ESTUDO DE MATERIAIS MAGNÉTICOS MACIOS
SINTERIZADOS PARA APLICAÇÃO EM SERVOMOTORES

Sergio
Deitos Bittencourt 1, Moisés de Mattos Dias 2, Vitor Caetano De
Almeida Zandoná 2, Monir
Goethel Borba 3, Eduardo Luis Schneider
3 José Carlos Krause de Verney
4, José Lesina Cézar 4, Luiz Carlos Gertz 4, Lirio Schaeffer 3

1- Faculdade
São Francisco de Assis

2- Universidade Feevale

3-
Universidade Federal do RS

4-
Universidade Luterana do Brasil

Resumo

Este
trabalho teve por objetivo o estudo de ligas sinterizadas a partir de Fe puro, FeP, FeSi e FeNi obtidas a partir do
processo da Metalurgia do Pó e sua aplicação em núcleos de rotor e estator de
servomotores, operando com corrente elétrica de armadura de alta freqüência,
reduzindo assim, nestas frequências, as correntes parasitas, as quais causam
perda de potência nestas máquinas. O estudo compreendeu obtenção de curvas de
histerese destas diversas ligas, ensaios para avaliação de perdas elétricas e
simulação em software de elementos finitos para obtenção de fluxo de entreferro
e conjugado eletromagnético (torque). Os estudos teóricos e simulações foram
realizados em um servomotor de topologia convencional e os testes foram
realizados comparativamente a servomotores com núcleos obtidos a partir de
chapas de aço laminadas. Nas simulações realizadas estaticamente, o torque
instantâneo e o fluxo magnético no núcleo de Fe1%P resultaram valores próximos
em relação às tradicionais chapas de aço laminadas. O núcleo de Fe1%P
apresentou torque instantâneo de 1,59 N.m e fluxo magnético de 1,70 T e o
núcleo de chapas de aço laminadas, respectivamente, 1,65 N.m
e 1,66 T.

Palavras-chave:
Metalurgia do Pó. Servomotores. Simulação por elementos finitos.

STUDY
OF SINTERIZED SOFT MAGNETIC MATERIALS FOR APPLICATION ON SERVOMOTORS

ABSTRACT

This work aimed to study sintered alloys from pure Fe,
FeP, FeSi and FeNi obtained by Powder Metallurgy process, and its
application in rotor and stator cores of servomotors, operating with armature
electric current in high frequency, thus reducing, in
these frequencies, eddy currents, which cause loss of power in these machines.
The study comprised obtaining hysteresis curves from these different alloys,
tests to evaluate electrical losses and simulation in finite element software
to obtain airflow and electromagnetic conjugate (torque). Theoretical studies
and simulations were performed on a conventional topology of servomotor, and
the tests were carried out comparatively to servomotors with cores obtained
from rolled steel sheets. In the simulations performed statically, the
instantaneous torque and the magnetic flux in the Fe1%P core resulted close
values ​​in relation to the traditional laminated steel sheets. The
Fe1%P core had an instantaneous torque of 1.59 N.m
and a magnetic flux of 1.70 T and the core of rolled steel sheets,
respectively, 1.65 N.m and 1.66 T.

Keywords: Powder Metallurgy. Servomotors.
Finite Element Simulation.

1 INTRODUÇÃO

As
máquinas elétricas rotativas podem funcionar como motor ou gerador, e possuem
duas partes básicas que são os núcleos do estator e rotor. Estes, com raras
exceções, são construídos a partir de finas lâminas metálicas (chapas de aço
baixo carbono) com espessura menor que 1 mm, agrupadas em pacotes de chapas.
Algumas máquinas de melhor desempenho, como os geradores e motores de alto
rendimento, são construídas com chapas de aço-silício, com percentual de
aproximadamente 3% de silício. O processo para confecção destes núcleos
consiste basicamente em laminação, estampagem, tratamento térmico para isolação
elétrica entre as chapas adjacentes, empacotamento e fixação [1, 2].

Os
núcleos do rotor e estator são envolvidos por enrolamentos de campo e armadura
respectivamente, onde os enrolamentos de campo são alimentados por corrente
elétrica contínua e os enrolamentos de armadura são alimentados por corrente
elétrica alternada trifásica ou polifásica. Em algumas máquinas os enrolamentos
de campo são substituídos por ímãs permanentes, tipicamente o NdFeB. Núcleos magnéticos envolvidos por enrolamentos
alimentados por corrente elétrica alternada ficam sujeitos a ação de correntes
parasitas, também conhecidas por correntes de Foucault, que são responsáveis
por apreciável perda de potência nestes núcleos. A construção destes a partir
de chapas de aço isoladas eletricamente reduz parcialmente as correntes
parasitas, reduzindo as perdas por correntes de Foucault [1, 2].

