Mancais Magnéticos: Mecatrônica sem Atrito

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1 Richard M. Stephan Fernando Castro Pinto Afonso Celso D. N. Gomes José A. Santisteban Andres Ortiz Salazar Mancais Magnéticos: Mecatrônica sem Atrito

2 Mancais Magnéticos Mecatrônica sem Atrito Copyright Editora Ciência Moderna Ltda., 2013 Todos os direitos para a língua portuguesa reservados pela EDITORA CIÊNCIA MODERNA LTDA. De acordo com a Lei 9.610, de 19/2/1998, nenhuma parte deste livro poderá ser reproduzida, transmitida e gravada, por qualquer meio eletrônico, mecânico, por fotocópia e outros, sem a prévia autorização, por escrito, da Editora. Editor: Paulo André P. Marques Produção Editorial: Aline Vieira Marques Assistente Editorial: Amanda Lima da Costa Capa: Daniel Jara Várias Marcas Registradas aparecem no decorrer deste livro. Mais do que simplesmente listar esses nomes e informar quem possui seus direitos de exploração, ou ainda imprimir os logotipos das mesmas, o editor declara estar utilizando tais nomes apenas para fins editoriais, em benefício exclusivo do dono da Marca Registrada, sem intenção de infringir as regras de sua utilização. Qualquer semelhança em nomes próprios e acontecimentos será mera coincidência. FICHA CATALOGRÁFICA STEPHAN, Richard M. PINTO, Fernando Castro. GOMES, Fernando Celso D. N. SANTISTEBAN, José A. SALAZAR, Andres Ortiz. Mancais Magnéticos Mecatrônica sem Atrito. Rio de Janeiro: Editora Ciência Moderna Ltda., Eletrotécnica Engenharia Elétrica Engenharia Eletrônica I Título ISBN: CDD Editora Ciência Moderna Ltda. R. Alice Figueiredo, 46 Riachuelo Rio de Janeiro, RJ Brasil CEP: Tel: (21) / Fax: (21) LCM@LCM.COM.BR 10/13

3 Prefácio Mancais Magnéticos Ativos (AMB) geram forças através de campos magnéticos controlados, de modo que um rotor possa ser mantido suspenso no ar. Não existe contato mecânico de apoio para o rotor e isto permite operação sem lubrificação e sem nenhum desgaste. Estas propriedades especiais de sustentação permitem novas concepções de projeto, altas velocidades de rotação com possibilidade de controle ativo de vibração, alta densidade de potência, operação sem desgaste mecânico, menor manutenção e, portanto, custos mais baixos. Exemplos de aplicações atuais para mancais magnéticos são: 1. sistemas de vácuo e centrifugação 2. turbo-máquinas 3. máquinas ferramenta, motores elétricos e armazenamento de energia em volantes de inércia 4. instrumentos para o espaço sideral e física 5. equipamentos para identificaçãoetestesdedinâmica de rotores Efetivamente, a principal área de aplicação éturbo-máquina. As aplicações vão desde pequenas bombas turbo-moleculares até compressores e expansores de gás natural, e grandes turbo-geradores na

4 iv faixa de MW para usinas descentralizadas. O número de aplicações industriais de AMB em todo o mundo cresce continuamente. Mancais Magnéticos são um produto mecatrônico típico. O hardware é composto por componentes mecânicos combinados com eletrônicos, como sensores e amplificadores de potência, e uma parte de processamento de sinais, geralmente sob a forma de um microprocessador. Além disso, uma parcela cada vez mais importante é o software. A capacidade inerente de sensoriamento, processamento de informações eatuação dão aos mancais magnéticos potencial para se tornar um elemento-chave em máquinas inteligentes ( smart machines ). No Brasil, o interesse em mancais magnéticos está crescendo de forma constante, em particular, devido ao seu potencial para aplicações industriais em turbo-máquinas. Uma grande massa de conhecimento já estádisponível e, portanto, uma equipe de pesquisadores brasileiros iniciou o Grupo de Estudos de Mancais Magnéticos (GEMA), organizando seminários, palestras e conferências. Membros especialistas deste grupo compilaram este livro como uma introdução para o desafiador campo dos mancais magnéticos. Ele contém todos os componentes necessários para a compreensão da teoria básica das diversas áreas de engenharia envolvidas no assunto. Certamente atende ao interesse de estudantes e recém-chegados ao tema, e, como uma característica especial e diferente de outros livros, contém exemplos e exercícios a serem resolvidos pelo leitor, com acesso a soluções. Como membro de longa data da comunidade internacional de mancais magnéticos e como um defensor devotado do espírito engenhoso brasileiro é com prazer que acolho este primeiro livro brasileiro sobre mancais magnéticos. Gerhard Schweitzer Zurich/Switzerland e Florianópolis/Brazil

