Rotores de ímanes permanentes, explicados

A maioria das explicações sobre uma turbina eólica termina nas pás. Mas as pás só determinam quanta energia está disponível — o que acontece com ela é decidido pelo gerador e, mais concretamente, pela forma como os seus ímanes estão dispostos. Este é um olhar dentro do gerador de ímanes permanentes que a TESUP constrói para o Atlas e o Magnum, e sobre a propriedade que decide se uma turbina gira com vento fraco ou simplesmente fica parada.

O que é um gerador de ímanes permanentes?

Um gerador de ímanes permanentes produz eletricidade a partir de ímanes fixos, em vez de eletroímanes que primeiro têm de ser excitados. Como o campo magnético está sempre presente, a máquina gera desde a primeira rotação e não precisa de corrente de excitação, anéis coletores nem energia externa para arrancar.

O gerador da TESUP é uma máquina de ímanes permanentes de 24 polos com ímanes NdFeB N42 (neodímio-ferro-boro), cada um com 60 × 25 × 5 mm, niquelados e de forma abaulada. São 24 no total, 180 cm³ de íman, girando dentro de um estator de 16 cm × 12 cm.

Porquê 24 polos e porquê sem caixa multiplicadora?

O número de polos define a relação entre velocidade de rotação e frequência de saída. Um gerador com poucos polos tem de girar depressa para ser útil, e é por isso que muitas turbinas colocam uma caixa multiplicadora entre o rotor e o gerador. É também o componente com maior probabilidade de falhar, o que exige mudanças de óleo e o que faz barulho.

Vinte e quatro polos produzem tensão utilizável a baixa velocidade de rotação, pelo que o rotor pode acionar o gerador diretamente. Sem caixa multiplicadora não há óleo, não há desgaste de engrenagens e há um componente a menos que possa gripar num telhado em fevereiro.

O que é o torque de retenção?

O torque de retenção é a resistência que se sente ao girar à mão um motor de ímanes permanentes — aquela relutância aos solavancos, como se o veio quisesse assentar em posições fixas. É causado pela atração dos ímanes na direção dos dentes de aço do estator. Cada dente é uma posição de repouso preferida, da qual o rotor tem de ser empurrado para fora.

Numa ventoinha ou numa ferramenta elétrica, isso é um incómodo menor. Numa turbina eólica pequena é o maior obstáculo ao desempenho com vento fraco, porque o torque de retenção é um limiar fixo que o vento tem de vencer antes de algo sequer girar. Abaixo dele, a produção não é pequena — é zero.

É por isso que a velocidade de arranque importa muito mais do que a potência nominal numa turbina doméstica. A potência nominal descreve um dia de vento. A velocidade de arranque descreve todos os outros.

Como é que inclinar os ímanes reduz o torque de retenção?

Se cada íman ficar exatamente paralelo aos dentes do estator, os 24 polos atingem o seu pico de atração no mesmo instante. Esses picos somam-se, e o resultado é um impulso forte e aos solavancos que o vento tem de vencer a cada passo.

Inclinar significa montar os ímanes com um ligeiro ângulo em relação ao eixo de rotação, de modo que cada íman aborde um dente progressivamente em vez de tudo de uma vez. Os picos deixam de coincidir: espalham-se e cancelam-se parcialmente. O torque total produzido não muda; o que desaparece é a ondulação.

A TESUP usa montagem inclinada dos ímanes exatamente por isso. Menos torque de retenção significa um limiar de arranque mais baixo, e é esse limiar mais baixo que permite ao Atlas arrancar sozinho a 2 m/s com o conjunto de pás para vento fraco — cerca de um terço da velocidade de arranque de uma turbina de eixo horizontal típica.

A inclinação não sai de graça: reduz ligeiramente o fluxo concatenado máximo, pelo que uma máquina inclinada cede alguma potência de pico em troca de arrancar mais cedo. Para uma turbina doméstica, onde o vento fraco é a condição comum e a tempestade é rara, é a troca certa.