Uma alternativa consiste na utilização dos processos
da Metalurgia do Pó (M/P). Através deste método é possível construir núcleos em
blocos maciços únicos, com elevada permeabilidade magnética e alta
resistividade elétrica [3, 4]. Na medida em que for possível construir motores
elétricos em blocos únicos e maciços, estarão presentes menos etapas na
construção dos mesmos e menos energia será consumida na produção dos motores. Deve
ser salientado, todavia, que os motores elétricos convencionais com núcleos de
chapas laminadas, via de regra, apresentam rendimento significativamente maior
se comparado a motores elétricos com núcleos maciços, mesmo aqueles obtidos a
partir dos processos da Metalurgia do Pó. Deste modo, a aplicação da M/P em
núcleos de máquinas elétricas fica restrita a motores elétricos especiais, onde
o rendimento não é o critério mais importante, ou, em alguns servomotores, em
que os enrolamentos de armadura são alimentados com corrente elétrica de
frequência elevada podendo atingir até 600 Hz. Salienta-se que a partir dos 400
Hz de frequência de corrente elétrica, os núcleos magnéticos obtidos a partir
dos processos da Metalurgia do Pó apresentam rendimento similar aos núcleos de
chapas laminadas, podendo até mesmo atingir desempenho superior [3, 4].

A
aplicação da M/P em máquinas elétricas rotativas estende-se desde o uso de
ligas sinterizadas convencionais a partir de ferro e outros elementos de liga
como o P, Si e Ni, compósitos como Ferro-Resina, Microencapsulados
e materiais a partir da MPI (Moldagem de Pós por Injeção), entre outros. Com
relação a M/P convencional, citam-se máquinas síncronas trifásicas para uso em
Geradores Trifásicos e Aerogeradores [5-7], Motor de Indução Trifásico [8], Motor
de Corrente Contínua [9, 10], Motor para Aeromodelo [11], Servomotor [12],
Motor de Passo [13, 14], Motor de Relutância [15]. Relativo a Materiais Compósitos,
cita-se a construção de um servomotor a partir
de ferro-resina [16]. Através da MPI, citam-se mini motores injetados para
endoscopia [17, 18]. Em relação aos microencapsulados, cita-se um motor de
corrente construído a partir da liga comercial Somaloy
700 3P e 700 1P [19].

Nas
pesquisas de materiais podem ser citados os trabalhos sobre a influência da Mecano Síntese nas propriedades magnéticas de ligas
sinterizadas Fe-Si [20] e sobre a influência do teor de resinas (em compósitos
ferro-resina) nas propriedades físicas de materiais para uso em dispositivos
eletromagnéticos [21].

2
NÚCLEOS DE MOTORES ELÉTRICOS A PARTIR DE PÓS METÁLICOS

2.1 Processos da Metalurgia do Pó e
suas Variações

Alguns
tipos de motores elétricos especiais possuem os núcleos do rotor e estator
obtidos a partir de pós metálicos, utilizando-se os processos da Metalurgia do Pó
ou de suas variações.

Metalurgia do Pó Convencional:
a M/P é um processo da metalurgia de
transformação onde as peças são obtidas a partir dos pós constituintes. Os
processos básicos são obtenção
dos pós, mistura, compactação e sinterização. Às vezes é necessária uma quinta
etapa, como a retificação. Na M/P os pós, depois de serem misturados, são
compactados em matrizes onde adquirem a forma da cavidade da matriz. Após, são
colocados em fornos para sinterização onde adquirem consistência e resistência
mecânica [22].

Materiais Microencapsulados:
Soft
Magnetic Composites Materials ou
simplesmente SMCs são basicamente partículas de pó
ferromagnético revestidas por filme isolante elétrico como polímeros e óxidos.
Componentes SMCs são produzidos utilizando técnicas
tradicionais de Metalurgia do Pó. O processo de produção desses componentes, em
linhas gerais, consiste em compactação e posterior tratamento térmico para cura
da resina ou consolidação [23].

2.2 Propriedades físicas de interesse
de materiais para núcleos de motores elétricos

As
propriedades físicas de interesse para uso de um determinado material e
processo em núcleos de máquinas elétricas rotativas ou motores elétricos estão
relacionadas a seguir [1, 2].

