Motores de Imãs Permanentes

Transcrição

1 Motores de Imãs Permanentes Dhiego dos Santos Ribeiro & Cláudio Castro Prado Abstract In many industrial plants, the use of electric motors is indispensable, but some of these motors do not offer as much efficiency as one would wish. In view of this, we will make a study of the implementation of permanent magnet motors, offering high energy efficiency, higher performance and with a relatively lower cost than the other. Index Terms Electric motor, energy efficiency, performance, permanent magnet. Resumo Em diversas plantas industriais, o uso de motores elétricos é indispensável, porém alguns desses motores utilizados não oferecem tanta eficiência quanto se desejaria. Diante disto, foi feito um estudo com a implantação dos motores de ímã permanente, que oferecem uma grande eficiência energética, maior rendimento em menores dimensões e ainda com um custo relativamente mais baixo que os demais. Palavras chave Eficiência energética, ímã permanente, motor elétrico, rendimento. I. INTRODUÇÃO Motores elétricos tornaram-se essenciais na vida das pessoas. Desde simples trabalhos domésticos, como por exemplo no uso de um liquidificador, até grandes processos industriais como extrusoras, compressores, moinhos e esteiras transportadoras. Em períodos de escassez de recursos, racionamento de energia e altas tarifas, os pensamentos se voltam à eficiência energética e à busca por motores com maior rendimento, sem perder de vista a economia nos investimentos. Este artigo apresenta, os tipos de motores existentes, uma comparação entre seus rendimentos, os custos de manutenção e uma análise com a implantação dos motores de ímãs permanentes, que prometem alto rendimento, maior vida útil, ampla faixa de rotação, torque constante e o mais cativante, custo reduzido. II. MOTORES Motor elétrico é uma máquina destinada a converter energia elétrica em energia mecânica. É o mais utilizado de todos os motores, pois combina a facilidade de transporte, eficiência energética, baixo custo, não poluem, são de fácil construção e simplicidade de comando, se adaptando a qualquer tipo de carga [1]. É notória sua grande versatilidade e utilidade. Os motores mais comuns são: Motores de Indução: Alimentados por tensão CA monofásica ou trifásica, operam por indução. Podem ser síncronos, com velocidade igual à do campo girante, ou assíncronos [2]. Motores de Corrente Contínua (CC): caracterizados por serem alimentado em tensão CC, pelo alto torque desenvolvido, além da facilidade e precisão no controle de velocidade [2]. Motores Síncronos: alimentados em tensão CA, requerem excitação em tensão CC independente (externa) ou por excitatriz (interna). Podem ter o fator de potência controlado e operam em larga faixa de velocidade, porém com baixo torque de partida [2]. Motores de Passo: sua principal característica é pelo controle preciso da rotação. Isso é possível devido os polos do estator serem energizados gradativamente. Como o rotor é projetado de forma dentada, assim que os polos são alimentados, o dente adjacente é atraído [2]. Servo motores: apresentam precisão de rotação ainda mais fina. Geralmente são motores CC com controle de posição em malha fechada [2]. Motor Universal: aplicável somente em baixas potências, podendo ser CA ou CC [2]. Motores Lineares: ao invés de produzirem torque (rotação), produzem força linear. Para que se possa entender melhor o que os motores de ímã permanente podem oferecer, serão apresentados alguns detalhes dos motores mais utilizados em indústrias e que se equiparam a eles. A. Motor de Indução O motor de indução é o de maior aceitação nas indústrias, visto que apresenta maior robustez, simplicidade de manutenção e baixo custo, podendo ser utilizado em sistemas monofásicos ou trifásicos. São basicamente constituídos por Rotor e Estator. O rotor pode ser constituído de condutores de cobre ou alumínio, engastados ou fundidos nas ranhuras do núcleo de ferro ou aço laminado. No tipo gaiola-de-esquilo anéis terminais curto-circuitam as barras, são colocados em ambas extremidades, ou efetivamente em um terminal no tipo de rotor bobinado [2], conforme mostrado nas figuras 1 e 2. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Sistema Eletromecânicos, Automação e Controle Industrial. Orientador: Prof. Cláudio Castro Prado. Trabalho aprovado em 10/2015.