5 Prefácio em inglês Active magnetic bearings (AMB) generate forces through controlled magnetic fields in such a way that a rotor is kept in a hovering position. There is no contact between bearing and rotor, and this permits operation with no lubrication and no mechanical wear. These unique bearing properties allow novel designs, high rotor speeds with the possibility of active vibration control, high power density, operation with nomechanical wear, less maintenance and therefore lower costs. Examples for actual application areas for magnetic bearings are: 1. vacuum techniques and centrifuges 2. turbo-machinery 3. machine tools, electric drives, and energy storing flywheels 4. instruments in space and physics 5. identification and testing equipment in rotor dynamics The main application area, actually, is turbo machinery. Applications range from small turbo-molecular pumps to compressors and expanders for natural gas, and to large turbo-generators in the Megawatt range for decentralized power plants. The number of industrial AMB applications worldwide is growing steadily.

6 vi Magnetic Bearings are a typical mechatronic product. The hardware is composed of mechanical components combined with electronic elements such as sensors and power amplifiers, and an information processing part, usually in the form of a microprocessor. In addition, an increasingly important part is software. The inherent ability for sensing, information processing and actuation give the magnetic bearing the potential to become a key element in smart and intelligent machines. In Brazil the interest in magnetic bearings is growing steadily, in particular, because of its potential in industrial applications for turbomachinery. A large body of knowledge is already available, and therefore a team of researchers has initiated a Brazilian Magnetic Bearings Group, organizing seminars, lectures and conferences. Expert members of this group have compiled this book as an introduction into the challenging field of magnetic bearings. It contains all the necessary components for understanding the underlying theory from the various engineering areas. It certainly addresses students and newcomers, and, as a special feature and different from other books, it contains examples and tasks to be solved by the reader, and it gives access to solutions as well. As a long-standing member of the international magnetic bearings community and as a devoted supporter of the Brazilian engineering spirit it is my pleasure to welcome this first Brazilian book on magnetic bearings. Gerhard Schweitzer Zurich/Switzerland and Florianópolis/Brazil

7 Sobre os Autores Afonso Celso Del Nero Gomes: graduação em Engenharia Aeronáutica Aeronaves ITA (1970), mestrado (1972) e doutorado (1980) em Engenharia de Sistemas e Computação pela Universidade Federal do Rio de Janeiro e pós-doutorado pela University of California, Berkeley (1988). Atualmente é Professor Associado da Universidade Federal do Rio de Janeiro, onde leciona na graduação da Escola de Engenharia (POLI) e na pós-graduação da COPPE e pesquisa nas área geral de Controle Teórico e Aplicado, Sistemas Lineares, e Mancais e Mancais-motores magnéticos. Andrés Ortiz Salazar: graduação em Ingenieria Eléctronica Universidad Nacional de Ingenieria (1981), mestrado (1989) e doutorado (1994) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro. Atualmente é professor Titular da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Automação Eletrônica de Processos Elétricos e Industriais, atuando principalmente nos seguintes temas: acionamento de máquinas, eletrônica de potência, máquinas elétricas sem mancais e instrumentação. Fernando A. N. Castro Pinto: doutorado na Techische Universität Hamburg Harburg em 1996, é atualmente Professor Adjunto da

