IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE MEDIDAS DE FORÇA E TORQUE PARA MANCAIS MAGNÉTICOS SUPERCONDUTORES LINEARES

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1 IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE MEDIDAS DE FORÇA E TORQUE PARA MANCAIS MAGNÉTICOS SUPERCONDUTORES LINEARES 1 DANIEL H. N. DIAS, 1 ALAN D.M. ENDALÉCIO, 1 RENAN P. FERNANDES, 1 OCIONE J. MACHADO, 1 FLÁVIO G. R. MARTINS, 2 GUILHERME G. SOTELO, 1 RUBENS DE ANDRADE JUNIOR. 1 Laboratório de Aplicações de Supercondutores, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Rio de Janeiro Ilha do Fundão,CEP: , Caixa Postal:68515, Rio de Janeiro RJ 2 Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal Fluminense Rua Passo da Pátria, 156, Bl. D, CEP: , Niterói RJ s: ddias@coe.ufrj.br, alanendalecio@gmail.com, renanpfernandes@gmail.com, flaviogrmartins@gmail.com, ggsotelo@gmail.com, randrade@dee.ufrj.br Abstract This paper presents the implementation of an automatic measurement system for magnetic forces in a superconductor linear bearing. These forces results from the interaction of the cryostat, that contain superconductor bulks in liquid nitrogen, with the fields created by magnetic rails, which are made of permanent magnets. The motivation for building this system is the need to measure these forces in different configurations of magnetic rails for the analysis of the best configuration that will be used in the magnetic levitation vehicle MagLev Cobra. The system is composed of a linear actuator coupled to a step motor, which is activated and controlled by a microcomputer. The data acquisition is done through a six-axis load cell, capable of measurements of force and torque in the three spatial dimensions. Keywords Measurement automatization, magnet rails, superconducting magnetic linear bearing, load cell, MagLev Cobra. Resumo Este trabalho apresenta a implementação de um sistema automatizado de medidas de forças magnéticas em um mancal linear supercondutor. Tais forças são provenientes da interação de um criostato, que contém blocos supercondutores resfriados a temperatura de ebulição do nitrogênio liquido com campos gerados por trilhos magnéticos construídos com ímãs permanentes. A construção do sistema é motivada pela necessidade de se medir tais forças em diferentes configurações de trilhos magnéticos para a análise da configuração ótima que será utilizada pelo veículo de levitação magnética MagLev Cobra. O sistema é composto por um atuador linear acoplado a um motor de passo, acionado e controlador por um microcomputador. A aquisição de dados dá-se através de uma célula de carga de seis eixos capaz de medir força e torque nas três dimensões espaciais. Palavras-chave Automação de medidas, trilhos magnéticos, mancais magnéticos lineares de supercondutores, célula de carga, MagLev Cobra. 1 Introdução Mancais são componentes mecânicos existentes em qualquer estrutura com movimento de rotação (mancais rotativos) ou translação (mancais lineares) com a função de sustentar o movimento com o mínimo de atrito. Para aplicações que necessitam de baixíssimo atrito e níveis de ruídos desprezíveis, os mancais magnéticos supercondutores representam uma excelente alternativa (Sotelo, 2007) (de Andrade Jr, 2003). O fenômeno da supercondutividade foi primeiramente observado em 1911 pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes. Onnes percebeu que a resistividade do mercúrio caía a zero a uma temperatura de 4,2K. Outra característica dos supercondutores é o diamagnetismo perfeito, que faz com que estes materiais expulsem praticamente todo o campo magnético de seu interior. Assim, na aproximação de um imã permanente de um supercondutor surge uma força magnética de repulsão entre eles. Os supercondutores podem ser classificados em dois tipos: o Tipo I e o Tipo II. Os materiais do Tipo I apresentam o diamagnetismo perfeito em toda a região do material. Já os supercondutores do Tipo II, para determinados valores de campos magnéticos, possuem além das regiões com diamagnetismo perfeito, regiões normais que apresentam a penetração de fluxo magnético quantizado. Através da dopagem no processo de fabricação de alguns supercondutores, é possível obter uma característica de aprisionamento de parte do campo magnético em seu interior. Este processo permite obter uma levitação magnética com estabilidade em todos os graus de liberdade, exceto na direção de movimento, na qual o atrito mecânico é praticamente nulo, já que não há contato