2 Fig. 1. Rotor bobinado e anéis coletores [3]. diretamente da rede elétrica. Não requer manutenção frequente e apresenta baixo custo. Como desvantagens tem-se o baixo fator de potência, o qual diminui com a redução da carga do motor, assim como seu rendimento, principalmente em motores de potência inferior a 30cv. Observa-se uma diminuição mais acentuada para carregamentos inferiores à 50% do nominal [7, 8]. Praticamente não há limitações para seu uso e dentre as inúmeras aplicações, destacam-se máquinas extrusoras, máquinas de torrefação, serras circulares, bombas, esteiras e compressores. B. Motores de Corrente Contínua (CC) Os motores CC, têm o controle mais simples dentre os demais, sendo mais utilizados nas aplicações com exigência de alto torque e variação de velocidade. Fig. 2. Rotor gaiola [4]. O estator, mostrado na figura 3, é compreendido por carcaça, núcleo magnético e enrolamentos, por onde fluirá a corrente elétrica. Sua carcaça tem função de sustentação e ainda possui aletas para auxílio na refrigeração. Fig. 5. Partes principais do motor CC [9]. Fig. 3. Estator típico de um motor de indução trifásico [5] O motor de indução ainda possui outras partes, não menos importantes, que são as tampas dianteira, traseira e defletora, o ventilador e a caixa de ligação, conforme apresentado na figura 4. Fig. 4. Partes do motor [6]. Vantagens, desvantagens e aplicações do motor CA: Sua instalação é mais simples e a alimentação pode ser Também constituído principalmente de rotor e estator, como apresentado na figura 5, porém com grandes diferenças dos motores CA. O rotor, normalmente chamado de armadura, possui enrolamento energizado através do conjunto comutador e escovas. No estator encontram-se: Carcaça: em um motor CC é utilizada tanto como suporte, quanto como faixa de retorno do fluxo para os circuitos magnéticos criados pelos enrolamentos de campo. Enrolamentos de campo: alimentados por tensão CC, são bobinas que produzem a força magnetomotriz necessária para gerar o torque. Pólos: dão suporte aos enrolamentos de campo e direcionam o fluxo, distribuindo-o uniformemente sobre a armadura. Interpólos: com menores dimensões que os pólos, fazem com que a força magnetomotriz seja corrigida ante à corrente de armadura. Vantagens, desvantagens e aplicações dos motores CC: Apresentam diversas vantagens como por exemplo operar em ciclo contínuo e desenvolver torque elevado mesmo em baixas rotações. Opera em grandes faixas de velocidades e amplo controle de torque. Acionados por conversores CA/CC têm sua operação simplificada em quatro quadrantes. São excessivamente mais caros que os motores de indução, equiparados à mesma potência. Outra grande desvantagem é o fato de exigir manutenção periódica, principalmente devido