·
Propriedades Magnéticas (coercitividade,
permeabilidade, indução de saturação).

·
Resistividade Elétrica.

·
Propriedades mecânicas (dureza ou
ductilidade).

Com
relação às propriedades magnéticas, os materiais a serem utilizados em núcleos
de máquinas elétricas devem possuir [1, 2]:

·
elevada permeabilidade magnética, o que
reduz a relutância do circuito magnético dos núcleos de ferro, concentrando
todo o campo magnético no entreferro;

·
elevada indução de saturação, o que
possibilita trabalhar com maior fluxo magnético, resultando em maior torque na
ponta de eixo;

·
baixa coercitividade, o que reduz as
perdas por ciclo de histerese.

A
resistividade elétrica deve possuir o maior valor possível para minimizar o
efeito das correntes parasitas. Sempre que existe a incidência de um fluxo
alternado sobre um núcleo magnético, haverá também correntes induzidas
(correntes parasitas ou de Foucault) sobre este núcleo. Tanto o estator como o
rotor são construídos com chapas laminadas e isoladas, uma vez que esta
isolação entre chapas restringe as correntes induzidas a uma menor área de
circulação. As perdas por correntes parasitas em um núcleo maciço são
consideravelmente maiores que as perdas em núcleos obtidos a partir de chapas
isoladas eletricamente. Quanto menor a espessura das chapas, menor são as
correntes parasitas e menor a perda de potência nestes núcleos. A redução das
correntes induzidas também pode ser obtida a partir do aumento da resistência
elétrica do corpo, ou a partir do aumento da resistividade elétrica do
material, uma vez que resistência ou resistividade e corrente elétrica são
grandezas físicas inversamente proporcionais. Por este motivo, motores
elétricos de alto rendimento são construídos com chapas de aço silício, que
possui resistividade elétrica maior que o aço baixo carbono [1, 2].

Com
relação às propriedades mecânicas, materiais possíveis de serem utilizados em
núcleos de máquinas elétricas devem suportar os esforços causados pelo torque
resistivo da carga e vibrações, entre outros. Assim, devem ser realizados
ensaios de dureza ou ductilidade, curva de compressão x deformação ou curva de
escoamento e avaliação de microestrutura [1, 2].

O
material utilizado na construção dos núcleos do estator e do rotor devem
apresentar as propriedades resumidas a seguir [1, 2].

·
Elevada Permeabilidade Magnética Relativa.

·
Baixa Coercitividade Magnética.

·
Elevada Resistividade Elétrica.

·
Elevada Indução de Saturação.

·
Dureza e/ou Ductilidade compatíveis com as
vibrações as quais o motor é submetido.

2.3 Fatores que
influenciam nas Propriedades Físicas de Materiais Sinterizados

As propriedades físicas dos materiais
obtidos por M/P convencional ou MPI (ou MIM) como, por exemplo, as magnéticas e
elétricas, são influenciadas por vários fatores. Os considerados de maior importância
no desenvolvimento deste trabalho estão abordados a seguir.

·
A resistividade de um elemento metálico geralmente
aumenta quando são adicionadas impurezas, uma vez que estas provocam distorções
no reticulado cristalino. Por este motivo, ocorre um aumento da resistividade
do ferro sinterizado quando elementos como o Si, P ou Ni
são adicionados [24].

·
A maioria dos materiais metálicos ferrosos
obtidos a partir da M/P ou MIM possuem resistividade elétrica maior do que
materiais maciços de mesma composição química, devido, principalmente, à
porosidade e à oxidação superficial das partículas [25]. Com o aumento da
porosidade, ocorre a diminuição da permeabilidade magnética, a diminuição da
indução de saturação e o aumento da coercitividade [26].

·
A resistividade elétrica para a maioria
das ligas metálicas também é função do tamanho de grão. Quanto menor o tamanho
de grão, maior a quantidade de contornos de grãos, que também provocam
distúrbios na rede cristalina, aumentando a resistividade. Entretanto, a diminuição
do tamanho de grão causa decréscimo da permeabilidade magnética e aumento da
coercitividade [27].

·
O aumento da granulometria do pó aumenta a
permeabilidade magnética mas aumenta também a
coercitividade [28].
Além disto, outros fatores como tempo, temperatura e atmosfera de sinterização
alteram as propriedades físicas [25].

