SISTEMA DE MEDIDAS DE FORÇA PARA MANCAIS MAGNÉTICOS SUPERCONDUTORES. Guilherme Theophilo Telles

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1 SISTEMA DE MEDIDAS DE FORÇA PARA MANCAIS MAGNÉTICOS SUPERCONDUTORES Guilherme Theophilo Telles Projeto de Graduação apresentado ao Corpo Docente do Departamento de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientadores: Rubens de Andrade Jr. Felipe Sass Rio de Janeiro Março de 2015

2 SISTEMA DE MEDIDAS DE FORÇA PARA MANCAIS MAGNÉTICOS SUPERCONDUTORES Guilherme Theophilo Telles PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA. Examinado por: Prof. Rubens de Andrade Jr., D.Sc Prof. Felipe Sass, M.Sc Prof. Elkin Ferney Rodriguez Velandia, D.Sc Prof. Flávio Goulart dos Reis Martins, M.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL MARÇO DE 2015

3 Telles, Guilherme Theophilo Sistema de Medidas de Força para Mancais Magnéticos Supercondutores / Guilherme Theophilo Telles. Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, XIV, 43 p.: il.; 29, 7cm. Orientadores: Rubens de Andrade Jr. Felipe Sass Projeto de Graduação UFRJ/Escola Politécnica/ Departamento de Engenharia Elétrica, Referências Bibliográficas: p supercondutor. 2. sistema de medidas. 3. mancal magnético. 4. maglev. 5. força de levitação. I. de Andrade Jr., Rubens et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Departamento de Engenharia Elétrica. III. Sistema de Medidas de Força para Mancais Magnéticos Supercondutores. iii

4 Agradecimentos Agradeço primeiramente à família, pois me fizeram como sou. A meus pais, Andrea e João Miguel, e meus avós, Maria Ângela, Fernando e Detta, sou eternamente grato por sua preocupação e carinho. Mesmo estando distantes, sinto seu olhar sobre mim em tudo que faço e seu orgulho é uma grande motivação para meus atos. A meus demais parentes, que de uma forma ou de outra me apoiaram ao longo dessa estrada, muito obrigado. Em segundo, volto minha gratidão aos mestres pois me deram olhos para enxergar o caminho e pernas para o trilhar. Graças a vocês, pude atingir muitos dos meus objetivos e formular outros ainda no meio do caminho. O futuro que me espera é tão seu quanto meu e para sempre carregarei seu nome em minhas conquistas. À UFRJ e seus notáveis corpo docente e quadro de funcionários devo tudo que aprendi nesses cinco anos em que me receberam. Ostento o nome desta instituição com orgulho e sei que fui afortunado por poder desfrutar da competência de seus profissionais. Aos coordenadores do Departamento de Engenharia Elétrica, professores Sérgio e Tatiana, assim como à secretária do departamento, Sra. Katia, e ao meu orientador acadêmico, Prof. Rolim, obrigado pela constante disposição e boa vontade. Ao LASUP e sua equipe agradeço pela oportunidade de ter trabalhado num ambiente tão agradável e em projetos tão intrigantes. As memórias de companherismo e aprendizado são insubstituíveis. Agradeço em particular aos professores Rubens e Felipe, por sua orientação, mas sem ofuscar a gratidão que devo a todos os outros por tudo que me acrescentaram. iv

5 A meus amigos, meu mais profundo e sincero obrigado. Enquanto meus mestres me empurraram para frente, vocês me mantiveram de pé. Foi sua amizade e sua força que me reergueram no meu momento mais sombrio e pra sempre serão uma das maiores peças no meu quebra-cabeça. Os laços criados nestes prédios não são facilmente postos de lado, e sei que ainda dividiremos muitas lágrimas e muitas risadas. O espaço foi criado, amigos. Aproveitem. Finalmente mas não menos importante, agradeço à minha namorada, Juliana Brauns. Seu amor é o fogo que me move de dia e que me aquece à noite. Por me fazer feliz todos os dias, obrigado. Herewith, maybe, thou shalt rekindle hearts to the valour of old in a world that grows chill - J. R. R. Tolkien v