entre as peças. Outra característica importante é que os mancais supercondutores dispensam o uso de um sistema de controle para se obter a levitação, que é totalmente passiva. Os mancais magnéticos supercondutores rotativos são geralmente empregados em armazenadores cinéticos de energia, conhecidos como Flywheel (de Andrade, 2004), enquanto que os lineares são empregados em veículos de levitação magnética (MagLev) (Moon, 1994). Para o veículo MagLev, em desenvolvimento no Laboratório de Aplicação de Supercondutores LASUP (Stephan, 2008). O mancal linear responsável pela sustentação do veículo é composto por criostatos, responsáveis por acomodar os blocos supercondutores na temperatura de 77 K em seu inte- 1819

2 rior, que se locomovem sem atrito sobre um trilho magnético. Este trilho é composto por imãs permanentes de Neodímio-Ferro-Boro (Nd-Fe-B) e aço de baixo teor de carbono, desenhado de modo a maximizar a estabilidade e a força de levitação. Dentro do contexto apresentado acima, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema de medidas destinado à medição das forças magnéticas existentes no mancal, de modo que este possa ser utilizado como uma ferramenta auxiliar no projeto de um novo veículo Maglev, semelhante ao desenvolvido anteriormente (Ferreira, 2006) (Ferreira, 2008). O sistema permite a realização de deslocamentos verticais, na direção perpendicular ao trilho e rotacionais em torno do eixo vertical, simulando o comportamento do veículo em uma curva. A movimentação é semi-automatizada, sendo a vertical totalmente automatizada e a de rotação realizada mecanicamente. A aquisição de dados é inteiramente automatizada e as informações colhidas são enviadas diretamente a um computador através de uma placa de aquisição de dados. Todas estas operações, tanto de movimentação quanto de aquisição de dados, são realizadas por um programa computacional. A linguagem utilizada é o Labview, uma linguagem de programação baseada em diagramas de blocos e fluxo de dados. O Labview apresenta uma vantagem com relação às demais linguagens de programação por ser uma linguagem muito mais agradável ao usuário, de fácil utilização e com uma interface gráfica amigável. O sistema realiza a medição de força (Fx, Fy e Fz) e torque (Tx, Ty e Tz) magnéticos em três eixos cada, resultando em seis graus de liberdade. Para a leitura desses seis sinais diferentes foi utilizada uma célula de carga de seis eixos, Omega 160 da ATI (ATI Industrial Automation, 2009). Após serem adquiridos, estes sinais são enviados ao computador através de uma placa de aquisição de dados da National Instruments, PCI 6232, para que possam ser analisados. A seção 2 dará mais detalhes sobre o mancal linear utilizado, com detalhamento do trilho e dos criostatos, e a seção 3 descreverá o acionamento e aquisição de dados do sistema. Por fim, a seção 4 apresentará os resultados obtidos para os diferentes ensaios utilizando o sistema de medidas descrito neste trabalho. Esta propriedade de aprisionamento de fluxo confere a este tipo de mancal estabilidade totalmente passiva, dispensando a necessidade de utilizar um sistema de controle para sua operação, como ocorre no caso dos mancais eletromagnéticos. Uma desvantagem apresentada por qualquer aplicação que utilize supercondutores é a necessidade de um sistema de refrigeração. Portanto, apenas a partir da síntese dos supercondutores de alta temperatura crítica, cuja temperatura de transição é acima da temperatura de liquefação do nitrogênio líquido, houve um aumento no interesse em suas aplicações. Dentre as várias aplicações, a levitação magnética é uma das mais interessantes, em especial quando utilizada nos veículos de levitação magnética, também denominados de MagLev. Tais veículos utilizam mancais lineares supercondutores em sua locomoção, ao invés de mancais baseados em rodas e eixos. Estes mancais são mais eficientes que os mancais mecânicos, uma vez que, por não haver contato físico entre parte móvel e parte fixa, há menor perda mecânica de energia, além de serem mais silenciosos (Dias, 2009). No veículo MagLev Cobra, desenvolvido pelo LASUP, a parte móvel do mancal é composta por criostatos anexados ao veículo, enquanto a parte fixa é composta por um trilho magnético. As seguintes subseções apresentam em detalhes os criostatos e trilhos magnéticos utilizados neste trabalho. 