·
Impurezas como carbono, nitrogênio e
oxigênio afetam as propriedades magnéticas das ligas de ferro sinterizadas.
Quando o objetivo é a obtenção de materiais magnéticos de boas propriedades, é
conveniente que os percentuais destas impurezas sejam mantidos nos seguintes
níveis: Carbono: 0,01% máximo, Oxigênio: 0,02% máximo, Nitrogênio: 0,01% máximo
[29].

Os
materiais sinterizados mais utilizados são listados a seguir [29-31].

·
Ferro Puro.

·
Ligas Ferro-Cobalto.

·
Ligas Ferro-Fósforo.

·
Ligas Ferro-Silício e ligas Ferro-Fósforo-Silício.

·
Aços Inoxidáveis Ferríticos.

·
Ligas Ferro-Níquel.

2.4 Servomotores

O servomotor é uma máquina elétrica síncrona rotativa que possui
algum tipo de controle de velocidade e posição angular, a partir de sensores
como o encoder e o resolver. Um tipo comum de servomotor possui enrolamentos no estator
alimentados com corrente alternada e ímãs permanentes no rotor, como o Nd-Fe-B. Portanto, um Servo Acionamento é composto
de um motor e de um conversor de frequência para controle e acionamento do
motor [32, 33].

Estes
motores são utilizados em aplicações industriais, onde, elevada dinâmica,
controle de torque, precisão de velocidade e posicionamento são fatores
decisivos para o aumento da qualidade e produtividade. Possuem todas estas
características aliadas a um baixo custo, elevada performance e robustez [32, 33].

2.5 Simulação por
Software de Elementos Finitos

Os resultados das interações
eletromagnéticas de uma máquina elétrica rotativa podem ser obtidos através de
simulações em software de elementos finitos FEMM 4.2 (Finite
Element Method Magnetics). A metodologia de elementos finitos tem como
objetivo a solução de equações diferenciais para uma diversidade de entradas. O
objetivo principal é dividir o problema em um grande número de regiões, cada um
com uma geometria simples (e.g. triângulo). Em cada elemento, a solução é
aproximada através de uma interpolação dos valores de cada vértice do triangulo
[34].

Através do FEMM 4.2 é possível verificar
dados importantes tais como o torque momentâneo da máquina elétrica, o fluxo
concatenado em cada bobina e as perdas por corrente de Foucault. O conhecimento
destes resultados permite ao projetista verificar a eficiência do motor e as
propriedades que devem ser aprimoradas para atingir o ponto ideal de trabalho.

3
MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 Formulação e características dos materiais utilizados

O estudo foi realizado
a partir de ligas sinterizadas, obtidas a partir de pós de ferro misturado ao
fósforo, silício e níquel, adquiridos da Höganas Brasil Ltda.
Conforme certificado do fabricante, o pó de ferro utilizado foi o ASC100.29,
com 99,4% da granulometria entre 45 μm e 150 μm. O pó Fe3P (84% de
Fe, 16% de P) apresenta 90% de sua dimensão abaixo de 14,58 μm.
O pó FeSi 45 (55% de Fe e 45% de Si) tem 87% de seu
conteúdo entre 45 μm e 250 μm
e o pó de níquel apresenta granulometria mínima de 3 μm e
máxima de 7 μm. O pó de ferro foi misturado com
fósforo (1, 2 e 3%), silício (1, 3 e 5%) e níquel (50%) em um misturador duplo
cone, com rotação de 60 rpm durante 20 minutos, para dispersão dos
constituintes. Também foi adicionado às misturas 1% de lubrificante sólido a
base de estearato de zinco.

3.2. Corpos de Prova

Os
corpos de prova foram definidos na forma de anel para análise das propriedades
eletromagnéticas, na forma de cilindro para análise das propriedades mecânicas
e estruturais e na forma de núcleos de transformadores para avaliação das
perdas magnéticas em função da frequência.

A
figura 1 apresenta um exemplo de corpo de prova na forma de anel, em que as amostras
foram utilizadas para medição das propriedades magnéticas e resistividade
elétrica.

(a)                                              (b)

Figura 1 –
Amostras na forma de anel – (a) Matriz – (b) Corpo de Prova
[35]

A
figura 2 mostra um exemplo de corpo de prova na forma de cilindro, em que as amostras
foram empregadas para avaliação das propriedades mecânicas e micrografia.

(a)                                      (b)

Figura
2 – Amostras na forma de cilindro – (a)
Matriz – (b) Corpo de Prova [35]

Os corpos de prova que formam um Núcleo de Transformador são
apresentados na figura 3. As amostras foram utilizadas para medir as perdas
magnéticas do núcleo.