3 aos desgastes das escovas e do comutador. Por produzirem faíscas, orienta-se a não utilização dos motores CC em locais com riscos de incêndio ou explosão. São limitados até tensões de 900 V e exigem medidas especiais em sua partida, ainda que em equipamentos de pequeno porte. São utilizados em máquinas como bobinadeiras, laminadores, extrusoras, prensas, elevadores, máquinas de impressão, entre outras. III. MOTORES DE ÍMÃ PERMANENTE Estão sendo inseridos no mercado com grandes vantagens ao consumidor, principalmente em eficiência energética. Por não apresentar quase nenhuma perda Joule no rotor, assegura um rendimento muito maior. Sua característica promissora é oferecer maior potência, trabalhando em menor espaço, com dimensões reduzidas e menor custo. Como este motor não pode ser ligado diretamente à rede, é necessário o uso um inversor com software incorporado específico. Esse controle é realizado sem a utilização de sensores, contando apenas com automação de seu inversor. Sua construção é simples e simples instalação. A. Construção dos motores de Ímã Permanente O rotor dos motores de Ímã Permanente, possuem, em sua maioria, seus ímãs fixados em sua superfície, podendo ainda ser instalados no seu interior, conforme mostra a figura 6. Fig. 7. Modelo motor de ímã permanente [7]. B. Vantagens, desvantagens e aplicações Os motores de ímã permanente são os mais eficientes dentre todos os motores elétricos e pela ausência de comutador, como nos motores CC, não possui perdas mecânicas. Devido sua distinta geometria de seu rotor, o mesmo evidencia indutâncias diferentes em seu funcionamento, assim como saliências. Estes itens resultam em um torque de relutância, que auxilia no elevado torque resultante, quando acrescido do torque formado pelos ímãs torque eletromagnético. Comparado aos motores de indução, os motores Wmagnet de imã permanente apresentam maior rendimento até mesmo em motores de menor potência, como mostra a figura 8. Ímãs permanentes Fig. 6. Tipos de posicionamento dos ímãs no rotor: superficiais e internos [10]. O motor com ímãs superficiais apresenta capacidade limitada de operar em velocidades acima da nominal [10]. Podem ser utilizados três tipos de ímãs: Alnicos (Al, Ni, Co, Fe): este ímã trabalha até 150 kw e sua temperatura é limitada a 520. É facilmente magnetizado e desmagnetizado. Ferrites de bário e estrôncio: trabalha com potência até 5 hp e temperatura à 450. Seu custo é mais baixo, por serem provenientes da metalurgia do pó. Ímãs de terras raras: estes são os mais caros e amplitude de temperatura mais baixa (350 ). Contudo, seu rendimento é bem maior que os demais. Em uma segunda geração dos ímãs de terras raras, o neodímio, torna-se mais barato e tão eficaz quanto o primeiro. O que possui como desvantagem é sua temperatura de trabalho, que gira em torno de 250 e sua susceptibilidade à corrosão [8]. A figura 7 apresenta o desenho de um motor de imã permanente em corte. Fig. 8. Comparação do rendimento dos motores WMagnet, Alto Rendimento Plus e Standard [7]. Outro fator é relacionado as suas dimensões, que são reduzidas e ainda conseguem um torque maior e constante. Seus níveis de ruído são os menores possíveis. Comparado a um motor de indução equivalente, o volume do motor de ímã permanente é reduzido em aproximadamente 47%, resultando em uma alta relação de torque/volume e uma redução de 36% no peso, mostrado na figura 9 [10].