6 Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista SISTEMA DE MEDIDAS DE FORÇA PARA MANCAIS MAGNÉTICOS SUPERCONDUTORES Guilherme Theophilo Telles Março/2015 Orientadores: Rubens de Andrade Jr. Felipe Sass Departamento: Engenharia Elétrica Este trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema de medidas de força e posição relativa entre ímãs e amostras supercondutoras, com capacidade de executar deslocamentos e medir forças em duas dimensões. Sua motivação é promover melhor compreensão acerca do funcionamento de supercondutores em aplicações de levitação magnética, a fim de melhorar a tecnologia de levitação do veículo Maglev Cobra, desenvolvido pelo LASUP da UFRJ. Foi empregado o software LabVIEW para aquisição e armazenamento dos dados e envio dos comandos de movimento. Foi possível a realização de ensaios com amostras supercondutoras variadas, permitindo sua caracterização. vi

7 Abstract of Graduation Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Electrical Engineer SYSTEM OF FORCE MEASUREMENT FOR SUPERCONDUCTIVE MAGNETIC BEARINGS Guilherme Theophilo Telles March/2015 Advisors: Rubens de Andrade Jr. Felipe Sass Department: Electrical Engineering This project is to develop a system of force and relative position measures between magnets and superconducting samples with measurement and displacement capability in two dimensions. Its motivation is to promote better understanding of superconducting operation in magnetic levitation applications in order to improve the Maglev Cobra vehicle levitation technology, developed by LASUP UFRJ. Lab- VIEW software was used for the data acquisition and storage and sending movement commands. It was possible to perform several tests with different superconducting samples, allowing their characterization. vii

8 Sumário Lista de Figuras x Lista de Tabelas xii Lista de Abreviaturas xiii Lista de Símbolos xiv 1 Introdução Objetivos Motivação Organização Supercondutividade A Descoberta da Supercondutividade Efeito Meissner e o Diamagnetismo Tipos de Supercondutores Mancais Magnéticos Supercondutores Metodologia e Equipamentos Estrutura Física Interface Analógico-Digital Programação Estrutura Geral do Programa Funções de Configuração e de Parada viii

9 3.3.3 Funções de Ensaio Resultados Ensaio de Zero Field Cooling (ZFC) Ensaio de Field Cooling (FC) Ensaio de FC Lateral Ensaios Dinâmicos Conclusões e Trabalhos Futuros 40 Referências Bibliográficas 42 ix

10 Lista de Figuras 2.1 Região em que um material apresenta propriedades supercondutoras Efeito Meissner Tipos de Supercondutores e suas diferenças Esquema da Bancada Original Esquema e foto da bancada completa Estrutura móvel de deslocamento horizontal Motor de passo e sua fonte Célula de Carga Sensor de Posição Hub (a) e driver do motor de passo (b) Esquemático de interface de controle e aquisição Estrutura Geral do Programa Interface das funções de configuração - aba Interface das funções de configuração - aba Função de Ensaio de ZFC Interface da função de ZFC Função de Ensaio de Field Cooling Interface da função de Field Cooling Função de Ensaio de FC Lateral Interface da função de FC Lateral Função de Ensaio de Força Constante Interface da função de Força Constante x

11 3.20 Função de Ensaio Dinâmico de Unilateral Função de Ensaio Dinâmico de Bilateral Interface da função de Ensaio Dinâmico Unilateral Interface da função de Ensaio Dinâmico Bilateral Resultados do ensaio de ZFC Resultados do ensaio de FC Resultados do ensaio de FC Lateral Resultados do ensaio dinâmico unilateral Resultados do ensaio dinâmico bilateral xi

12 Lista de Tabelas 2.1 Lista de materiais supercondutores Equipamentos que compõem a bancada final Funções de Configuração e de Parada xii

13 Lista de Abreviaturas FC Resfriamento do supercondutor na presença de campo magnético (Field Cooling), p. 22 HTS Supercondutores de Alta Temperatura Crítica (High Temperature Superconductors), p. 8 LASUP Laboratório de Aplicações de Supercondutores, p. 1 MagLev Veículo de Levitação Magnética, p. 1 SMES Armazenador de Energia Magnética com Supercondutores (Superconducting Magnetic Energy Storage), p. 9 Teoria BCS Teoria da supercondutividade proposta por Bardeen, Cooper e Schrieffer, p. 7 UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro, p. 1 ZFC Resfriamento do supercondutor em ausência de campo magnético (Zero-Field Cooling), p. 22 xiii

14 Lista de Símbolos B Densidade de Campo Magnético, p. 7 CA Corrente Alternada, p. 13 CC Corrente Contínua, p. 13 F Força, p. 7 H c Intensidade de Campo Magnético Crítica, p. 5 J Densidade de Corrente Elétrica, p. 7 J c Densidade de Corrente Crítica, p. 5 T c Temperatura Crítica, p. 5 xiv