(a)                                    (b)                             (c)

Figura 3 – Amostras na
forma de núcleo de transformador – (a) Matriz Núcleo E – (b) Matriz Núcleo T –
(c) Corpos de Prova [35]

O processo de obtenção dos corpos de prova consistiu da mistura
dos pós, compactação e sinterização. A compactação foi realizada em uma prensa
hidráulica da marca EKA com capacidade de 40 toneladas. Utilizou-se pressão de
compactação de 600 MPa. A sinterização foi realizada em forno
tubular tipo mufla, com atmosfera controlada (pressão atmosférica) e gás verde (5%
de Hidrogênio e o restante de Nitrogênio). Utilizou-se uma taxa de aquecimento
de 15oC por minuto até a temperatura de 500oC, onde as
peças permanecem por 30 minutos para retirada do lubrificante sólido (estearato
de zinco). A seguir, a temperatura é elevada para 1.120oC onde
ocorre a sinterização, permanecendo nesta temperatura por 30 minutos. Após, as peças permanecem no forno para resfriamento lento
até a temperatura ambiente.

3.2 Obtenção das propriedades físicas

As
propriedades magnéticas foram obtidas a partir das curvas magnéticas (laço de
histerese e curva de magnetização), que relacionam campo magnético H aplicado a um material com a indução
magnética B resultante. A partir do
laço de histerese foram obtidas a retentividade e a
coercitividade. A partir da curva de magnetização foram obtidas a permeabilidade
magnética e a indução de saturação ou indução máxima [36]. A determinação das propriedades
magnéticas básicas dos materiais na forma de anel (toróide)
segue a norma ASTM A773 [37]. As curvas magnéticas foram obtidas a partir de um
dispositivo modelo TLMP-TCH-14.

A
determinação da resistividade do material foi determinada a partir do cálculo
da resistência elétrica. Para medir a resistência elétrica, emprega-se um dispositivo
denominado de multímetro, que mede diretamente a resistência elétrica do corpo.
Entretanto, para medição de resistência elétrica muito baixa, aplica-se uma
tensão no corpo de prova e mede-se a corrente elétrica. Portanto, o corpo de
prova para determinação da resistividade deve ter a forma de uma barra fina e
comprida. Um artifício é a utilização de um anel cortando-se um segmento do
mesmo, fazendo que este tenha a forma de uma barra curvada, ou seja de grande
comprimento e pequena área de seção transversal.

Para
avaliação da resistência à vibração de um material a ser utilizado em uma
máquina elétrica rotativa foram realizados ensaios mecânicos nos corpos de
prova. Os ensaios de dureza foram realizados em um durômetro
segundo a norma ASTM E10 [38]. Os ensaios de
compressão foram realizados em uma máquina de ensaios universal Emic DL20000, onde se utilizou velocidades de 2,0 mm/min,
segundo a norma ASTM E9 [39].

3.3 Perdas Magnéticas

As perdas magnéticas foram determinadas a partir de corpos de
prova na forma de núcleos E e T idênticos a núcleos
de transformadores de tensão elétrica convencionais, com mesmas dimensões e
mesmos enrolamentos. Assim, as perdas magnéticas foram obtidas de forma similar
às perdas em um transformador convencional com núcleo de chapas laminadas [1,
2].

Os
núcleos nas geometrias E e T foram submetidos a processos
de retificação de maneira a resultarem nas mesmas dimensões de um núcleo de
transformador elétrico convencional (figura 4-a). A seguir, os núcleos foram
bobinados na forma típica de transformadores de tensão elétrica, com bobinas do
enrolamento primário e secundário. A figura 4-b apresenta os transformadores
montados obtidos por M/P e chapas.

(a)                                         (b)

Figura
4 – Transformadores – (a) Núcleos por
M/P (esquerda) e de Chapas (direita) - (b) Bobinados e montados por M/P
(direita) e de Chapas (esquerda) [35]

Salienta-se
que este trabalho tomou como base um transformador comercial convencional, de
baixa tensão e potência. Para o estudo comparativo, optou-se por construir os
núcleos dos transformadores com geometria e dimensões próximas às do
convencional. Assim, os enrolamentos utilizados nos transformadores
desenvolvidos foram os mesmos enrolamentos do transformador convencional, onde
este foi desmontado e retirado o carretel onde se encontravam as bobinas. Este
procedimento foi utilizado para que fosse possível uma análise comparativa do
transformador convencional e os desenvolvidos.

