apostila de eletromagnetismo i 127 14 circuitos …ele representa a dificuldade imposta à...
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APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 127
Os circuitos magnéticos são empregados com o intuito de concentrar o efeito magnético em uma dada região do espaço. Em outras palavras, este circuito direciona o fluxo magnético para onde for desejado, sendo dotado de materiais com certas propriedades magnéticas e dimensões, a partir de uma variedade de seções e diferentes comprimentos. Cumpre salientar aqui que as características magnetizantes dos materiais são de natureza não linear, o que deve ser levado em conta nos projetos de dispositivos eletromagnéticos. A título de exemplos poderíamos citar a determinação da corrente elétrica requerida em um enrolamento para produzir uma dada densidade de fluxo no entreferro de um pequeno atuador, de um relé ou de um eletromagneto. 14.1 - CIRCUITOS MAGNÉTICOS LINEARES São considerados magneticamente lineares os circuitos magnéticos onde a permeabilidade relativa é baixa. Circuitos magneticamente lineares podem ser obtidos quando o núcleo é de ar, ou constituído por um material não ferromagnético. Analogia com Circuitos Elétricos Consideremos o dispositivo da fig. 14.1, onde o núcleo é formado por um material de permeabilidade magnética .
Figura 14.1 - Um circuito magnético simples Pela aplicação da lei de Ampère a este circuito teremos: INLdHL
(14.1)
Considerando que H
possui módulo constante ao longo do caminho médio L percorrido pelo fluxo
magnético , mostrado na figura teremos: LHIN (14.2)
)m/esp.A(L
INH (14.3)
O produto N I é o responsável pela condução do fluxo no circuito magnético, desempenhando o papel de uma fonte. Daí ele ser conhecido por força magneto motriz (Fmm).
CIRCUITOS MAGNÉTICOS LINEARES E NÃO LINEARES
V
i
N
14
APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 128
De HµB
, vem que:
LNIµB (14.4)
O fluxo magnético que passa através da secção reta ao longo do circuito será: SBφ (14.5)
Onde pela eq. (14.4)
SL
FmmµSL
INµφ (14.6)
ou ainda:
Fmmφ (14.7)
O termo do denominador Sµ
L (14.8)
é chamado de relutância do circuito magnético. Ele representa a dificuldade imposta à circulação do fluxo magnético, tendo como unidade A.esp/Wb no Sistema Internacional. Considere agora o circuito elétrico da fig. 14.2 formado por um único laço ou malha de corrente. Para esse circuito elétrico temos a resistência oposta à corrente elétrica dada por:
SσLR (14.9)
onde
RVI (14.10)
Portanto, para a corrente elétrica, sendo V a Fem (força eletro motriz) responsável pela corrente I:
)Sσ(LFem
RFemI (14.11)
Podemos então montar um circuito elétrico análogo ao circuito magnético, conforme as correspondências entre as grandezas magnéticas e elétricas a seguir:
V i
R Figura 14.2 - Circuito elétrico análogo
APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 129
Circuito Magnético Circuito Elétrico
Fmm = N.I Fem = V Fluxo Magnético = m Corrente elétrica = I
Relutância = Resistência Elétrica = R Permeabilidade = Condutividade = Permeância = 1 Condutância = R1G
Exemplo 14.1 Para o dispositivo da fig. 14.1, tem-se uma corrente I = 5 A, através de N = 100 espiras, fazendo circular um fluxo magnético por um retângulo cujos comprimentos médios da base e da altura são respectivamente 10 cm e 8 cm e secção reta 2 cm2, feito de um material de permeabilidade relativa
r = 1000. Calcular: a) - A relutância do circuito magnético b) - A permeância do circuito magnético c) - A intensidade de campo magnético no núcleo d) - A densidade de fluxo magnético no núcleo e) - O fluxo magnético no núcleo Solução:
Wb/esp.A10x43,110.2.10.π4.1000
10).810.(2Sµµ
l 647
2
0r
m
)esp.A/(Wb10x7/1P 7
m/esp.A10x4,1H10).810.(2
5x100lNIH 3
2m
237
0r m/Wb76,1B10.4,1.10.π4.1000HµµB
Wb10.5,310.2.76,1BSφ 44 Exemplo 14.2 Calcular o valor do fluxo magnético em cada braço da estrutura magnética da fig. 14.3, dados: N = 500 espiras, I = 1,0 A, material 1 com r1 = 200 e material 2 com r2 = 100.