15 Capítulo 1 Introdução Neste capítulo serão descritos os principais objetivos e motivações por trás do projeto, assim como a organização dos capítulos subsequêntes deste trabalho. 1.1 Objetivos Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema capaz de realizar ensaios de força e posição entre ímãs e amostras supercondutoras, a fim de estudar o comportamento de supercondutores em levitação magnética, com capacidade de deslocamento e medição em duas dimensões. O sistema desenvolvido será utilizado com diversas amostras supercondutoras, de forma a fornecer resultados visando tanto a caracterização das amostras e verificação de sua qualidade quanto uma comparação entre tipos diferentes de arranjos supercondutores. Este trabalho faz parte de uma série de iniciativas do Laboratório de Aplicações de Supercondutores da UFRJ (LASUP), cujo objetivo é o aperfeiçoamento do mancal magnético utilizado no veículo Maglev Cobra [1]. 1

16 1.2 Motivação Supercondutores são materiais cuja resistividade é nula em baixas temperaturas, o que possibilita sua utilização em diversas aplicações em sistemas elétricos. Com o passar do tempo, suas características foram descobertas e o processo de sua fabricação aprimorado de forma a melhorar significativamente sua qualidade. O LASUP estuda uma ampla variedade de tecnologias em que os materiais supercondutores podem ser utilizados, tendo como uma de suas principais metas a construção de um veículo de levitação magnética supercondutora: o MagLev Cobra, que faz uso de supercondutores para sua levitação. No contexto atual, em que a preocupação com o meio ambiente toma proporções cada vez maiores e a necessidade de alternativas compactas e eficientes para sistemas de transporte público ou massivo em cidades torna-se prioritária, o MagLev Cobra, um trem de levitação magnética, apresenta diversas vantagens com relação aos trens urbanos utilizados atualmente no Brasil: não emite poluentes, demanda menos energia e percorre curvas mais acentuadas e inclinações mais íngremes. O MagLev Cobra levita por meio da interação entre um trilho de ímãs sobre o qual se locomove e blocos supercondutores dispostos em criostatos, localizados por sua vez na parte inferior do veículo. Os criostatos são abastecidos com nitrogênio líquido, de forma que os supercondutores permaneçam na temperatura de 77 K, a fim de manter seu estado supercondutor. Para otimizar a utilização dos supercondutores é necessário minimizar a quandidade de material supercondutor, enquanto se maximiza a força de levitação e a estabilidade lateral. O sistema desenvolvido neste trabalho foi idealizado de forma a estudar a interação de supercondutores com ímãs em condições distintas, inclusive em configurações semelhantes às do veículo em funcionamento. Desta forma, espera-se que se possa estudar o comportamento de mancais magnéticos e encontrar soluções para seu aprimoramento. 2

17 1.3 Organização Neste capítulo foram apresentados os objetivos e a motivação por trás deste projeto. O capítulo 2 descreve os pontos básicos da teoria de supercondutores, assim como uma linha do tempo acerca das descobertas desses materiais. O capítulo 3 apresenta os equipamentos e a metodologia utilizada, com enfoque na lógica utilizada para a programação do sistema. Em seguida, o capítulo 4 apresenta alguns resultados obtidos por meio do sistema desenvolvido. O capítulo 5 contém as conclusões a que se pôde chegar com os resultados obtidos e algumas sugestões acerca de trabalhos futuros relacionados. As referências bibliográficas podem ser encontradas no último capítulo. 3

18 Capítulo 2 Supercondutividade Neste capítulo serão vistos os principais pontos da teoria de supercondutores e da história da pesquisa da supercondutividade, com enfoque nas características mais relevantes para a aplicação em mancais magnéticos. 2.1 A Descoberta da Supercondutividade A supercondutividade consiste na resistividade elétrica nula demonstrada por alguns materiais quando submetidos a condições apropriadas de temperatura, densidade de corrente e intensidade de campo magnético. O fenômeno foi descoberto por Heike Kamerlingh Onnes, em 1911, enquanto buscava compreender o comportamento de metais em temperaturas extremamente baixas. Utilizando-se de Hélio líquido para refrigeração do material[2], Onnes esperava que a resistividade elétrica de suas amostras se correlacionasse linearmente com a temperatura a medida que se aproximassem do zero absoluto, atingindo valor nulo em 0 K para amostras puras[3] e um valor residual de resistividade para amostras impuras. Durante os testes com Mercúrio impuro, no entanto, Onnes observou que sua resistividade elétrica manteve-se como esperado apenas para valores de temperatura maiores do que 4,2 K, caindo abruptamente para zero neste ponto[4, 5]. Onnes batizou então o fenômeno, atribuindo-lhe o nome pelo qual é conhecido até hoje. Em 1913, ao encontrar as mesmas propriedades no chumbo, Onnes definiu como 4