Porque é a ferramenta que realmente decide o torque de retenção

A inclinação só cancela o torque de retenção se cada íman ficar exatamente onde o projeto manda. O cancelamento é um efeito geométrico: 24 ímanes, cada um desviado de um ângulo preciso, para que os seus picos de atração não coincidam no tempo. Se os alojamentos desses ímanes variarem de um rotor para o outro, o ângulo de inclinação varia com eles — os picos voltam a alinhar-se, o torque de retenção sobe, e com ele a velocidade do vento necessária para libertar o rotor.

É por isso que ±0,05 mm em todos os componentes maquinados não é uma vaidade de ficha técnica. É a tolerância que a física exige. Um rotor com tolerâncias largas pode levar exatamente os mesmos ímanes, o mesmo número de polos e o mesmo cobre, e ainda assim arrancar mais tarde.

Manter essa tolerância num protótipo é simples. Mantê-la em cada unidade, durante anos, é um problema de ferramenta — e foi por isso que isto chegou à nossa fábrica:

Uma ferramenta de prensa como esta não se compra pela velocidade, embora seja mais rápida. Compra-se pela repetibilidade. O primeiro rotor conformado nela e o décimo milésimo saem do mesmo aço, guiados pelas mesmas colunas, com as mesmas medidas. É a única forma de um valor de tolerância significar alguma coisa quando se produz em série e não peça a peça.

Significa também mais um componente que deixou de depender do controlo de qualidade de terceiros. As nossas unidades europeias já produzem mais de 270 componentes internamente — geradores, placas eletrónicas, pás e ferragens de montagem. Cada ferramenta que chega aumenta essa lista numa linha.

Porque é que uma turbina de cerca de 1 kW usa um motor de 15 kW?

Porque o valor nominal de um gerador é um limite térmico, não uma promessa de produção. Os 15 kW contínuos são o que a máquina consegue sustentar indefinidamente sem sobreaquecer, e resultam de três coisas: o isolamento do fio esmaltado de classe 200 °C (IEC 60317-13 GR 2, o mesmo grau usado em servomotores industriais e em sistemas de tração de veículos elétricos), os 4 kg de enrolamento de cobre a funcionar como massa térmica, e o arrefecimento passivo através da carcaça.

Na produção típica do Atlas, cerca de 1 kW, o motor trabalha a menos de 7% do seu regime contínuo. Trabalha frio. As perdas no cobre crescem com o quadrado da corrente, por isso uma máquina bem abaixo do seu limite desperdiça muito pouco em calor — e é o calor que envelhece o isolamento e acaba por pôr fim à vida de um motor.

Os 22 kW de pico são a capacidade de sobrecarga de curta duração para rajadas. É limitada por duas fronteiras físicas: o limiar de desmagnetização dos ímanes N42 e a saturação do ferro do estator.

De onde vem realmente a energia

A potência disponível no vento segue:

P = ½ · ρ · A · V³ · C_p · η

Em que ρ é a densidade do ar, A a área varrida, V a velocidade do vento, C_p o coeficiente de potência e η o rendimento elétrico. O rotor do Atlas varre 1,035 m² (1030 mm de diâmetro × 1005 mm de altura), atinge um C_p de 0,28 com bom vento e converte com 92% de rendimento elétrico.

O termo dominante é V³. A velocidade do vento está ao cubo, por isso um local com 30% mais vento rende aproximadamente o dobro da energia, e não mais 30%. É por isso que a altura do mastro e a implantação mudam o resultado mais do que qualquer especificação desta página — e por isso uma resposta honesta a «quanto vou produzir?» começa sempre com uma pergunta sobre o seu local, e não com um número.

Especificação completa do gerador

O que isto diz e o que não diz

Cada valor acima é uma propriedade da máquina, e as propriedades da máquina são a parte que controlamos. Torque de retenção, número de polos, grau do íman, classe de isolamento e tolerância de maquinagem são iguais em cada unidade que enviamos.

A produção anual não é. Depende do seu vento, e a produção publicada para o Atlas vai de 180 a 2.900 kWh por ano precisamente porque a diferença entre um jardim abrigado nos subúrbios e um local costeiro exposto é assim tão grande. Diga-nos a sua localização e a altura do mastro e daremos um intervalo realista em vez do melhor caso.

Ver a especificação do Atlas →