2.1 Trilho magnético O estudo dos trilhos magnéticos utilizados para o Projeto MagLev Cobra foi realizado ao longo de um ano de trabalho. Foram desenvolvidos diversos projetos de trilhos que fossem capazes de gerar, no mínimo, 2500 N de força magnética, uma exigência de projeto (Sodré, 2009). A figura 1 mostra um esquema do trilho magnético utilizado. A área hachurada é composta de material ferromagnético mole, enquanto a área branca é representada por ímãs permanentes. 2 Mancal Linear Supercondutor Os mancais supercondutores operam através da interação entre ímãs permanentes e supercondutores, sem qualquer contato físico entre a parte fixa e a móvel. Esta interação gera uma força de repulsão entre o supercondutor e o campo magnético. Além desta força de repulsão existe também uma força de atração, devida ao aprisionamento de fluxo magnético no interior do supercondutor e que depende de sua posição de resfriamento relação à fonte de campo magnético. 2.2 Criostatos Figura 1. Esquema do trilho magnético utilizado. Os criostatos utilizados nas medidas das forças magnéticas de levitação e torque foram produzidos pela Adelwitz Technologiezentrum GmbH (ATZ) da Alemanha. Cada criostato possui um total de 24 blocos supercondutores de YBaCuO, sendo cada um deles formado pelo crescimento de três sementes distintas. As dimensões do criostato e dos blocos 1820

3 supercondutores bem como o posicionamento dos mesmos dentro do criostato podem ser visto na figura 2. A figura 3 é uma foto do mancal linear magnético com o trilho e criostato montado no sistema de medidas, pronto para os ensaios. Figura 2. Detalhes do criostato utilizado. (a) Posicionamento e dimensionamento das amostras de YbaCuO (YBCO); (b) Esquema do criostato utilizado. Figura 3. Trilho e criostato preparados para as medidas de força e torque. realizados, juntamente com o acionamento do sistema, bem como a leitura dos sinais de força e torque magnéticos serão apresentados nas seguintes subseções Acionamento do sistema Para ajustar a posição do conjunto célulacriostato em relação ao trilho e executar dos tipos de medida comentados anteriormente são utilizadas três saídas digitais de uma placa de aquisição modelo NI- 6008, da National Instruments. Cada saída digital é responsável pelo envio de um determinado sinal ao motor de passo, necessário para a correta movimentação do sistema. Abaixo uma lista dos diferentes sinais utilizados: - Sinal de Habilitação do Driver do motor: Habilita o funcionamento do driver que controla o motor, estando habilitado em nível alto e desabilitado em nível baixo; - Sinal de Direcionamento do Motor: Indica se o motor vai girar em sentido horário ou antihorário. Pela estrutura mecânica do sistema, quando o motor gira no sentido horário o criostato desce (nível alto) e sobe quando gira no sentido anti-horário (nível baixo); - Clock do Motor: Sinal composto pela quantidade necessária de passos para mover o sistema de uma distância determinada. De acordo com a configuração do driver do motor a quantidade de passos necessários para mover o sistema de um milímetro pode ser alterada. Nos experimentos realizados utilizamos a taxa de 160 passos/mm. Utilizando ferramentas de programação conseguiu-se manipular tais sinais de forma a executar os movimentos necessários aos ensaios em FC ou FC Rotacional e a um possível ajuste de posição do sistema. A figura 4 mostra o diagrama de blocos utilizado para a implementação do Acionamento do sistema. 3. Sistema de Medidas O sistema de medidas que foi desenvolvido é capaz de realizar movimentos verticais ao longo do eixo perpendicular ao trilho (definido a partir daqui como o Eixo Z), movimentos de rotação do trilho em torno deste mesmo eixo. Este sistema também realiza as leituras de força e torque magnéticos, resultado da interação entre o criostato e o trilho. O controle responsável pelo movimento do sistema e aquisição dos valores de força e torque magnéticos foi desenvolvido utilizando a linguagem de programação Labview. O programa foi desenvolvido para realizar dois tipos de ensaios diferentes: Field Cooling (FC) e Field Cooling Rotacional (FC Rotacional). Em ambos os tipos de medida o supercondutor é resfriado na presença de campo magnético à uma altura inicial do trilho magnético. Contudo no FC Rotacional incluiuse uma variação angular não existente no modo FC original. Mais detalhes sobre os dois tipos de ensaios Figura 4 - Diagrama de blocos para acionamento do sistema. 1821