4 Imã permanente Motor de indução motores ímãs permanentes. Os motores utilizados neste estudo foram os WMagnet, fabricados pela empresa WEG, os quais anunciam uma redução no custo energético, em conjunto com um melhor rendimento. Fig. 9. Comparação entre as dimensões de motores de indução e ímã permanente de mesma potência [10]. Sua vida útil depende somente dos isolamentos das bobinas, rolamentos e desmagnetização de seus ímãs, não sendo necessária manutenção do motor. Porém, dependendo do ímã utilizado no motor, poderá elevar os custos desse motor. Uma precaução deve existir, quanto a velocidade de aplicação desse motor, caso sua velocidade seja excessiva, seus ímãs podem sofrem danos. As curvas características de seus rotores, representadas nas figuras 10 e 11, demonstram que os rotores com ímãs superficiais possuem menor rendimento, comparado ao rotor com ímãs internos. Isso ocorre devido a limitação de velocidade dos rotores com ímãs superficiais, podendo ocorrer danos nos mesmos por inércia. Fig. 10. Curva de torque dos motores com ímãs superficiais [10]. Fig. 11. Curva de torque dos motores com ímãs internos [10]. Suas aplicações são tão abrangentes quanto aos motores CA e CC, como por exemplo em: Bombas; Sistemas de ventilação; Extrusoras; Esteiras transportadoras; Bobinadeiras de papel; Compressores, entre outros. IV. ESTUDO DE CASO Será demonstrado o quão eficiente poderá ser a substituição de motores de corrente alternada e corrente contínua, por A. Tipos de alimentação dos motores CA, CC e WMagnet Para alimentação dos motores é necessária a utilização de equipamentos que modulem frequência e tensão, aumentando os custos em sua aplicação. Os motores de corrente alternada utilizam o inversores de frequência, com valores próximos a R$13.520,00 para os motores pesquisados. Já os motores de corrente contínua necessitam de Drives com custos mais elevados, em torno de R$14.000,00. A Tabela I traz os valores dos motores e drivers considerados neste estudo. TABELA I COMPARATIVO DE PREÇOS DOS MOTORES MOTOR POTÊNCIA PREÇO CA 75 kw R$ ,00 CC 75 kw R$ ,00 WMagnet 75kW R$ ,00 Como mostra a Tabela I, os motores de ímã permanente apresentam um valor inferior a 40% ao motor CC, incluindo seus drivers de acionamento, confirmando a primeira vantagem dos motores de ímã permanente. Em contrapartida, equiparados aos motores CA, já não apresentam vantagem, visto que seu custo será mais elevado. É necessário que seja feita uma avaliação mais precisa para aplicação, pois um motor CA apresenta perdas em torque, o que já não se encontra nos motores de ímã permanente. Tendo em vista tal feito, conforme a aplicação, podem sim substituir os motores CA, compensando também em relação aos seus custos, que se tornam indiferentes, porém com uma maior eficiência de trabalho. B. Custos de instalação e manutenção dos motores CA, CC e Imã Permanente Para que um motor seja instalado, é necessário, além da compra do mesmo, relacionar os custos de mão-de-obra e diversos materiais utilizados, como por exemplo os cabos elétricos. É necessário também que sejam computadas as manutenções necessárias, pois os motores apresentam desgaste de formas e valores diferentes. Neste aspecto os motores de ímã permanente possuem consideráveis vantagens uma vez que sua manutenção é mínima com um custo pequeno. Os motores de Corrente Contínua, requerem três diferentes tipos de manutenção: Manutenção Corretiva: necessária quando o motor sofre por exemplo desgaste em seu coletor, ou curto em suas bobinas, ou desgaste precoce das escovas, entre outros. Seu valor pode ser elevado podendo até mesmo atingir o preço de