8 viii Universidade Federal do Rio de Janeiro. Publicou diversos artigos em periódicos especializados e eventos científicos, além de livros, nas áreas de Engenharia Mecânica e Produção, bem como pedidos de patentes. É Bolsista de Produtividade em Desenvolvimento Tecnológico e Extensão Inovadora do CNPq Nível 2. Atua em Engenharia Mecânica, com ênfase em Estática e Dinâmica Aplicada em construção de protótipos, projeto de máquinas, robótica, medições experimentais, processamento de sinais, acústica, NVH, manutenção preditiva de turbinas, etc... José Andrés Santisteban: graduação em Engenharia Eletrônica Universidad Nacional de Ingenieria (1986), mestrado (1993) e doutorado (1999) em Engenharia Elétrica pelo Programa de Engenharia Elétrica da COPPE-UFRJ. Atualmente é professor Associado do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal Fluminense. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Máquinas Elétricas e Dispositivos de Potência, atuando principalmente nos seguintes temas: controle de sistemas eletromecânicos, mancais magnéticos (magnetic bearings), motor-mancal (bearingless machine), inversores multinivel. Richard M. Stephan: graduação em Engenharia Elétrica pelo IME (1976), mestrado pela COPPE/UFRJ (1980) e doutorado pela Ruhr Universität Bochum (1985), ambos em Sistemas de Controle, e MBA (2005) em Empreendimentos de Tecnologia de Ponta pelo Centre for Scientific Enterprise London (CSEL). Professor titular da Universidade Federal do Rio de Janeiro, tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Automação Eletrônica de Processos Elétricos e Industriais, atuando principalmente nos seguintes temas: levitação magnética, supercondutividade, acionamento eletrônico e controle vetorial.

9 Sumário Prefácio Prefácio em inglês Sobre os Autores iii v vii 1 Conceituação Básica Introdução Métodos de levitação magnética Levitação Eletrodinâmica(EDL) Levitação Supercondutora (SML) Levitação Eletromagnética(EML) ComponentesdeumMM Mancal Magnético e Motor Mancal Magnético Circuitos Magnéticos Recordação das EquaçõesdeMaxwell Circuito elétricoequivalente Determinação de forças eletromagnéticas Forças de levitação magnética Conclusões Exercícios Referências Bibliográficas... 28

10 x SUMÁRIO 2 Dinâmica Mecânica Introdução Mancais mecânicos Introdução àdinâmica de rotores rígidos Aplicação ao ProtótipodaUFRJ Referencial C fixoaocorpo Referencial R fixo àcarcaça Modelosimplificado Dinâmica de rotores rígidos Carregamento mecâniconosmancais Peso próprio Desbalanceamento estático Desbalanceamento dinâmico Desbalanceamento genérico Outros tipos de esforços Simulações dinâmicas Conclusões Exercícios Referências Bibliográficas Controles Para MMs Levitação LevitaçãosimplesporDEMA Problema da LevitaçãoSimples,PLS LinearizaçãodoPLS ControleemmalhafechadadoPLS Controles com açãointegradoraeoutros Exemplo VariáveisdeestadonoPLS Adição de dinâmica Exemplo,denovo Levitação,DEMAseMMs... 98

11 SUMÁRIO xi PosicionamentoPlanarporDEMAs MMsemrotorvertical Detalhamento Equações no espaçodeestados EstratégiasdeControle Desacoplamento Controlescentralizados Controlesdescentralizados Controlespararejeitardegraus Controlespararejeitaroutrossinais Conclusões Referênciasimportantes Exercícios Referências Bibliográficas Eletrônica de Potência Introdução Circuitoslineares Circuitoschaveados Fonte de tensãocomcircuitochaveado Fontedecorrentecomcircuitochaveado Circuitos chaveados, condução unidirecional Circuitos chaveados, condução bidirecional Interfacesdedisparo(drivers) Conclusões Exercícios Referências Bibliográficas Realização: sensores e micro controladores Introdução Sensoresdedeslocamento Sensoresdecorrente EletrônicaembarcadaemMMs

12 xii SUMÁRIO Memória DSPs Conclusões Exercícios Referências Bibliográficas Motor-Mancal Introdução VisãoGeraldoSistema Caracterizaçãodomotor-mancal Configuraçãodoestator Forçasradiais Configuraçãodorotor Forçastangenciais Diagramadosistemadecontrole Conclusões Exercícios Referências Bibliográficas Mancais Magnéticos no Brasil TesesdeDoutorado DissertaçõesdeMestrado A Algumas soluções 189 A.1 Exercícios do capítulo A.2 Exercícios do capítulo A.3 Exercícios do capítulo A.4 Exercícios do capítulo A.5 Exercícios do capítulo A.6 Exercícios do capítulo Índice Remissivo 225

