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Atividade Financiada

Máquinas de Indução Supercondutoras com Núcleo de ar para Aplicações Marítimas e Aeronáuticas

Coreless Superconducting Induction Machines for Maritime and Aircraft Applications

Referência
2023.11458.PEX
Data de Início do Projeto
2025-01-01
Data de Fim do Projeto
2026-06-30
Investigador Principal
Área Científica
Ciências da engenharia e tecnologias
Programa de Financiamento
Concurso de Projetos Exploratórios em Todos os Domínios Científicos 2023

Resumo

A eletrificação dos sistemas industriais e de transporte, identificada como uma estratégia-chave na transição energética sustentável, tem vindo a definir especificações e desafios cada vez mais exigentes para tecnologias de conversão de energia [1], [2]. Este objetivo levou à adoção de políticas energéticas e ambientais multipartidárias, centradas não só na definição de orientações para as políticas públicas, mas também em alterações regulamentares relativas à investigação e implementação de novas tecnologias. Exemplos do empenho da UE neste tópico são os programas de investigação no domínio da aviação "CleanSky" e "CleanSky 2", que funcionam como catalisadores para colaborações entre comunidades industriais e de investigação no desenvolvimento de tecnologias aeronáuticas sustentáveis [3],[4]. No transporte marítimo, projetos recentes sobre o desenvolvimento da propulsão elétrica de navios também mostram a importância da eletrificação deste setor para cumprir as metas de emissões [6]-[7]. Devido a este compromisso, a utilização de hidrogénio foi também identificada como uma possível fonte de energia ou solução de armazenamento para sistemas de energia e transporte. Isto é especialmente importante na atual estratégia nacional de Portugal, enquanto "pilar sustentável para a descarbonização da economia" [8]. Esta conjetura criou a necessidade de sistemas elétricos de alta potência específica e rendimentos, capazes de atender aos exigentes requisitos dessas aplicações. No estado da arte atual, duas abordagens principais estão a ser consideradas para o desenvolvimento de máquinas elétricas de alta potência específica: 1) uso de arrefecimento criogénico em máquinas elétricas [10]-[12] e 2) desenvolvendo máquinas elétricas supercondutoras (SC) [13]-[15]. Um exemplo é o desenvolvimento pela NASA de um motor de indução criogénico de 10MW com materiais convencionais e um motor síncrono totalmente SC [16]. Alguns investigadores também propõem o uso do hidrogénio líquido (LH2) para aplicações em aeronaves, como combustível e agente de arrefecimento para máquinas SC [12],[17]. O uso de arrefecimento criogénico com máquinas elétricas convencionais, sem SC, tem sido aplicado em sistemas propulsores criogênicos e estações de bombeamento de gás natural (GNL) [18]-[21]. No entanto, a potência específica destas máquinas ainda é limitada pelas propriedades dos materiais convencionais e pode não ser compatível com todos os fluidos criogénicos, porque as suas perdas podem levar à evaporação e cavitação dos fluidos [22]. Em relação às máquinas SC, o tipo mais explorado é a máquina síncrona com enrolamento de excitação SC [23]-[24]. No entanto, estas requerem criocoolers complexos e uma conexão rotativa para enrolamentos SC, limitando sua aplicação [6],[25]. Na sequência desta oportunidade, propomos explorar a utilização de máquinas de indução SC totalmente imersas, sem núcleo de ferro , para mitigar a limitação do criostato, ligações rotativas e saturação magnética. Tal contribuirá para a eletrificação do transporte marítimo e aéreo. Estas aplicações apresentam especificações semelhantes e podem incluir a presença de fluidos criogénicos, tais como LH2, GNL ou metano, transportados ou utilizados como combustível, que podem ser utilizados como refrigerantes para máquinas elétricas. Os objetivos deste projeto exploratório são: Conceptualizar e projetar novas máquinas de indução SC com núcleo de ar , totalmente imersas em fluidos criogênicos, para atingir as metas de alta potência específica e rendimento, e; Comparar o seu desempenho com máquinas criogénicas convencionais e SC com núcleo de ferro . O uso de MIs totalmente imersas evita a necessidade de escovas para ligação ao rotor e evita a utilização de criostatos, devido à sua imersão no líquido criogénico. O principal desafio das MI SC está relacionado com a presença de correntes e campos magnéticos alternados no SC, que originam perdas histéricas não negligenciáveis. Isso é fundamental para os criostatos, porém, quando imersos em fluidos criogênicos, essa limitação pode ser mitigada. Este projeto enquadra-se no trabalho de investigação realizado por esta equipa no projeto de máquinas elétricas [34]-[40], e em máquinas criogénicas e SC [20],[33]-[34],[41]-[43]. Em particular, nossas publicações recentes analisam a melhoria do desempenho de MI em ambientes criogénicos e abordam a exploração preliminar sobre o uso de SC em seu rotor [10],[20],[44]. Para atingir estes objetivos, o projeto será dividido em: 1) Desenvolvimento de modelos eletromecânico-térmicos de Elementos Finitos de MI com SC e com ou sem núcleo de ferro. 2) Calibração destes modelos com ensaios experimentais em fitas SC para diferentes amplitudes e frequências de corrente aplicada e campos magnéticos. 3) Verificar dos modelos desenvolvidos através da realização de ensaios experimentais num motor de indução SC; 4) Estudo comparativo de MIs SC de núcleo de ar com máquinas criogénicas convencionais e SC com núcleo de ferro.

Instituições

Instituições Principais

  • Instituto de Engenharia Mecânica (IDMEC)

Outras Instituições

  • Politecnico di Torino (POLITO)

Financiamento 49.267,06 €

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - Portugal

49.267,06 €