5 um motor novo, pois em certos casos não é possível o reparo. Manutenção Preditiva: é realizada periodicamente, para uma revisão geral do motor. Seu tempo é determinado de acordo com a aplicação, materiais e mão de obra dispendidos. Neste estudo de caso, verificou-se que é feita a cada dois anos. Manutenção Preventiva: feita com maior frequência que a manutenção preditiva, é realizada a cada três meses na empresa estudada. Para os motores de Corrente Alternada e de Imãs Permanentes os custos são irrelevantes se comparados aos custos trimestrais dos motores CC. Por não necessitarem de manutenções periódicas, proporcionam uma grande economia. Como o motor WMagnet também não possui necessidade de ventilação forçada, obtém-se uma maior economia de energia e dos custos com os motores utilizados para tal feito. C. Aplicação dos motores WMagnet A substituição dos motores CC e CA neste estudo de caso foi realizada em uma empresa do setor automobilístico, situada na cidade de Varginha no sul de Minas Gerais. A princípio seriam substituídos os motores das linhas de Extrusão. Como a empresa possui diversos desses motores, sua economia em energia seria parcial. Afinal, somente um setor da empresa seria modificado. Além disso, como a maioria de seus motores são de Corrente Contínua trabalhando em meia potência, resulta uma economia considerável. Embora os motores de indução sejam mais baratos que os motores CC, este estudo não avaliou esta substituição devido as dimensões dos motores de indução serem superiores aos motores CC e os equipamentos existentes na empresa não os comportarem. Sendo 15HP a menor potência dos motores de imãs permanentes, torna-se inviável a substituição dos motores CA na empresa estudada por serem todos inferiores a essa potência. Concluído o levantamento de todos os motores, foram identificados 41 motores CC na empresa cuja substituição seria possível, com tensões de trabalho variando de 10 a 500 V, apresentando uma potência média de 75 kw. A Tabela II apresenta os valores resultantes da instalação de motores CC e de ímã permanente (WMagnet), juntamente com seus drives. TABELA II COMPARATIVO DE PREÇOS DE INSTALAÇÃO DE MOTORES E DRIVES MOTOR + DRIVE CC WMagnet Quantidade Custo unitário R$ ,00 R$ ,00 Custo total R$ ,00 R$ ,00 Relacionando os custos de instalação dos motores CC e WMagnet observa-se uma diferença de aproximadamente R$ 3,337 milhões caso fossem instalados os motores de imãs permanentes. Com a vida útil estimada em 20 anos, esta economia seria de aproximadamente R$ ,00 ao ano, desconsiderando-se amortização e outros cálculos financeiros. Além disso haveria a economia com as manutenções preventiva e preditiva, já que as mesmas não seriam necessárias. A Tabela III apresenta os custos com manutenções preventiva e preditiva, baseados no histórico de eventos e custos da empresa com esta atividade para os 41 motores de corrente contínua existentes. TABELA III COMPARATIVO DE CUSTOS COM MANUTENÇÃO Manutenção Preventiva Preditiva Custo médio por motor R$ 1.033,00 R$ ,00 Periodicidade 3 meses 24 meses Custo anual R$ ,00 R$ ,00 Anualmente haveria uma economia de R$ ,00 após a substituição dos motores CC. Outra redução bastante considerável dos custos com energia elétrica pode ser obtida com a exclusão dos motores CA utilizados para ventilação dos motores CC, conforme a equação (1), considerando-se a potência de cada motor igual a 2cv, trabalhando com 80% de sua potência, 41 motores CA, 24 horas por dia, 20 dias por mês, com a tarifa de energia paga pela empresa estudada em R$0,22 por kwh, tem-se: Ec 0,7355 P cv C% N m N h C e Onde: Ec = Economia mensal (R$); Pcv = Potência dos motores (cv); C% = Carregamento percentual dos motores; Nm = Número de motores; Nh = Número de horas trabalhadas ao mês; Ce = Custo da energia (R$/kWh). (1) Ao ano obtêm-se R$ ,00 de economia no consumo de energia, apenas com a exclusão dos motores CA empregados na ventilação dos motores CC. Com a substituição dos motores, o cálculo deve considerar o rendimento de cada motor. Afinal, a necessidade da potência de trabalho será a mesma. A energia economizada pela substituição dos motores pode ser calculada pela equação (2), considerando-se a potência de cada motor igual a 75cv, o rendimento do motor CC igual a 89,9% e o rendimento do motor de imãs permanentes igual a 99% [10]. Ec 1 1 0,7355 P N N Ce cv m h Mcc Mwm Onde: Mcc = Rendimento do motor CC; Mwm = Rendimento do motor WMagnet. Utilizando-se motores de imãs permanentes, com maior rendimento que os de corrente contínua, a economia no (2)