Figura 14.3 - Estrutura ferromagnética do exemplo 14.2
5 5
5
2 2 2
2
2
N
medidas em cm
espessura: 2 cm cm
material 1 material 2
APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 130
Solução: Pelo circuito elétrico análogo abaixo Para o lado do material 1:
11lHNI
Para o lado do material 2:
22lHNI
No caso l1 = l2 = lm
cm28cm)111111115555(lm
m/esp.A71,178528,0
1500lNIH
11
m/esp.A71,178528,0
1500NIH2
2
l
Indução magnética no braço esquerdo:
T45,071,1785104200HB 7101r1
Fluxo magnético no braço esquerdo:
Wb108,110445,0SBφ 44111
Indução magnética no braço direito:
T23,071,1785104100HB 7202r2
Fluxo magnético no braço direito:
Wb1092,010423,0SBφ 44222
Fluxo magnético (total) no braço central:
Wb1072,2φφφ 421c
14.2 - CIRCUITOS MAGNÉTICOS NÃO-LINEARES São considerados não lineares todos os circuitos magnéticos que utilizem materiais ferromagnéticos, dotados de permeabilidade magnética alta, tais como o ferro fundido, o aço silício, o aço fundido, a ferrite etc. A maioria dos circuitos magnéticos de aplicação prática são não lineares e a permeabilidade dos materiais ferromagnéticos torna-se variável em função da indução ou densidade de fluxo magnético B
no núcleo.
Exemplo 14.3 As dimensões da estrutura magnética na fig. 14.5 estão indicadas na tabela em seguida. O enrolamento de excitação possui 100 espiras. Determine a corrente neste enrolamento para estabelecer um fluxo de 1.5x10-4 (Wb). Despreze a dispersão do fluxo magnético, considerando-o todo confinado ao núcleo. Utilize as curvas de magnetização mostradas no final deste capítulo.
Figura 14.5 - Estrutura ferromagnética Figura 14.6 - Circuito elétrico análogo
2 1
H1l1
H2l2
NI
2 1
H1l1 H2l2
NI
Figura 14.4 - circuito elétrico análogo do exemplo 14.2
APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 131
Mat. 1 - Ferro Fundido Mat. 2 - Aço-Silício
lm 0.2 m 0.4 m S 15x10-4 m2 15x10-4 m2
Solução:
2211 l.Hl.HI.NFmm A estrutura mostra um circuito com os dois materiais em série. Assim:
)Wb(10x5,1φφφ 421
S.Bφ
2211 S.BS.Bφ
)m/Wb(1,010x1510x5.1
SφBB 2
4
4
21
Das curvas de magnetização temos:
Para o ferro fundido:
)m/esp.A(225H)m/Wb(1.0B 1
21
Para o aço-silício:
)m/esp.A(35H)m/Wb(1.0B 22
2 Portanto:
Nl.Hl.HI 2211
A59,0100
4,0x352.0x225I
Imagine que tivéssemos que escolher apenas um tipo de material, entre os materiais 1 e 2, para manter o mesmo fluxo magnético. Qual seria o escolhido? Se o material escolhido fosse o 2 teríamos:
)A(21,0100
4,0x352,0x35N
l.Hl.H'I 2211
Se o material 1 fosse o escolhido teríamos:
)A(35,1100
4,0x2252,0x225''I
Neste caso, o escolhido seria o material 2, por requerer uma corrente de 210 mA (conseqüentemente uma força magnetomotriz) menor do que a exigida no caso de se utilizar o material 1. Exemplo 14.4 Considere a estrutura magnética em aço fundido mostrada na fig. 14.7. Para um fluxo magnético de 1,5 x 10-4 Wb, qual é o valor de B nos pontos 1 e 2, dados que S1 = 16 cm2, S2 = 20 cm2, l1 = 15 cm, l2 = 30 cm. Determine também a corrente na bobina sabendo-se que ela possui 200 espiras.