O enrolamento no lado de alta tensão foi dimensionado para operar
com tensão de 127 Vrms, e o enrolamento de baixa
tensão foi dimensionado para operar com tensão de 12 Vrms,
considerando o núcleo de chapas convencionais. Os ensaios foram realizados
utilizando-se uma fonte de tensão elétrica alternada com variação de amplitude
e frequência. Foi utilizada uma faixa de frequência de 50 Hz a 1 kHz. Os
enrolamentos do lado de baixa tensão foram alimentados com uma tensão próxima
dos 6 Vrms (metade da tensão nominal do enrolamento),
mantendo-se o enrolamento do lado de alta tensão em aberto, e variou-se a
amplitude do lado de baixa tensão até o lado de alta tensão atingir 75 Vrms. Desta forma, garante-se que a tensão induzida no
secundário (lado de alta tensão) permanece constante para os núcleos estudados.
Após, mediu-se a potência fornecida pela fonte e descontou-se as perdas no
enrolamento. A potência resultante está relacionada diretamente com as perdas
nos núcleos por correntes parasitas e ciclo de histerese. Posteriormente, foi
colocada uma carga na saída do transformador, e, portanto,
nesta configuração para a determinação das perdas magnéticas nos núcleos,
deve-se descontar a potência dissipada na carga e a perda nos enrolamentos do
secundário. Devido à analogia intrínseca entre o funcionamento de máquinas
elétricas rotativas e transformadores, os mesmos ensaios podem ser estendidos a
núcleos de motores elétricos.

3.4 Topologia do Servomotor e Simulações

Para
a realização das simulações, optou-se pelo servomotor SWA - 40 da WEG Motores. A mesma topologia foi utilizada
nas simulações com chapas e com núcleo do estator e rotor a partir de material
sinterizado (figura 5). Os materiais obtidos por Metalurgia do Pó tiveram suas
propriedades magnéticas inseridas no software de elementos finitos (FEMM 4.2.),
desta forma, realizou-se comparação de desempenho com o servomotor original. A tabela
1 mostra as características do servomotor simulado [33].

Figura 5 – Núcleo
introduzido no FEMM 4.2 [35]

Tabela
1 – Características do servomotor
simulado

Rotação Nominal

3000

Rpm

Torque

1,6

Nm

Pólos

8

Potência

400

W

Tensão

230

V

A simulação foi efetuada a partir do projeto dimensional do motor.
No estator, foi utilizada a metodologia de bobinagem em série para um motor de
oito polos, sendo 42 espiras com fio AWG 20 por ranhura do estator. A corrente
nominal utilizada, conforme dados do motor, foi de 2A. No rotor, os ímãs foram dispostos,
alternadamente, em relação as suas polaridades. As propriedades das ligas utilizadas nas
simulações foram obtidas através das curvas de magnetização dos
materiais sinterizados e estes dados foram introduzidos no software FEMM 4.2.

As simulações realizadas mostraram, como exemplo, as linhas de
campo expostas na figura 6-a para o núcleo de chapas e figura 6-b para o núcleo
de Fe1%P sinterizado. A figura 6-c apresenta a legenda com os respectivos
valores dos componentes de densidade de campo B [T].

(a)                                            (b)                                    (c)

Figura 6 – (a) Fluxo magnético no motor com material laminado; (b) Fluxo
magnético no motor com a liga Fe1%P sinterizado; (c) Legenda da intensidade de
campo em “a” e “b” [35]

4
RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1
Propriedades Magnéticas e Resistividade Elétrica dos Corpos de Prova

A figura 7 mostra as curvas de magnetização do ferro puro
sinterizado e das ligas misturadas com fósforo (1, 2 e 3%), silício (1, 3 e 5%)
e níquel (50%). A figura 8 apresenta os laços de histerese do ferro puro
sinterizado e dos resultados mais significativos em cada liga.

A partir da figura 8 pode-se observar que os laços para a liga
Fe50%Ni exibiram menores coercitividade e perdas por histerese (área interna da
curva) que os demais materiais sinterizados. Porém, esta liga apresentou menor
indução de saturação, propriedade de grande importância para aplicação destes
materiais em núcleos de maquinas elétricas. Salienta-se que a curva de
histerese do Fe puro possui características semelhantes ao ferro baixo carbono,
material típico empregado em pacotes de chapas laminadas, utilizados na
construção de núcleos de máquinas elétricas rotativas convencionais. O Fe1%P
apresentou maior indução máxima, menores perdas por histerese e coercitividade
em relação ao Fe puro.