4 3.2. Célula de Carga e Aquisição de Dados Uma célula de carga é um transdutor que transforma as forças aplicadas a ela em sinais elétricos. A célula de carga possui um conjunto de resistores em seu interior, organizados segundo uma ponte de Wheatstone, que recebe o nome de extensômetro de resistência elétrica (em inglês, strain gauge). De acordo com o estresse mecânico a que o resistor está sujeito, ele sofre deformação, que é proporcional a força aplicada e assim sua resistência é alterada. A célula de carga faz então a medida dessa resistência através da medição da tensão e da corrente presentes em tal resistor. A tensão é então enviada para um computador, onde um programa, desenvolvido em Labview, executa operações (multiplicação por um fator fornecido pelo fabricante) para que tal tensão possa ser usada para obtenção do valor da força causadora do estresse mecânico. O diagrama de blocos utilizado para a leitura dos sinais recebidos da célula de carga pode ser visto na figura 5. Figura 5. Diagrama de blocos utilizado para a leitura dos sinais enviados pela célula de carga A célula usada neste artigo, mostrada na figura 6, é a célula Omega 160 da ATI, uma célula de seis graus de liberdade, ou seja, capaz de fazer a medida de seis fatores simultaneamente: forças e torques nos eixos X, Y e Z (ATI Industrial Automation, 2009). Dessa forma, as tensões geradas pela célula são enviadas em forma de um vetor, que possui as informações referentes aos seis eixos. O programa em Labview executa uma multiplicação de matrizes, usando uma Matriz de Calibração (fornecida pelo fabricante), efetuando a separação dos sinais de modo que se obtém um novo vetor com valores em N (Newton) e N.m (Newton x Metro), unidades em SI para Força e Torque respectivamente. Após a etapa de calibração, os valores de força e torque são apresentados em seis gráficos diferentes em função da posição do criostato em relação ao trilho magnético. Figura 6. Célula de carga utilizada A célula de seis eixos é utilizada para que seja possível medir a força lateral e o torque que o criostato sofre devido a um movimento de rotação relativo em relação ao trilho. Tal movimento tem como objetivo simular traçados com curvas e descidas, para uma melhor observação de todas as forças envolvidas, bem como a influência desses movimentos na força de levitação. A rotação do trilho é feita através de uma alavanca mecânica, que gira o trilho de 1 em 1 grau. Um nível Laser fixado perpendicularmente ao trilho foi utilizado para marcação de sua posição angular. A rotação foi feita manualmente, porém em trabalhos futuros ela também será automatizada, aumentando ainda mais a precisão dos resultados e ensaios. Até o presente momento, o motor que seria utilizado para o movimento de rotação não foi finalizado, justificando o aparato mecânico. Para ensaios realizados em Field Cooling, após o criostato ser resfriado a uma determinada distância do trilho (Altura FC), o criostato inicia um movimento de aproximação do trilho, até uma altura mínima (Alt. Min. FC), afasta-se do trilho até uma altura máxima (Alt. Max. FC), e finalmente termina sua movimentação descendo até a altura mínima novamente. Já o processo para a medida rotacional, FC Rotacional, é realizado da seguinte maneira: primeiro, o criostato executa um movimento vertical de aproximação a partir da altura de Field Cooling (Alt. de FC) até uma altura mínima (Alt. Mínima) de 10mm. Em seguida, ele executa um movimento de rotação no sentido anti-horário com uma amplitude máxima (Variação Angular) de 5 graus. Após este movimento o criostato realiza outra rotação, em sentido oposto ao anterior, até a uma posição simétrica à origem. O ensaio é finalizado com o trilho retornando a posição inicial, definida como a origem angular do movimento. Em ambos os casos a aquisição de dados acontece quando o sistema se move de um milímetro em relação à posição anterior ou de um grau, no caso dos ensaios com rotação. Todos os valores obtidos de força e torque são dispostos em uma matriz e salvos em um arquivo de texto no final do ensaio. A figura 7 apresenta uma foto do sistema completo, possibilitando a visualização de todo o aparato experimental utilizado neste trabalho. 1822

