Configuração de Aços Elétricos com Grãos Orientados em Núcleos de Transformadores

1. Introdução

O Ansys Maxwell é um software amplamente utilizado para a simulação de fenômenos eletromagnéticos em dispositivos como motores, transformadores e indutores. Uma de suas grandes vantagens está na ampla capacidade de representar com precisão as mais diferentes características eletromagnéticas dos materiais utilizados, como, por exemplo, fatores como laminação, não linearidades e anisotropias de aços elétricos.

Neste documento, buscamos exemplificar diretamente como implementar as características de anisotropia das curvas BH, representando as curvas características conforme suas direções anisotrópicas de orientação e laminação.

Para definir os materiais nos objetos conforme as propriedades de anisotropia, é possível realizar de duas formas:

• Diferentes materiais num mesmo sistema de coordenadas;
• Um mesmo material utilizando sistemas de coordenadas relativos.

Este fluxo descreve a implementação do fluxo utilizando a primeira alternativa apresentada.

2. Definição de Anisotropia em Materiais Eletromagnéticos

Acessando a biblioteca de materiais do Ansys Maxwell, é possível ter acesso à definição das propriedades de todos os materiais a serem utilizados na simulação.

Figura 2.1: Biblioteca de materiais do Ansys Maxwell

Para este exemplo, iremos utilizar um aço genérico 1008, com as seguintes definições de curva BH:

Figura 2.2: Curva BH do aço 1008 na direção do grão orientado

Figura 2.3: Curva BH do aço na direção do grão não-orientado

Estas definições de curvas BH são aplicadas aos seguintes materiais, da seguinte forma:

Material com anisotropia no eixo X e laminação no eixo Y:

Curva BH em T(1,1): Curva BH na direção do GO (Fig 2.2)
Curva BH em T(2,2): Curva BH na direção do GNO (Fig 2.3)
Curva BH em T(3,3): Curva BH na direção do GNO (Fig 2.3)

Figura 2.4: Material “steel_1008_project_GO_X_lam_Y” com anisotropia no eixo X e laminação no eixo Y

Material com anisotropia no eixo Z e laminação no eixo Y:

Curva BH em T(1,1): Curva BH na direção do GNO (Fig 2.3)
Curva BH em T(2,2): Curva BH na direção do GNO (Fig 2.3)
Curva BH em T(3,3): Curva BH na direção do GO (Fig 2.2)

Figura 2.5: Material “steel_1008_project_GO_Z_lam_Y” com anisotropia no eixo Z e laminação no eixo Y

3. Definição da Geometria dos Objetos de Interesse

Para a correta definição das propriedades dos materiais nos sentidos corretos, é necessário também que a geometria permita tais configurações. Para a geometria deste transformador, será utilizada a geometria apresentada na figura abaixo:

Figura 3.1: Geometria do Transformador de Potência

Esta geometria se assemelha muito a uma geometria comum de transformador de potência, exceto para este caso, em que queremos representar o núcleo com materiais anisotrópicos, é importante que a geometria do núcleo esteja dividida em objetos conforme seu sentido de orientação de grãos. Neste caso, utilizamos 5 objetos para representação do núcleo:

Figura 3.2: Detalhes dos objetos que compõem o núcleo para Grão Orientado no eixo X

Figura 3.3: Detalhes dos objetos que compõem o núcleo para Grão Orientado no eixo Z

Dessa forma, os requerimentos de definição de materiais e de geometria estão atendidos.

4. Definição dos Materiais nas Geometrias do Modelo

Com as definições de materiais realizadas, e com a preparação da geometria adequada corretamente, é possível agora realizar a definição dos materiais considerando as propriedades anisotrópicas dos materiais.

Dessa forma, os seguintes objetos são designados para os seguintes objetos:

Figura 4.1: Definição dos materiais nos objetos respeitando as propriedades anisotrópicas

Com a finalização desta configuração, o projeto está preparado para considerar o núcleo de grão orientado na simulação eletromagnética.

5. Conclusão 

A correta representação da anisotropia dos aços elétricos com grãos orientados em núcleos de transformadores é essencial para garantir a precisão das simulações eletromagnéticas, especialmente em aplicações que exigem alto desempenho magnético e eficiência energética. Neste artigo, demonstramos como configurar adequadamente materiais com comportamento anisotrópico no Ansys Maxwell, desde a definição das curvas BH em diferentes direções até a atribuição coerente dos materiais aos objetos da geometria. Com isso, o modelo final se torna mais aderente às condições reais de operação dos transformadores, promovendo análises mais confiáveis e resultados mais precisos para projetos e otimizações futuras.