Figura 7 – Curvas de
magnetização das ligas sinterizadas [35]

Figura 8 – Laço de Histerese
com os Materiais Estudados [35]

A tabela 2 apresenta os resultados da resistividade elétrica e das
propriedades magnéticas (corpos de prova na forma de anel) e das propriedades
mecânicas (corpos de prova na forma cilíndrica). Os valores indicados são a
média de três corpos de prova.

A resistividade aumentou
com a adição de P, Si, e Ni no Fe, pois estes
acréscimos provocam distorções no reticulado cristalino [40, 41]. O Fe puro
apresentou resistividade de 1,57E-07 Ω.m,
contra 4,82E-07 Ω.m da
liga Fe5%Si. A maior resistividade foi obtida na liga Fe5%Si, pois o silício
durante o processo de sinterização não se densifica homogeneamente
no ferro, quando o percentual é maior do que 3%. A substituição dos grãos de ferrita pelo Si aumenta a imperfeição
na rede cristalina e eleva a resistividade [42-44]. As elevadas resistividades
apresentadas no ensaio com os materiais magnéticos macios são fundamentais para
o uso em núcleo de máquinas elétricas rotativas, uma vez que, desta maneira,
reduz-se as correntes parasitas. Também são fundamentais valores elevados de
permeabilidade magnética relativa e indução de saturação, obtidos nos ensaios
de histerese [29, 45, 46].

Tabela 2 – Propriedades
elétricas e magnéticas

Liga

ρ

[µΩ.m]

Br

[T]

Hc

[A/m]

µrmax

Bsat.[T]

Ph
[W/kg]

D

[HB]

se
[kgf/mm2]

ρm

[g/cm3]

Fe Puro

0,157

0,90

448,2

1.852

1,19

0,0160

52,07

13,99

6,632

Fe1%P

0,197

0,96

215,8

2.766

1,25

0,0085

124,5

14,79

6,712

Fe2%P

0,358

1,00

207,9

4.198

1,36

0,0077

202,4

12,64

6,874

Fe3%P

0,421

0,50

210,7

919

0,98

0,0059

242,9

11,99

7,003

Fe1%Si

0,276

0,71

246,3

1.959

1,03

0,0075

64,5

14,93

6,697

Fe3%Si

0,444

0,48

225,4

1.258

0,85

0,0060

73,2

15,99

6,732

Fe5%Si

0,482

0,30

216,3

493

0,67

0,0044

101,9

17,24

6,762

Fe50%Ni

0,371

0,22

112,1

945

0,93

0,0035

101

16,49

7,251

Onde
ρ é a Resistividade Elétrica, Br a Retentividade, Hc a Coercitividade, µr a Permeabilidade Magnética Relativa, Bsat
a Indução de Saturação a 6 KA/m, Ph
as perdas por ciclo de histerese, D
a dureza, se
a tensão de escoamento e ρm a densidade.

A
maior Tensão de Escoamento resultou em 172,4
MPa para a liga Fe-50%Ni, considerando a média obtida de três ensaios em três
corpos de prova diferentes. O aço 1008 apresenta tensão de escoamento média de 170 MPa [47].

A
menor dureza média obtida foi de 52,07 HRB para o ferro puro, considerando
a média obtida de três ensaios em três corpos de prova diferentes. Aço AISI
1008 possui dureza de 48 HRB [47].

Portanto,
com relação às propriedades mecânicas, as ligas estudadas apresentam valores
próximos ao aço 1008, utilizado na construção dos núcleos da maioria das
máquinas elétricas rotativas, com exceção das ligas Fe-P, as quais aumentam
consideravelmente a dura com o acréscimo de ferro [1,2].

4.2
Resultados das Perdas

A figura 9 apresenta as perdas em Watts para frequências de 60 Hz
a 1 kHz, relativas aos corpos de prova na forma de transformadores, com núcleos
de chapas e núcleos de ferro puro sinterizado e das ligas misturadas com
fósforo (1, 2 e 3%), silício (1, 3 e 5%) e níquel (50%). Nesta figura pode-se
observar que, enquanto as perdas magnéticas nos núcleos de chapas permanecem
constantes em função da frequência, as perdas nos núcleos sinterizados diminuem
como uma exponencial decrescente tendo a se estabilizar próximo dos 400 Hz.