5 Figura 7. Sistema de Medidas de Força e Torque Magnéticos. 4. Resultados Foram realizados diversos ensaios para Field Cooling e Field Cooling Rotacional. Para os ensaios apenas em Field Cooling foram utilizadas alturas de FC de 35 e 30 mm, com altura mínima de 5mm. Já para os ensaios Rotacionais foram utilizadas alturas de FC de 35 e 25 mm, com altura mínima de 10mm, e todos com um deslocamento angular máximo de 5º. As figuras 8(a) e 8(b), a seguir, mostram os resultados obtidos para a força de levitação em ensaios de Field Cooling com alturas de FC de 35 e 30 mm, respectivamente. Todas as medidas foram executadas com o mesmo mancal supercondutor, descrito na seção 2 deste trabalho. Os resultados para os ensaios em Field Cooling estão de acordo com o esperado e são similares aos apresentados em outros trabalhos (de Andrade, 2003). Nota-se que a força magnética vertical aumenta conforme o criostato se aproxima do trilho. Isso o- corre devido à interação entre o campo magnético e os supercondutores no interior do criostato, que resulta em uma força de repulção, proporcional à distância relativa entre eles. Outro aspecto a ser observado é o comportamento histerético da curva de força, devido ao aprisionamento de fluxo magnético pelo supercondutor que se encontra no estado misto. Esse aprisionamento também explica o fato da força de levitação máxima ser maior para uma altura de FC maior. Nesse caso a quantidade de linhas de campo magnético aprisionadas pelos supercondutores após o resfriamento é menor, o que aumenta a força de repulsão entre criostato e trilho. Assim, quanto maior a altura de FC, maior será a força máxima, porém menor será a estabilidade. Este fato pode ser comprovado à partir das medidas de torque realizadas para ensaios de FC Figura 8. Resultados para os ensaios de Field Cooling (FC). (a) Fz para FC em 35mm; (b) Fz para FC em 30mm. Rotacional, cujos resultados podem ser observados na figura 9. A figura 9(a) mostra os resultados obtidos para uma altura de FC de 35 mm enquanto que a figura 9(b) a altura de FC utilizada foi de 25 mm. Ambas as curvas apresentam o mesmo comportamento histerético. Porém, o valor máximo de torque (aproximadamente 63 N.m) obtido para uma altura de FC de 25 mm é maior que o valor máximo para uma altura de FC de 35 mm (aproximadamente 46 N.m), uma vez que haverão mais linhas de fluxo aprisionadas nos supercondutores. Assim, a partir da análise dos resultados de força de levitação e torque, percebe-se a importância da determinação de uma altura de FC ótima, em que, tanto a força de levitação quanto o torque magnético, possam ser maximizados, conferindo ao veículo maior sustentação e estabilidade, respectivamente. 1823

6 Figura 9. Resultados de torque para os ensaios de FC Rotacional realizados com uma altura mínima de 10mm e posição angular máxima de 5º. O gráfico (a) mostra o torque para uma altura de FC de 35mm e o gráfico (b) para uma altura de FC de 25mm. A figura 10 mostra os resultados obtidos para a força de levitação devido ao movimento de rotação. Pode-se observar que, a medida em que o trilho é rotacionado em relação ao criostato, ocorre um decréscimo na força de levitação. Portanto, quanto maior for a altura de FC dos supercondutores, maior será a força magnética de levitação e, consequentemente, menor será a sua queda percentual. Tem-se que para altura de FC de 35mm houve uma queda de 8,4% e para 25mm uma queda de 13%. Esses ensaios, bem como o desenvolvimento do sistema de medidas, tem como objetivo simular o movimento de uma curva que o veículo MagLev Cobra possa realizar. Eles demonstram que em uma curva, a força de levitação cairia, enquanto o torque assumiria valores elevados. Os resultados indicam a necessidade de considerar também a queda da força de levitação para o projeto do veículo, além de demonstrar a grande estabilidade lateral apresentada pelo veículo. Figura 10. Resultados da força de levitação para os ensaios de FC Rotacional realizados com uma altura mínima de 10mm e posição angular máxima de 5º. O gráfico (a) mostra o comportamento da força de levitação para uma altura de FC de 35mm e o gráfico (b) para uma altura de FC de 25mm. 5. Conclusão Este trabalho apresentou a implementação de um sistema de medidas destinado a medir de forma automatizada as forças e torques presentes em um mancal magnético supercondutor linear. Foram realizados ensaios de FC e ensaios de FC Rotacional, com o objetivo de simular a dinâmica real de operação do veículo MagLev Cobra. Os resultados obtidos neste trabalho são essenciais no projeto do veículo, pois com este sistema é possível realizar a simulação de curvas, além de estudar a queda da força de levitação devido ao movimento de rotação do trilho em relação ao criostato. Agradecimentos Ao professor Richard Magdalena Stephan pelo incentivo e apoio a esse projeto e ao CNPq e à FAPERJ pelo apoio financeiro. 1824

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