6 consumo de energia chega a R$ ,00 ao ano. A Tabela IV apresenta um resumo dos valores economizados com a substituição dos motores de corrente contínua por motores de imãs permanentes. TABELA IV ECONOMIA ANUAL OBTIDA COM A TROCA DOS MOTORES CC POR WMAGNET Diferença no custo dos motores R$ ,00 Economia com eliminação de R$ ,00 manutenção preventiva e preditiva Economia de energia com a retirada R$ ,00 dos motores de ventilação Economia de energia com o emprego de motores de maior R$ ,00 eficiência Economia Anual Total R$ ,00 V. CONCLUSÃO Foram apresentadas algumas características dos motores de indução trifásicos, dos motores de corrente contínua e dos motores de imãs permanentes, além de algumas vantagens e desvantagens de suas aplicações. Também foi mostrado um estudo avaliando a viabilidade do uso de motores de imãs permanentes. Com este estudo foi possível concluir que os motores de imãs permanentes são realmente promissores para aplicações industriais, até pelo simples fato de exigirem menor manutenção e redução no risco de paradas e queda de produção. Também foi possível observar uma clara vantagem do uso dos motores de imãs permanentes sobre os motores de corrente contínua, no que se refere aos custos com instalação e manutenção. Evidentemente que para cada aplicação deverá ser feita uma análise detalhada levando em consideração os custos de implantação, manutenção e operação, além de um estudo sobre eficiência energética. Para complementar este trabalho propõese que seja avaliada também a substituição dos motores CC por outros AC. REFERÊNCIAS [1] M. A. da Silva, Eletricidade: Acionamento de Motores Elétricos Disponível em: acessado em: 12/04/2015. [2] I. L. Kosow, Máquinas Elétricas e Transformadores. Porto Algre, Editora Globo, [3] J. G. S. M. de Oliveira, Materiais usados na construção de motores elétricos, Seminário Técnico, PUCRS, Disponível em: Acessado em: 21/03/2015. [4] Comparativo entre os Motores Elétricos CA e CC Vantagens e Desvantagens dessas duas tecnologias, Revista Saber Eletrônica; Ano: 48; N 461; Mai/Jun 2012, Disponível em: Acessado em 12/05/2015. [5] Causas, danos e queima típicos de falhas em enrolamentos de Motores Elétricos Trifásicos, Disponível em: 0Queima,%20tipicas%20de%20Falhas%20em%20Enrolamentos%20de %20Motores%20Eletricos%20Trifasicos.html, Acessado em 12/05/2015. [6] R. S. Heckler, Comparativo das aplicações de Motores CC e Motores de Indução Trifásicos Universidade do Vale do Rio do Peixe UNIARP. Disponível em: Acessado em 12/04/2015. [7] Considerações sobre rendimentos de motores elétricos de indução, Disponível em [8] WEG Motor Elétrico Trifásico - Catálogo, Disponível em [9] Motor de Indução de Corrente Alternada. Gevisa Notas técnicas motores NT-01. Disponível em: Acessado em 12/04/2015. [10] WEG-motor-de-imas-permanentes-e-inversor-de-frequencia-artigotecnico-portugues-br, Disponível em Dhiego dos Santos Ribeiro nasceu em São Paulo, SP, em agosto de Recebeu os títulos de Tecnólogo em Automação Industrial e Pós- Graduação em Gestão de Projetos Pelo Centro Universitário do Sul de Minas 2012 e 2013, respectivamente. De 2013 até o presente momento atua como Técnico de Manutenção Elétrica na Cooper Standard Automotive Brasil Sealing nas áreas de Manutenção e Projetos de Automação Industrial. Cláudio Castro Prado nasceu em Itajubá, MG, em 04 de janeiro de Engenheiro Eletricista pelo Inatel em 1992 e Mestre em Sistemas Elétricos de Potência pelo Departamento de Engenharia Elétrica da Escola Federal de Engenharia de Itajubá em Professor no Curso de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas Eletroeletrônicos, Automação e Controle Industrial do Inatel desde Tem interesse nas áreas de Sistemas Elétricos de Potência, Qualidade de Energia, Máquinas Elétricas, Materiais Isolantes, além de Automação e Controle.