19 temperatura crítica T c a temperatura abaixo da qual um material apresenta propriedades supercondutoras. Um ano mais tarde, ele observou que, quando submetido a correntes ou campos magnéticos não nulos, o material transitava para seu estado normal mesmo estando abaixo de sua temperatura crítica. Definiram-se então mais duas grandezas que limitam a manifestação das propriedades supercondutoras num dado material. A densidade de corrente crítica J c e a intensidade de campo magnético crítica H c, respectivamente, definem os pontos de densidade de corrente e intensidade de campo magnético abaixo dos quais deve ser mantido o material para que esteja no estado supercondutor. A figura 2.1 ilustra a região em que um dado material mostra-se em estado supercondutor. Figura 2.1: Região em que um material apresenta propriedades supercondutoras 2.2 Efeito Meissner e o Diamagnetismo Em 1933, Meissner e Ochsenfeld descreveram que um material no estado supercondutor expulsa de dentro de si todo o fluxo magnético, comportamento similar ao de um diamagneto perfeito[6]. Isso se deve a correntes elétricas superficiais que surgem no material de forma a anular o campo em seu interior. Devido à resistividade nula apresentada pelo material, as correntes geradas são persistentes. O fenômeno 5

20 foi denominado Efeito Meissner e a partir de então, a supercondutividade passou a ser vista como um estado da matéria. A figura 2.2 mostra o comportamento descrito pelo Efeito Meissner. Figura 2.2: Efeito Meissner Dois anos depois, Fritz e Heinz London explicaram o diamagnetismo dos supercondutores de acordo com as equações de Maxwell[7], ratificando os resultados apresentados por Meissner e Ochsenfeld. Posteriormente redigiram a teoria de que nos supercondutores existem superelétrons que conseguem atravessar o material com um gasto de energia bem menor do que os elétrons normais. 2.3 Tipos de Supercondutores Em 1950, Ginzburg e Landau classificaram os supercondutores em dois tipos: supercondutores de tipo 1, ou supercondutores moles, e supercondutores de tipo 2, ou supercondutores duros[8]. Enquanto os supercondutores de tipo 1 apresentam as características supercondutivas como descritas até agora, para os de tipo 2 é preciso definir duas intensidades de campo magnético críticas: H c1 e H c2, tal que H c1 < H c2. Enquanto abaixo de H c1 e dos valores críticos de densidade de corrente e temperatura, o material apresenta diamagnetismo perfeito, assim como um supercondutor de tipo 1. No entanto, quando sua intensidade de campo magnético está entre H c1 e H c2, o material apresenta-se no denominado estado misto, em que partes 6

21 cilíndricas micrométricas do material não transitam para o estado supercondutor, os vórtices ou fluxóides. Estes se organizam de forma regular pelo material, de acordo com a Rede de Abrikosov[9], descoberta por Alexei A. Abrikosov, permitindo a penetração quantizada de fluxo magnético. A figura 2.3 retrata as diferenças entre supercondutores de tipos 1 e 2. Figura 2.3: Tipos de Supercondutores e suas diferenças Quando o supercondutor for submetido a uma densidade de corrente de transporte, esta vai interagir com os fluxóides, induzindo forças de Lorentz, de acordo com a equação (2.1), onde J, B e F são densidade de corrente elétrica, densidade de campo magnético e força, respectivamente. F = ( J B )dv (2.1) A força de aprisionamento dos vórtices ou, força de pinning, é definida como a maior força que os vórtices podem aguentar sem que se desloquem pelo material, dissipando energia na forma de calor e aumentando a temperatura do material até que este transite para seu estado normal. A fim de aumentar as forças de pinning, é comum a inserção de impurezas no material, os centros de aprisionamento, formados por outro material e servindo como uma barreira para a movimentação dos vórtices. Uma das teorias mais completas e aceitas da supercondutividade é a proposta por Bardeen, Cooper e Schieffer, em 1957, chamada Teoria BCS[10]. É uma das principais teorias descritivas do fenômeno, sendo capaz de explicá-lo para supercondutores metálicos e alguns compostos cerâmicos, os supercondutores de baixa 7