N
1 2 Figura 14.7 – estrutura ferromagnética do exemplo 14.4
APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 132
Solução: O fluxo magnético é o mesmo em qualquer seção. Logo
21 φφφ A indução magnética na seção 1 é:
T094,01016105,1
SφB 4
4
11
A indução magnética na seção 2 é:
T075,01020105,1
SφB 4
4
22
Da curva para o aço fundido:
m/Ae85HT094,0B 11
m/Ae65HT075,0B 22 Aplicando a lei de Ampère:
2211 lHlHNI
A16,0200
3,06515,085I
14.3 - FATOR DE EMPACOTAMENTO (OU FATOR DE LAMINAÇÃO) Quando um material ferromagnético é colocado na presença de um campo magnético variável no tempo, correntes parasitas (ou correntes de Foucault) serão induzidas em seu interior, provocando perdas de energia com o aquecimento do material. A redução deste fenômeno é obtida com o núcleo de dispositivos eletromagnéticos construído com chapas ou lâminas de material ferromagnético, isoladas entre si (por exemplo, com verniz), conforme pode ser ilustrado na fig. 14.8. Assim, devido ao processo de empilhamento das chapas para montagem do núcleo, a área efetiva do material ferromagnético, Smag atravessada pelo fluxo torna-se menor que a área geométrica, Sgeom ocupada pelo núcleo. Pode-se então definir um fator de empacotamento ke como sendo a relação:
geom
mage S
Sk
(14.12)
Outra razão de natureza prática para a laminação do circuito magnético é a de facilitar a colocação das bobinas no dispositivo visando à construção e a manutenção.
Fig. 14.8 – Núcleo Laminado
A tabela a seguir fornece alguns valores para o fator de empacotamento em função da espessura da chapa ou lâmina utilizada.
APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 133
Espessura da chapa (mm) ke 0.0127 0,50 0.0258 0,75 0.0508 0,85 0.10 a 0.25 0,90 0.27 a 0.36 0,95
Exemplo 14.5 Uma estrutura magnética é feita de um pacote em aço-silício com chapas de 0,15 mm, como pode ser mostrada na fig. 14.9. Determine a corrente que deve circular no enrolamento com 500 espiras para estabelecer um fluxo de 9x10-4 Wb no braço direito da estrutura. Dados: l1 = l3 = 50 cm, l2 = 15 cm, espessura comum S = 25 cm2.
Figura 14.9 - Estrutura magnética do exemplo 14.5
Solução:
malha 1: )I(.lHl.HFmm 2211
malha 2: )II(l.Hl.H0 2233 nó 1: )III(φφφ 321 Figura 14.10 - Circuito análogo do exemplo 14.5
Dado: Wb10x9φ 4
3
333 S.Bφ
Considerando um fator de empacotamento ke = 0,90
24
4
3 m/Wb4,090,0x10x25
10x9B
Da curva de magnetização para o aço silício:
m/esp.A60H4,0B 33
A partir da equação (II) na malha 2:
m/esp.A20010x15
10x50x60l
l.HH 2
2
2
332
Da curva de magnetização:
222 m/Wb07,1B200H
Wb10x08,24)9,0x10x25(x07,1S.Bφ 44
222
Da equação (III):
Wb10x08,3310x910x08,24φ 4441
24
4
1
11 m/Wb47,1
10x5,2210x08,33
Sφ
B
N = 500
l1 l3
l2
1
APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 134
Da curva de magnetização:
m/esp.A2050H47,1B 11
Da equação (I):
esp.A105510x15x20010x50x2050Fmm 22
A11,25001055
I
14.4 – CIRCUITOS MAGNÉTICOS COM ENTREFERROS Alguns dispositivos eletromagnéticos, tais como instrumentos de medidas, motores, relés etc, por serem constituídos de uma parte fixa e outra móvel, possuem um espaço de ar lg na sua estrutura magnética. Este espaçamento ou interstício promove o acoplamento entre as partes sob o ponto de vista magnético para que o fluxo se estabeleça por um caminho fechado. A este espaço é dado o nome de “entreferro" (ou "air gap" em inglês).
Figura 14.11 - Estrutura magnética com entreferro
Ao cruzar o entreferro, o fluxo magnético sofre um fenômeno chamado de espraiamento (frangeamento, espalhamento, efeito de bordas), conforme pode ser visto da fig. 14.12. Isto faz com que a área efetiva por onde passa o fluxo se torne maior que a área S geométrica do entreferro.