13 Lista de Figuras 1.1 Forças de arraste e de levitação(eml) Disco levitando sobre pastilha supercondutora ComponentesemsistemacomercialcomMM Configurações com motor e apenas MMs e MMMs Circuito básico para núcleo ferromagnético Circuito elétrico equivalente ao magnético básico Energias em jogo em um sistema eletromecânico Esfera em campo magnéticoconstante Circuito magnéticoalimentadoporbobina Circuito magnético com ímã permanente Curva de magnetização do ímã permanente Ímã permanentetoroidal Curvas B H paraalnicoeferrita Sapata magnética Levitação magnéticadeumaesfera Levitação magnética:diagramadeblocos Levitação magnética com acionamento diferencial Mancaldedeslizamento Mancalderolamentodeesferas Mancaisdediferentestipos Modelo de rotor rígidocommancais Protótipodorotor:fotoediagrama... 40

14 xiv LISTA DE FIGURAS 2.6 Diagrama esquemáticodorotor Momento de um vetor v com relação a um ponto O Modelo de rotor rígidocommancais Desbalanceamento estático Desbalanceamento dinâmico Rotor modelado no software Universal Mechanism Forças em mancais rígidos: desbal. dinâmico Forças em mancais rígidos:desbal.geral Forças horizontais no mancal 1 (flexível): desbal. geral Deslocamentodoeixonomancal:desbal.geral DiagramadeBlocos Levitação: ideia básica Levitação: primeira solução Levitação: segunda e terceira soluções Levitação: quarta solução Levitação: quinta solução Dispositivo Eletromagnético de atração:dema Levitação por DEMA, diagrama de blocos e PLS Representaçãopordiagramadeblocos DiagramadeblocoscomLaplace Diagramasdeblocoslineares Controleemmalhafechada ControladorPD CorrespondênciacomMMA Diagrama com funções de transferência Diagramadeblocosdetalhado Controlador PID, com tripla ação Exemplo numérico VariáveisdeestadoparaoDEMA Realimentação de estados básica RealimentaçãodeestadosnoPLS... 94

15 LISTA DE FIGURAS xv 3.21 Adição de dinâmicaaumdema PosicionamentohorizontalporDEMAs DEMAsnoposicionamentohorizontal Acionamentodiferencial PosicionamentoplanarporDEMAs Protótipodorotor:fotoediagrama Diagrama esquemáticodorotor Adiçãodeintegradoresaosistema Modelo de MM com imposiçãodecorrente Modelo de um MM com imposição de tensão Transistor bipolar operando na regiãolinear Transistor bipolar, na região linear com carga indutiva Circuitos push-pull básico(a)emodificado(b) Circuito chaveado: tensão e corrente na carga R Operação de uma fonte de tensãochaveada Controle de posição com fonte de tensãochaveada Circuito que implementa uma fonte de tensão chaveada Fonte de tensão chaveada a 10Hz e 100Hz: D/T =0, Fonte de tensão chaveada para 1000Hz: D/T =0, Controle de posição com fonte de corrente chaveada Limitação da frequência de disparo em fonte chaveada Circuito com conduçãounidirecional Conduçãobidirecional:fontesechaves Interface de disparo (driver) Cortesia Semikron Estrutura básica de sistema com Mancal Magnético Princípiodosensordedeslocamento Corrente nominal tensão de saída Condicionamentodesinalparasensor Sistema embarcado genérico Grausdeliberdadedemovimentosdorotor