Figura 9 – Perdas Magnéticas em Corpos de Prova na forma de Transformadores com
Núcleo de Chapas e Sinterizados [35]

Cita-se
que um motor para aeromodelismo com estator construído a partir da liga sinterizada Fe1%P para frequências relativamente baixas (1.290
rpm) atingiu um rendimento de 45,7 %, contudo, para frequências maiores (5.720
rpm), alcançou um rendimento de 72,7%, percentuais estes relacionados ao motor
original, ou seja, construído a partir de chapas de aço laminadas [24]. Tal
fato justifica o uso de materiais a partir dos processos da Metalurgia do Pó e
suas variações somente para certas partes das máquinas ou para o uso em altas frequências,
como no caso de servomotores.

4.3
Resultados das Simulações

Foram obtidos os resultados de torque e os picos da densidade de
fluxo magnético no interior do motor (figura 10).

Figura
10 – Comparativo entre Torque (N.m)
Densidade de fluxo magnético máximo (T) das ligas estudadas

Nas simulações realizadas estaticamente, o torque instantâneo e o
fluxo magnético no núcleo de Fe1%P resultaram valores próximos em relação às
tradicionais chapas de aço laminadas. O núcleo de Fe1%P apresentou torque
instantâneo de 1,59 N.m e fluxo magnético de 1,70 T e o núcleo de chapas de aço
laminadas, respectivamente, 1,65 N.m e 1,66 T. Isto se deve à baixa coercitividade e aos valores elevados de
permeabilidade magnética, indução de saturação e resistividade elétrica
encontrados nos ensaios magnéticos e elétricos dos materiais sinterizados [45].

5
CONCLUSÕES

A adição de fósforo, silício e níquel no ferro aumentou
consideravelmente a resistividade elétrica dos materiais magnéticos macios,
sendo um fator preponderante na redução de perdas magnéticas. A redução das
correntes induzidas pode ser interpretada como um aumento da resistência
elétrica do corpo, uma vez que são grandezas físicas inversamente
proporcionais. Este efeito de redução das correntes induzidas também pode ser
obtido com o aumento da resistividade elétrica do material. Portanto, quanto
maior a resistividade do material, menores serão as correntes induzidas e as
perdas por correntes parasitas.

Nas simulações realizadas estaticamente, o torque instantâneo e o
fluxo magnético no núcleo de Fe1%P resultaram valores próximos em relação aos
das tradicionais chapas de aço laminadas. A equivalência entre os resultados
obtidos ocorre em razão dos valores elevados de permeabilidade magnética,
indução de saturação e resistividade elétrica, assim como a baixa
coercitividade apresentada nos ensaios magnéticos e elétricos.

Os ensaios de perdas magnéticas nos materiais sinterizados
apresentaram resultados equivalentes aos das chapas laminadas em frequências
elevadas. A liga Fe1%P foi a que apresentou o melhor conjunto de propriedades
magnéticas, elétricas e mecânicas entre as ligas estudadas. Desta forma, pode
ser aplicada em casos específicos, como em motores de elevada frequência, minimotores e em servomotores, demonstrando, assim, a
capacidade da M/P como alternativa aos processos atuais de fabricação de
núcleos magnéticos de motores elétricos, com obtenção de menores custos e redução
de etapas de fabricação.

Importante salientar que as curvas de histerese foram traçadas em frequências
baixas, ou praticamente nível DC. Salienta-se, também, que a simulação de
torque resulta em valores instantâneos para uma determinada posição relativa
entre o alinhamento dos núcleos de rotor e estator, sem considerar a frequência
de giro do rotor ou a frequência da corrente elétrica que alimenta os
enrolamentos de armadura. Por este motivo, foram muito importantes para este estudo
os ensaios de perdas em núcleos magnéticos na forma de transformadores, que
possuem funcionamento análogo a núcleo de motores elétricos. Pode-se verificar,
nestes ensaios, que a partir dos 500 Hz de frequência para a corrente elétrica,
mantendo-se constante a tensão induzida, as perdas nos núcleos dos materiais
sinterizados estudados aproximam-se das perdas em núcleos de chapas laminadas.
Observa-se que, enquanto as perdas em núcleos de chapas permanecem constantes
com o aumento da frequência, as perdas nos núcleos de materiais magnéticos
macios decaem exponencialmente até os 400 Hz. Esta característica, importante
de núcleos sinterizados, permite sua aplicação em determinados tipos de
máquinas elétricas rotativas. Exemplos são alguns servomotores, que são
acionados por correntes elétricas de frequências próximas ou superiores aos 400
Hz, e em geradores com elevado número de polos.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem aos financiadores FINEP, FAPERGS, CNPq.

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