Fig. 14.12 - Campo magnético em um entreferro
Seja uma área de secção reta S = a x b retangular e o entreferro de comprimento lg. Então, de uma forma prática, podemos calcular a área aparente ou efetiva do entreferro Sg através da relação:
)m()lb).(la(S 2ggg (14.13)
Observe-se aqui que quando o entreferro for muito reduzido, o efeito do espraiamento pode ser desprezado. Exemplo 14.6 Vamos investigar a influência de um entreferro sobre um circuito magnético. Imagine uma estrutura retangular em aço silício, com secção reta de 5 cm x 2 cm, comprimento médio de 50 cm, excitada por uma bobina de 100 espiras. Determinar os valores de corrente necessários para que sejam estabelecidos fluxos magnéticos de 3x10-4 Wb, 6x10-4 Wb e 9x10-4 Wb. Em seguida, admita um entreferro de 1 mm na estrutura e refaça os cálculos para encontrar os mesmos valores de fluxo. Analise os resultados.
lg
APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 135
Solução: Sem entreferro: Para Wb10x3S.Bφ 4
T3,010x1010x3
SφB 4
4
Da curva de magnetização do aço-silício:
m/esp.A55HT3,0B o valor da corrente será:
A275,0100
5,0x55N
l.HI
Para Wb10x6φ 4
T6,010x1010x6B 4
4
m/esp.A75T6,0
A375,0100
5.0x75I
Para Wb10x9φ 4
T9,010x1010x9B 4
4
m/esp.A135T9.0
A675,0100
5,0x135I
Com o entreferro:
Área efetiva do entreferro:
2g cm71,10)1,02).(1,05(S
Para Wb10x3φ 4
T28,010x71,10
10x3Sφ
B 4
4
g
gg
m/esp.A22281710xπ428,0
µB
H 70
gg
A50,2100
001.0x222817)001,05,0(x55I
Para Wb10x6φ 4
T56,010x71,10
10x6B 4
4
g
m/esp.A44581210xπ456,0H 7g
A83,4100
001,0x445812499,0x75I
Para Wb10x9φ 4
T84,010x71,10
10x9B 4
4
g
m/esp.A66871810xπ484,0H 7g
A36,7100
001,0x668718499,0x135I
A partir dos resultados podemos observar que: - Para se obter os mesmos valores de fluxo, com a introdução do entreferro, é necessário um aumento muito grande nos valores da corrente. - Praticamente toda a Fmm é utilizada para vencer o entreferro (torna-se mais acentuado quanto maior o entreferro) - A introdução do entreferro tornou o circuito magnético (material magnético + entreferro) praticamente linear.
APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 136
Exemplo 14.7 Considere uma estrutura magnética construída com chapas de aço silício, com fator de empacotamento 0,9. As dimensões da seção transversal do núcleo são 5 cm e 6 cm. O comprimento médio do caminho do fluxo é 1 m. Determine a Fmm para estabelecer um fluxo de 25x10-4 Wb no entreferro, cujo comprimento tem 5 mm. Solução:
T7,0005,006,0005,005,0
1025Sφ
B4
g
gg
m/Ae3,557042µB
H0
gg
T93,09,006,005,0
1025SφB
4
n
nn
Da curva de magnetização para o aço silício
m/Ae130HT93,0B nn
nngg lHlHFmm
Ae6,2914)005,01(130005,03,557042Fmm
Exemplo 14.8 Considere a mesma estrutura, porém com uma bobina de 750 espiras, e uma corrente de 6 A. Qual é o valor do fluxo no entreferro? Solução:
ggnn l.Hl.Hi.N (I)
φφφ gn
nngg S.BS.Bφ
g0g
nng Hµ
SSBB
g
n
0
ng S
SµBH (II)
Substituindo (II) em (I):
)III(l.S.µ
SBlHi.N gg0
nnnn
A equação acima recebe o nome de reta negativa de entreferro (veja fig. 14.13) Fazendo-se 0Hn em (III):
)m/Wb(l.SS.µ
.i.NB 2
gn
g0n
224
47
nmWm5,1
10.5,0x10x6x5x9,010)5,06)(5,05(10.π46x750B
Fazendo-se 0Bn em (III):
)m/esp.A(45001
6x750l
i.NHn
n
Figura 14.13 - A curva de magnetização e a reta negativa de entreferro De acordo com a fig. 14.13 e dispondo da curva de magnetização do aço silício, determinamos graficamente os valores da intersecção.
m/esp.A550Hem/Wb33,1B 'n
2'n
Portanto:
Wb10x3610x6x5(x9,0x33,1S.Bφ 44n
'n
B
H
Reta negativa de entreferro
Curva de magnetização
APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 137
Exemplo 14.9 Um núcleo toroidal de aço fundido apresenta uma seção transversal circular de 10 cm2. O comprimento médio do circuito magnético é 35 cm, com um gap de 1 mm. Uma bobina enrolada com 200 espiras em torno do núcleo alimenta o circuito magnético com uma corrente de 3 A. Determine o fluxo no entreferro. Solução:
Figura 14.14 - Circuito Magnético e circuito análogo do exemplo
Raio do núcleo toroidal de aço fundido:
m0178,0π10x10rm10x10rπS
4242
n
Raio efetivo do entreferro:
m0188,0001,00178,0r
Área efetiva do gap (entreferro):
242g m10x1,110188,0.πS
O circuito magnético é descrito por:
ggnn l.Hl.HI.N
gn φφφ
Como o circuito é de aço fundido, ke = 1, e
ng
ngnngg B
SSBSBSB
gg
n
0
nnn l.