16 xvi LISTA DE FIGURAS 6.2 Disposição dos estatores e rotores na máquina (a) Bobinado convencional, (b) Bobinado dividido Disposiçãodosgruposdebobinasnoestator Fluxo magnéticodevidoaumabobina Fluxo magnéticodevidoaduasbobinasopostas Configuraçãodeumdoscircuitosdorotor Circulação de correntes induzidas dentro do rotor Indução no rotor pelo aumento do fluxo magnético Correntes nulas no rotor, variação diferencial do fluxo DiagramaGeralparaoSistemadeControle A.1 Modelodorotorcomsistemadecoordenadas A.2 Componentes y das forças,rotordesbalanceado A.3 Componentes z das forças,rotordesbalanceado A.4 Componentes y das força,rotordesbalanceado A.5 Componentes z das forças,rotordesbalanceado A.6 ComportamentodoPDcancelante A.7 ComportamentodoPIDcancelante A.8 UsodoPDcancelantenomodelogeral A.9 Rejeitandosenos A.10 ComparaçãoentrePDs:respostasaCI A.11 Comparação entre PDs: esforçosdecontrole A.12Diagramadocircuitosolicitado A.13 Formas de onda da corrente na bobina e sua referência 214 A.14 Espectro de frequências da corrente na bobina I(L1) A.15 Formas de onda da tensão no diodo e no flip-flop A.16 Onda da tensão nos terminais da bobina V(R1:2, H1:2) 216 A.17 Espectro da tensãonabobinav(r1:2,h1:2) A.18 Variação da corrente inicial em função do entreferro A.19 Circulação de correntes induzidas no rotor bis A.20MotorDahlander A.21 Configuraçãoemestrelapara04polos

17 Lista de Tabelas 1.1 Fabricantes mundiais de MMs Equações de Maxwell: tabela básica Ordem de grandeza da pressão de forças magnéticas Geometria e inércia do rotor simulado (unidades no SI) Principaisrequisitosparasistemasembarcados AplicaçõesdeDSPsdaTexasInstruments DSPsmaiscomunsatualmente Resumo de implementação de DSP em Hardware

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19 Capítulo 1 Conceituação Básica 1.1 Introdução O estabelecimento de um novo produto com base tecnológica depende, pelo menos, de 3 fatores: 1. existência de mercado, 2. disponibilidade industrial para produção, 3. congregação de pessoas com habilidades técnicas, comerciais e financeiras que estabeleçam a ligação entre mercado e indústria. Mancais capazes de suportar cargas elevadas ou altas velocidades de rotação encontram-se entre as principais necessidades de sistemas mecânicos e eletromecânicos. Como será vistonocapítulo 2, soluções empregando esferas ou fluidos de interface atendem a este mercado. No entanto, existem limitações de difícil transposição. A ideia de um mancal sem contato, suportado por forças elétricas ou magnéticas de atuação àdistância, em condição de superar os limites de peso e velocidade atingidos pelos mancais com contato, sópôde se tornar uma

20 2 Capítulo 1 Conceituação Básica realidade comercial com a disponibilidade industrial, a partir do final do século XX, principalmente de: Dispositivos semicondutores de potência capazes de condicionar sinais de corrente e tensão para produzir eficientemente as forças eletromagnéticas necessárias (capítulo 4), Processadores digitais de baixo custo capazes de supervisionar, controlar e simular a operação de mancais magnéticos (como será visto no capítulo 5), Sensores e transdutores capazes de colocar precisamente e em termos de sinais elétricos as informações de posição e velocidade de eixos girantes (capítulo 5). O aprimoramento de um novo produto tecnológico, chamado de Mancal Magnético (MM), bem como as pessoas que o tornaram realidade, encontra-se historicamente registrado na série dos International Symposium on Magnetic Bearings ISMB, evento que ocorre a cada dois anos desde Os artigos publicados nesta série de congressos encontram-se na página ou então em Seguindo esta linha histórica, constata-se que o desenvolvimento se deu a partir de trabalhos na Suíça, Alemanha, França, EUA e Japão. No Brasil, o Centro Tecnológico da Marinha (CTM-SP) desenvolveu e utiliza mancais magnéticos para suas ultracentrífugas de enriquecimento de Urânio. Além desta experiência de sucesso, trabalhos isolados encontramse em publicações e teses de mestrado e doutorado provenientes de universidades, especialmente, UFRJ, UFF, UFRN, UNICAMP e USP. Trata-se de um exemplo de mecatrônica que fortalece o aspecto interdisciplinar, importantíssimo no trabalho de engenharia. A presente publicação aglutina parte do esforço nacional, objetivando apresentar