22 temperatura crítica. No que diz respeito, contudo, aos de alta temperatura crítica, a teoria mostra-se ineficiente. O modelo do estado crítico[11], proposto em 1962 por Bean prevê que a corrente superficial que circula pelo supercondutor varia das bordas para o interior do material de acordo com o campo magnético a que este é exposto. Finalmente, em 1986, foram descobertos os supercondutores com alta temperatura crítica, ou High Temperature Superconductors (HTS), com a pesquisa de Bednorz e Müller. Com temperatura crítica na ordem de 100 K, os HTS permitem a utilização de Nitrogênio líquido para refrigeração, um material muito mais abundante e barato do que Hélio líquido, o que facilitou e incentivou as pesquisas na área. A tabela 2.1 apresenta alguns materiais supercondutores e suas características. Tabela 2.1: Materiais supercondutores (retirado de[12]) Material T c (K) Ano Hg 4, P b 7, Nb 9, NbN 0,96 15, Nb 3 Sn 18, Nb 3 (Al 0,75 Ge 0,25 ) Nb 3 Ga 20, Nb 3 Ge 23, Ba x La 5 x Cu 5 O y (La 0,8 Ba 0,11 ) Cu 4 δ (1GP a) Y Ba 2 Cu 3 O 7 δ Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O T l 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O T l 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (7GP a) HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ (25GP a) Hg 0,8 P b 0,2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O x HbBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ (30GP a) Hg 0,8 T l 0,2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8,33 (30GP a) MgB Vale o destaque para a liga Y Ba 2 Cu 3 O 7 δ, um óxido de Ítrio, Bário e Cobre, 8

23 de que as amostras utilizadas neste trabalho são feitas. Sua principal vantagem com relação a outros tipos de supercondutores é a possibilidade de ser utilizado, na temperatura do nitrogênio líquido, em aplicações práticas que demandem campos magnéticos de até 7 T. 2.4 Mancais Magnéticos Supercondutores Entre as principais aplicações dos supercondutores, podem-se citar mancais magnéticos supercondutores [13], veículos Maglev[1], limitadores de corrente [14], eletromagnetos com alto valor de campo magnético [15], máquinas de ressonância magnética, aceleradores de partículas, dispositivos de armazenamento de energia elétrica como Flywheels [16] e SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage System) [17], máquinas elétricas [18] e linhas de transmissão [19]. Dentre tais aplicações e considerando-se o âmbito deste trabalho, vale destacar os mancais magnéticos supercondutores. Mancais são estruturas cujo objetivo é minimizar as perdas por contato mecânico entre duas partes de uma mesma máquina que apresentam movimento relativo entre si. Os mancais magnéticos fazem uso das propriedades magnéticas de ímãs permanentes ou eletroímãs para a redução de atrito em aplicações de alto desempenho. No caso específico de mancais magnéticos supercondutores, é a interação entre um ímã permanente e um supercondutor do tipo II que garante a alta eficiência do processo de levitação [20]. Devido à estabilidade fornecida ao sistema graças às forças restauradoras passivas que surgem no supercondutor, este tipo de mancal dispensa o uso de sistemas de controle, ao contrário dos mancais eletromagnéticos [21]. A possibilidade de utilização de supercondutores do tipo II, neste tipo de aplicação, se deve ao aprisionamento de campo nos vórtices e ao diamagnetismo apresentado pelo material. Ao transitar para o estado supercondutor, os vórtices tendem a manter o campo a que o material estava exposto, de forma que qualquer alteração no posicionamento do supercondutor provoca uma variação no campo magnético 9

24 aprisionado, o que, por sua vez, causa a circulação de correntes em oposição a essa variação de fluxo, de acordo com a Lei de Lenz. A interação das correntes geradas com o campo magnético aprisionado implica o surgimento de uma força restauradora que faz com que a posição relativa entre o ímã e o supercondutor tenda a ser igual à do momento de refrigeração do material. Neste trabalho, foi implementado um sistema capaz de submeter mancais magnéticos supercondutores a variados tipos de ensaios, cujos principais parâmetros foram o posicionamento relativo entre ímã e supercondutor e a força de interação entre eles, de forma a promover maior compreensão acerca de seu funcionamento quando submetidos a condições similares às de suas aplicações reais. 10

