 3,24E-04 0,87 0,035 75 - - -400 4,55 1,23E-01 0,123 4,00E-05 0,98 0,535 65,78 0,433 0,103 80,82600 4,55 1,01E-02 0,010 1,96E-04 0,88 0,040 73,93 - - -600 4,55 1,17E-01 0,117 2,40E-05 0,99 0,509 64,85 0,421 0,089 82,61800 4,55 6,00E-03 0,006 1,28E-04 0,90 0,024 75,61 - - -800 4,55 1,20E-01 0,120 2,00E-05 0,98 0,523 66,3 0,440 0,084 84,031000 4,55 4,90E-03 0,005 9,20E-05 0,91 0,020 74,2 - - -1000 4,55 1,20E-01 0,120 1,12E-05 0,99 0,526 64,99 0,422 0,103 80,35Em abertoCarga de 10kΩ75

Tabela 8 – Perdas Magnéticas no Transformador com Núcleo de Fe com 1%de HRJ-10236.f (Hz) Ve (V)Fe1%HRJENTRADASAÍDA1ΩT Dif cos α (°) Pot (W)Vr (V) Ie (A) V Maior Pot (W) Perdas n%60 6,435 1,09E+00 1,092 2,04E-03 0,88 5,120 75,21 - - -60 6,435 1,06E+00 1,059 1,76E-03 0,89 5,092 67,82 0,460 4,632 9,03100 5,376 6,73E-01 0,673 1,54E-03 0,85 2,676 73,89 - - -100 5,376 6,51E-01 0,651 1,24E-03 0,88 2,695 65,98 0,435 2,259 16,16200 4,876 3,57E-01 0,357 9,12E-04 0,82 1,320 73,56 - - -200 4,876 3,69E-01 0,369 6,72E-04 0,87 1,439 65,06 0,423 1,016 29,42400 4,839 2,06E-01 0,206 4,96E-04 0,80 0,765 74,93 - - -400 4,839 2,39E-01 0,239 3,12E-04 0,88 0,961 66,04 0,436 0,525 45,36600 4,724 1,46E-01 0,146 3,44E-04 0,79 0,531 73,95 - - -600 4,724 1,94E-01 0,194 1,88E-04 0,89 0,779 64,91 0,421 0,357 54,12800 4,731 1,15E-01 0,115 2,60E-04 0,79 0,419 75,59 - - -800 4,731 1,74E-01 0,174 1,24E-04 0,90 0,715 66,48 0,442 0,273 61,811000 4,747 9,64E-02 0,096 2,16E-04 0,78 0,351 74,22 - - -1000 4,747 1,59E-01 0,159 9,20E-05 0,91 0,662 65,25 0,426 0,236 64,32Em abertoCarga de 10kΩ76

Tabela 9 – Perdas Magnéticas no Transformador com Núcleo de Fe com 3%de HRJ-10236.Fe3%HRJENTRADASAÍDAf Ve 1Ωcos αT DifPot (W)(Hz) (V) Vr (V) Ie (A) (°)V Maior Pot (W) Perdas n%60 7,473 1,49E+00 1,486 1,64E-03 0,90 8,021 75,12 - - -60 7,473 1,43E+00 1,429 1,52E-03 0,91 7,849 67,52 0,456 7,393 5,81100 5,837 9,06E-01 0,906 1,34E-03 0,87 3,869 73,84 - - -100 5,837 8,65E-01 0,865 1,18E-03 0,88 3,793 66,77 0,446 3,347 11,75200 5,045 4,64E-01 0,464 8,56E-04 0,83 1,763 73,69 - - -200 5,045 4,76E-01 0,476 6,80E-04 0,86 1,879 65,35 0,427 1,452 22,72400 4,834 2,63E-01 0,263 4,92E-04 0,80 0,966 75,01 - - -400 4,834 2,87E-01 0,287 3,36E-04 0,87 1,128 66,13 0,437 0,691 38,75600 4,829 1,86E-01 0,186 3,44E-04 0,79 0,685 73,81 - - -600 4,829 2,26E-02 0,023 2,08E-04 0,88 0,095 65,03 0,423 0,328 444,83800 4,734 1,47E-01 0,147 2,62E-04 0,79 0,531 75,58 - - -800 4,734 1,96E-01 0,196 1,42E-04 0,89 0,790 66,53 0,443 0,347 56,061000 4,775 1,20E-01 0,120 2,12E-04 0,79 0,441 74,24 - - -1000 4,775 1,76E-01 0,176 1,04E-04 0,90 0,723 65,23 0,425 0,298 58,83Em abertoCarga de 10kΩ77