21 1.1 Introdução 3 o assunto de forma didática para a preparação de uma massa de conhecimento e mão de obra qualificada que resulte na autonomia brasileira no tema. Os mancais tradicionais apresentam limitações de ordem térmica e estrutural mecânica. Estas barreiras podem ser ultrapassadas com os mancais magnéticos evitando-se o contato entre as partes girantes. Mancais Magnéticos encontram oportunidade de aplicação em diversas áreas. Destacam-se as seguintes[5]: Aeroespaciais e de Alto Vácuo, onde não se admite lubrificação. Alimentos, devido ao alto grau de pureza e não contaminação exigida. Medicamentos, pelo mesmo motivo acima. Alta e baixa temperatura, pela dificuldade de dispor de lubrificante adequado. Atmosferas explosivas, para evitar pontos de possível atrito e ignição. Armazenadores de Energia Cinéticos, também chamados de flywheel, com o objetivo de diminuir o atrito. Equipamentos médicos, pela grande exigência de desempenho. Petróleo e gás[1], pelas necessidades de confiabilidade e facilidade de manutenção. Destacam-se as seguintes principais vantagens dos Mancais Magnéticos: ausência de lubrificação, altas velocidades,

22 4 Capítulo 1 Conceituação Básica baixas perdas, menor custo de manutenção, maior vida útil, dinâmica controlável, alta precisão, diagnóstico de operação on-line, identificação de parâmetros on-line. E as seguintes desvantagens: maior custo, tecnologia sofisticada exigindo mão de obra qualificada, tecnologia em rápido desenvolvimento. 1.2 Métodos de levitação magnética Para efeito de entendimento, as técnicas de levitação podem ser classificadas como mecânicas, elétricas ou magnéticas [9]. Dentre as técnicas mecânicas, estão as que usam força pneumática, como é explorado no conhecido hovercraft, ou ainda forças aerodinâmicas, como usado nos aviões. Como técnica elétrica, pode-se conceber uma situação em que cargas elétricas de mesma polaridade estejam dispostas frente a frente. As propostas implementadas por Naudin ( ou Moreirão (página também podem ser classificadas como elétricas, porém, diferentemente da concepção

23 1.2 Métodos de levitação magnética 5 acima, empregam a força oriunda de descargas elétricas (efeito Corona). Finalmente, podem ser citados os métodos magnéticos. Estes métodos valem-se sempre da intensidade de um campo magnético, como será apresentado nos próximos capítulos. Neste ponto, deve-se ainda registrar a levitação com materiais diamagnéticos, mas cuja força resultante é bem menor [6]. Por sua vez, os métodos de levitação magnética são subdivididos em três grupos, descritos abaixo [8]: Levitação Eletrodinâmica (EDL) Este tipo de levitação necessita do movimento de um campo magnético nas proximidades de um material condutor. A proposta japonesa de trem de levitação, LEVMAG ( está calcada neste princípio [7]. Se um material magnético (ímã, por exemplo) realizar um movimento relativo a uma lâmina condutora (alumínio, por exemplo), correntes parasitas serão induzidas no condutor. Estas correntes, por sua vez, gerarão um outro campo magnético o qual, pela lei de Lenz, opor-se-á àvariação do campo do material magnético. A interação entre estes dois gerará umaforça repulsiva no material magnético. Esta força é a responsável pela levitação do corpo. Uma outra força também existe neste modo de levitação, só que contrária ao movimento do material magnético (força de arraste). Esta última força é similar à desenvolvida em um motor de indução, bastando observar que a velocidade corresponde ao escorregamento de um motor de indução rotativo, (figura 1.1). A força de levitação aumenta com a velocidade, enquanto a de arraste favoravelmente diminui. Esta técnica de levitação pode ser aplicada para mancais de máquinas rotativas, porém com menor incidência que os métodos a seguir apresentados[10].

24 6 Capítulo 1 Conceituação Básica força levitação arraste velocidade Figura 1.1: Forças de arraste e de levitação (EML) Levitação Supercondutora (SML) Este tipo de levitação baseia-se no efeito Meissner de exclusão de campo magnético do interior dos supercondutores, e.g. [3]. No caso dos supercondutores do tipo II, esta exclusão é parcial, o que diminui a força de levitação, mas conduz à estabilidade da levitação (figura 1.2 na página 7) devido ao efeito chamado pinning. Este fenômeno apenas pôde ser devidamente explorado a partir do final do século XX com o advento de novos materiais magnéticos e pastilhas supercondutoras de alta temperatura crítica, que se tornam supercondutoras a temperaturas muito mais elevadas do que os supercondutores convencionais. Os novos supercondutores de alta temperatura crítica podem ser resfriados com nitrogênio líquido (temperatura de ebulição 196 C) enquanto que os supercondutores convencionais precisam ser refrigerados com hélio líquido (temperatura de ebulição 269 C), o que torna o custo da refrigeração proibitivo para aplicações industriais. Estes novos supercondutores estão sendo usadosnapesquisadeumnovotipodetremdelevitação em diferentes países, incluindo o Brasil ( China