SS.
µBl.HI.N
Fazendo Hn = 0 :
)m/Wb(84.0
10.10x1010xπ4x10x1.11x3x200
l.Sµ.S.I.N
B
2
34
74
gn
0gn
Fazendo Bn= 0 :
)m/esp.A(172010x9,34
3x200l
I.NH 2n
n
Do cruzamento da reta negativa de entreferro com a curva de magnetização do material magnético do núcleo obtemos:
)m/Wb(67.0B 2n
)m/esp.A(350Hn
O fluxo no entreferro é:
67,0x10x10SBSSS.Bφ 4
gng
nggg
Wb10x7,6φ 4
g
Substituindo os valores encontrados para Bn e Hn na equação do circuito magnético teremos:
)esp.A(65501.0x10xπ467.0349.0x350I.N 7
Observamos que este resultado se aproxima do valor correto de N.I que é 600 A.esp. Portanto, este método gráfico permite a obtenção de soluções com certa precisão.
V i
R
APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 138
EXERCÍCIOS 1) - Um circuito magnético compõe-se de duas partes de mesmo material ferromagnético com
permeabilidade magnética relativa 4000µ r formando um caminho único para o fluxo. A parte 1
tem 50 mm de comprimento médio e 104 mm2 de seção reta. A parte 2, conectada à parte 1, possui 30 mm de comprimento médio e 120 mm2 de área de secção. O material magnético encontra-se na parte da curva onde a permeabilidade relativa é proporcional à densidade de fluxo. Encontre o fluxo , para uma Fmm de 40 A.esp.
2) - A figura abaixo mostra um circuito magnético em aço fundido. A parte 1 tem um comprimento
médio l1 = 34 cm, e secção S1 = 6 cm2. A parte 2 tem l2 = 16 cm e S2 = 4 cm2. Calcule a corrente do enrolamento com N1 espiras, supondo I2 = 0.5 A., N1 = 200 espiras, N2 = 100 espiras e o fluxo magnético no circuito, = 120 Wb.
Figura do problema 2
3) - A figura abaixo mostra um circuito magnético com uma Fmm de 500 Ae. A parte 1 é de aço
fundido, com l1 = 340 mm, e S1 = 400 mm2. A parte 2 é de ferro fundido, com l2 = 138 mm e S2 =
360 mm2. Calcule o fluxo magnético.
Figura do problema 3
4) - Para o circuito magnético mostrado na figura abaixo, a permeabiliade relativa é 1000. A seção transversal é de 2 cm2, com exceção da perna central, que é de 4 cm2. Os caminhos l1 e l2 medem 24 cm, e l3 mede 8 cm. Calcular o fluxo magnético nos caminhos L1 e L2.
Figura do problema 4
2 1
N2
N1
F2
F1
1 2
1000 Ae 500 Ae
L1 L2
L3
APOSTILA DE ELETROMAGNETISMO I 139
2 cm
Espessura 2 cm Entreferro = 1 mm
Fmm = 500 Fmm = 500 5 cm
2 cm
6 cm 6 cm 4 cm 2 cm 2 cm
5) - Um núcleo em aço-silício, seção retangular de 10 mm x 8 mm, comprimento médio de 150 mm. Possui um entreferro de 0.8 mm. O fluxo é 80 x 10-6 Wb. Calcule a Fmm.
6) - O circuito magnético mostrado na figura abaixo é de aço fundido. A bobina tem 500 espiras. As
dimensões são : le = 1mm, S2 = S3 = 150 mm2 , S1 = 300 mm2 , l1 = 40 mm, l2 = 110 mm e l3 = 109 mm. Calcule a corrente na bobina para gerar um fluxo de 125 Wb no entreferro. Suponha que Se é 17 % maior que S3.
Figura do problema 6 7) - Encontre o fluxo magnético em cada um dos três braços do circuito magnético mostrado na figura abaixo. Considere H = 200B no aço.
Figura do problema 7
N = 500
L2 L3
L1