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Coupled electromagnetic and thermal analysis of electric machines

O presente trabalho é resultado de um convênio de dupla diplomação com o Instituto Politécnico de Bragança (Portugal).

Autor principal:	Mendes, Gabriel Dias
Formato:	Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação)
Idioma:	Inglês
Publicado em:	Instituto Politécnico de Bragança 2021
Assuntos:	Método dos elementos finitos Máquinas elétricas Transformadores elétricos Finite element method Electric machinery Electric transformers CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::SISTEMAS ELETRICOS DE POTENCIA::MAQUINAS ELETRICAS E DISPOSITIVOS DE POTENCIA
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/26214
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id	riut-1-26214
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spelling	riut-1-262142021-10-23T06:05:49Z Coupled electromagnetic and thermal analysis of electric machines Análise dos modelos térmico e magnético acoplados aplicada a um transformador Mendes, Gabriel Dias Miotto, Ednei Luiz Ferreira, Ângela Paula Barbosa de Silva Gonçalves, José Alexandre de Carvalho Carvalho, José Augusto Ferreira, Ângela Paula Barbosa de Silva Método dos elementos finitos Máquinas elétricas Transformadores elétricos Finite element method Electric machinery Electric transformers CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::SISTEMAS ELETRICOS DE POTENCIA::MAQUINAS ELETRICAS E DISPOSITIVOS DE POTENCIA O presente trabalho é resultado de um convênio de dupla diplomação com o Instituto Politécnico de Bragança (Portugal). The actual trend of the design process of electric machines is oriented to specific requirements of the application and is no longer based in a standard structure. From this point of view, the design procedure of electric machines became a multidisciplinary process, involving electromagnetic, thermal, and mechanical modelling in a highly iterative process between the different physics fields. This dissertation deals with the design process of electric machines, proposing a coupling methodology for the electromagnetic and thermal models which are interrelated. The electromagnetic model establishes the main losses in electric machines: iron and resistive losses. These losses are, in turn, the main heat sources, responsible for heating and temperature distribution, i.e., the object of the thermal analysis, which affects recursively the losses, due to parameter’ dependency on temperature. Also, the machine temperature is crucial to maintain the lifetime of the machine. So, the coupled analysis is mandatory to achieve the nowadays requirements of higher energy efficiency and power density and cost reduction. Also, the coupled analysis enables optimization without the need to build several prototypes, making this process more time and cost-efficiency. Despite the temperature importance in electric machines, the thermal model was overlooked over the years. However, it has been receiving more attention in the past years. In this work, the thermal modelling process is handled analytically and numerically through finite element analysis (FEA), which is also used to obtain the electromagnetic model. The modelling processes detailed during this work are applied into a study case of a single-phase transformer with the rated power of 1 kW. The numerical models were developed in the Ansys software suite, being the electromagnetic model developed in Ansys Maxwell while the thermal model has developed in Ansys Mechanical. At last, the coupling between the electromagnetic and thermal models was accomplished in Ansys Workbench. The results obtained from the models are compared and validated with the experimental measurements of the losses and temperatures. A tendência atual do processo de projeto de máquinas elétricas é orientada para requisitos específicos de sua aplicação e não é mais baseada em uma estrutura padrão. Deste ponto de vista, o procedimento de projeto de máquinas elétricas tornou-se um processo multidisciplinar, envolvendo modelagem eletromagnética, térmica e mecânica em um processo altamente iterativo entre os diferentes campos da física. Esta dissertação trata do processo de projeto de máquinas elétricas, propondo uma metodologia de acoplamento dos modelos eletromagnético e térmico que se interrelacionam. O modelo eletromagnético estabelece as principais perdas em máquinas elétricas: perdas de ferro e resistivas. Essas perdas são, por sua vez, as principais fontes de calor, responsáveis pelo aquecimento e distribuição de temperatura, ou seja, o objeto da análise térmica, que afeta recursivamente as perdas, pois os parâmetros são dependentes da temperatura. Além disso, a temperatura da máquina é crucial para manter a vida útil da máquina. Assim, a análise acoplada é obrigatória para atender aos requisitos atuais de maior eficiência energética e densidade de potência e redução de custos.Além disso, a análise acoplada possibilita a otimização sem a necessidade de construção de vários protótipos, tornando este processo mais eficiente em termos de tempo e custos. Apesar da importância da temperatura nas máquinas elétricas, o modelo térmico foi negligenciado ao longo dos anos. No entanto, tem recebido mais atenção nos últimos anos. Neste trabalho, o processo de modelagem térmica é tratado analiticamente e numericamente por meio da análise de elementos finitos (FEA), que também é utilizada para obter o modelo eletromagnético. Os processos de modelagem detalhados durante este trabalho são aplicados em um estudo de caso de um transformador monofásico com potência nominal de 1 kW. Os modelos numéricos foram desenvolvidos no pacote de software Ansys, sendo o modelo eletromagnético desenvolvido no Ansys Maxwell enquanto o modelo térmico foi desenvolvido no Ansys Mechanical. Por fim, o acoplamento entre os modelos eletromagnético e térmico foi realizado no Ansys Workbench. Os resultados obtidos com os modelos são comparados e validados com as medições experimentais das perdas e temperaturas. 2021-10-22T20:58:40Z 2021-10-22T20:58:40Z 2020-11-18 bachelorThesis MENDES, Gabriel Dias. Coupled electromagnetic and thermal analysis of electric machines. 2020. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Eletrônica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Toledo, 2020. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/26214 eng openAccess application/pdf Instituto Politécnico de Bragança Toledo Brasil Engenharia Eletrônica IPB
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Coupled electromagnetic and thermal analysis of electric machines

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