25 1.2 Métodos de levitação magnética 7 ( e Alemanha ( Os supercondutores também encontram aplicação em mancais rotativos[2]. Figura 1.2: Disco magnético levitando sobre uma pastilha supercondutora Levitação Eletromagnética (EML) Este tipo se aplica na proposta alemã, o trem Transrapid (página atualmente implementado na China numa conexão de 30km entre o Pudong Shanghai International Airport e o Shanghai Lujiazui, um distrito financeiro, e na proposta japonesa HSST ( com grandes exemplos de sucesso [4]. Tal sistema de levitação é tipicamente instável, obrigando a realização de um sistema de controle em malha fechada. Este éométodo mais empregado em Mancais Magnéticos e encontra-se detalhado neste livro.

26 8 Capítulo 1 Conceituação Básica 1.3 Componentes de um MM Os constituintes básicos de um Mancal Magnético (MM) são: Atuador, constituído de circuitos de eletrônica de potência. Controlador, usualmente um processador digital. Sensores de posição, corrente e velocidade. Circuito magnético, com as bobinas e núcleos ferromagnéticos. Mancal mecânico de proteção, ou auxiliar. Todas estas partes devem operar em conjunto. Por isto mesmo, os mancais magnéticos podem ser tomados como um excelente exemplo de mecatrônica. A figura 1.3 apresenta um mancal magnético comercial. Figura 1.3: Componentes de um mancal magnético comercial (cortesia Waukesha)

27 1.4 Mancal Magnético e Motor Mancal Magnético 9 Na figura 1.3, as direções ortogonais 1 e 2 são comtroladas por mancais magnéticos radiais. A direção 3 é controlada por um mancal axial, também indicado na figura. O único grau de liberdade correponde à rotação, indicada por 4. Os fabricantes mundiais mais conhecidos de mancais magnéticos são mostrados na tabela a seguir: Tabela 1.1: Fabricantes mundiais de MMs Waukesha Foster-Miller MECOS S2M SKF SYNCHRONY FMC Mancal Magnético e Motor Mancal Magnético A figura 1.4(a) mostra uma montagem com um motor, cujos mancais convencionais, de rolamentos, foram substituídos por magnéticos. São necessários dois mancais radiais, para posicionar o eixo na direção perpendicular ao eixo de rotação, e um mancal axial, para controlar deslocamentos na direção do rotor. Por sua vez, como será explicado mais adiante, cada mancal radial éconstituído de quatro bobinas, e o mancal axial por duas. Para a alimentação de cada bobina, necessita-se de um inversor monofásico

28 10 Capítulo 1 Conceituação Básica que controlará a corrente de alimentação. Assim, serão necessários 10 inversores monofásicos para estas tarefas. Além disto, a alimentação do motor emprega usualmente um inversor trifásico para o controle da velocidade e torque da máquina. Na tentativa de diminuir a quantidade de inversores, a proposta ilustrada na figura 1.4(b) utiliza dois motores alimentados com inversores trifásicos. As correntes impostas nos enrolamentos destes motores garantem tanto o posicionamento radial quanto a produção de torque. Este assunto será estudado no capítulo 6. Esta configuração continua solicitando um mancal axial alimentado por dois inversores monofásicos, mas a diminuição dos equipamentos de eletrônica de potência fica patente. a Mancal Radial Motor Mancal Radial Mancal Axial 4inv1Φ 1inv3Φ 4inv1Φ 2inv1Φ b Motor Mancal Motor Mancal Mancal Axial 1inv3Φ 1inv3Φ 2inv1Φ Figura 1.4: (a) Configuração com um Motor Convencional e dois Mancais Magnéticos; (b) mesma funcionalidade, com economia de componentes, obtida com dois Motores-mancais Magnéticos