Tabela 10 – Perdas Magnéticas no Transformador com Núcleo de Fe com 5%de HRJ-10236.f (Hz) Ve (V)Fe5%HRJENTRADASAÍDA1ΩT Dif cos α (°) Pot (W)Vr (V) Ie (A) V Maior Pot (W) Perdas n%60 7,806 1,65E+00 1,648 1,44E-03 0,91 9,272 75,1 - - -60 7,806 1,57E+00 1,565 1,28E-03 0,92 9,017 67,33 0,453 8,564 5,03100 6,247 1,02E+00 1,020 1,18E-03 0,88 4,702 73,99 - - -100 6,247 9,90E-01 0,990 1,08E-03 0,89 4,641 67,1 0,450 4,191 9,70200 5,172 5,23E-01 0,523 8,40E-04 0,83 2,024 73,77 - - -200 5,172 5,26E-01 0,526 6,88E-04 0,86 2,106 65,57 0,430 1,676 20,41400 4,87 2,90E-01 0,290 4,92E-04 0,80 1,067 74,96 - - -400 4,87 3,14E-01 0,314 3,48E-04 0,86 1,230 66,16 0,438 0,793 35,58600 4,796 2,07E-01 0,207 3,40E-04 0,80 0,756 73,98 - - -600 4,796 2,36E-01 0,236 2,16E-04 0,87 0,936 65,2 0,425 0,511 45,42800 4,833 1,60E-01 0,160 2,62E-04 0,79 0,592 75,57 - - -800 4,833 2,02E-01 0,202 1,48E-04 0,88 0,824 66,56 0,443 0,381 53,741000 4,779 1,33E-01 0,133 2,14E-04 0,79 0,486 74,2 - - -1000 4,779 1,83E-01 0,183 1,10E-04 0,89 0,749 65,3 0,426 0,323 56,93Em abertoCarga de 10kΩAs perdas magnéticas em transformadores das tabelas 7, 8, 9 e 10 estãorepresentadas na figura 48.78

Figura 48 – Perdas Magnéticas em Transformadores com Núcleo de Chapas e Fe com 1%, 3%e 5% de HRJ-10236.Nos ensaios com transformadores, os compósitos Fe com 1%, 3% e 5% deHRJ-10236 apresentaram maiores perdas magnética em relação ao núcleo de chapas.Isso pode ser observado na figura 48, e com o incremento nos percentuais de resina asperdas foram mais acentuadas. No entanto, em frequências mais elevadas elasdecresceram exponencialmente, se tornando praticamente desprezíveis.79

5. CONCLUSÕESA metalurgia do pó é um processo que apresenta bons resultados na produçãode objetos, sendo uma técnica de fácil utilização para confecção dos mais variadosformatos de peças, haja vista as formas dos corpos de prova utilizados nestadissertação e também a facilidade em que se misturaram materiais metálicos e nãometálicos.A caracterização do compósito magnético de Fe com HRJ-10236, utilizando-sede técnicas de Metalurgia do pó tendo em vista que foram feitas as análises depropriedades mecânicas, metalográficas, magnéticas, perdas em transformadores esimulações em software de elementos finitos FEMM 4.2, demonstraram que o materialem questão pode ser utilizado na construção de uma máquina elétrica.Nos ensaios de perdas com transformadores os compósitos Fe e HRJ-10236apresentaram maiores perdas magnética em relação ao núcleo de chapas, e com oincremento nos percentuais de resina as perdas foram mais acentuadas. No entantoem freqüências mais elevadas elas decresceram exponencialmente, se tornandopraticamente desprezíveis. Levando em consideração estas observações é possível aconstrução de uma máquina elétrica que opere em frequências elevadas, tendopraticamente o mesmo rendimento que os motores convencionais. Ainda é possívelfazer alterações no projeto dos motores para que se possa melhorar ainda mais a suaeficiência.80

6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROSEstudo de novos compósitos com Fe puro ou ligados com outros metaisferrimagnéticos e diferentes tipos de resina, tanto termofixas como termoplástica, paraanálise de novos materiais.Produção de um motor para análise de seu desempenho, levando – se emconta a possibilidade de um novo projeto e características que se ajustem aoscompósitos estudados nesta dissertação.Estudo dos corpos de prova com os percentuais de HRJ-10236 de 8% e 10%,pois ao se efetuar a cura houve deformações físicas.Análise do compósito de Fe com os percentuais de HRJ-10236 destadissertação com pressões de compactação variadas para análise de suas propriedadesmagnéticas e físicas em diferentes densidades dos corpos de prova.81

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