25 Capítulo 3 Metodologia e Equipamentos Será apresentada neste capítulo a metodologia com que o projeto foi desenvolvido, com enfoque nos equipamentos utilizados para montagem da estrutura física e na implementação do programa utilizado para realização dos ensaios com supercondutores. 3.1 Estrutura Física Para estudar a interação de ímãs e amostras supercondutoras submetidas a forças externas, foi necessária a elaboração de um sistema capaz de exercer essas forças e ainda fornecer os dados de força aplicada e posição relativa a cada instante. O foco do estudo consiste na aplicação em levitação sobre trilhos, que por sua vez são construidos de forma que o campo gerado é o mesmo ao longo do seu comprimento. Devido a essa simetria na direção de locomoção do veículo, decidiu-se pela utilização de somente dois eixos de deslocamento, visto que os resultados seriam os mesmos para qualquer ponto no terceiro eixo. Como ponto de partida para o projeto, foi utilizada uma bancada previamente construída, cujo esquema pode ser observado na figura 3.1, capaz de provocar deslocamento relativo apenas na direção vertical. A estrutura principal da bancada é composta de uma mesa metálica com dois trilhos verticais localizados nas laterais, ao longo dos quais se desloca a estrutura móvel, cuja movimentação é realizada 11

26 por meio de um motor de passo acoplado a um fuso vertical. À estrutura móvel é fixada uma célula de carga, responsável pelas medidas de força. Para a realização dos ensaios, o recipiente com o supercondutor e o arranjo de ímãs são acoplados à base da estrutura e à célula de carga, por meio de parafusos. Esta bancada, contudo, apresentava algumas desvantagens: realizava apenas movimento vertical, não contava com medições de posição e apresntava altos ruídos nos sinais obtidos pela célula de carga. Figura 3.1: Esquema da Bancada Original Neste trabalho, adicionou-se à base da bancada original trilhos horizontais, permitindo o deslocamento de uma nova estrutura móvel, cuja movimentação é realizada por meio de um motor de passo acoplado a um fuso horizontal. Desta forma, o supercondutor ou ímã que antes era acoplado à base fixa da bancada deve ser posicionado na nova estrutura móvel, permitindo o deslocamento relativo em duas direções, Y e Z, entre ímã e supercondutor. Além disso, foram adicionados sensores 12

27 de posição a fim de medir o deslocamento relativo, tanto vertical quanto horizontal, de forma a evitar erros devidos a falhas mecânicas. Finalmente, a placa metalica da estrutura móvel de deslocamento vertical a que era acoplada a célula de carga foi substituida por uma placa de G10, um material isolante elétrico, de forma a minimizar as interferências eletromagnéticas na célula de carga. A tabela 3.1 mostra os equipamentos que compõem a bancada final, enquanto as figuras 3.2 e 3.3 mostram, respectivamente, um esquema evidenciando as adições e modificações feitas e uma foto da bancada completa, e a estrutura móvel de deslocamento horizontal. Tabela 3.1: Equipamentos que compõem a bancada final Equipamento Modelo Motor de Passo 1 KML093-F07 Original Motor de Passo Adicionado Fuso Vertical - Original Fuso Horizontal - Adicionado Trilhos Verticais - Originais Trilhos Horizontais - Adicionados Célula de Carga ATI SI Original Sensor de Posição 1 BUS M18K0-XAER-C40-S92K Adicionado Sensor de Posição 2 BUS M18K0-XAER-C40-S92K Adicionado Placa de G10 - Adicionada Driver ST10-PLUS Modificado Driver ST10-PLUS Adicionado Hub Adicionado Os motores de passo utilizados, modelos e KML093-F07, de torque estático 4.7 Nm e 9 Nm, respectivamente, e um ângulo de passo de 1.8 o. São capazes de atingir velocidades de até 40 rev/s. Sua alimentação é realizada por fontes PSK3 da Kalatec, que convertem tensão de 220 V CA T c para V CC T c por meio de um transformador ligado a uma ponte de diodos com capacitores na saída a fim de minimzar o ripple. Um dos motores de passo e sua fonte podem ser vistos na figura 3.4. A célula de carga, modelo ATI SI , mostrada na figura 3.5 é capaz de realizar medidas de força e torque, cada um em três direções. Neste projeto eram 13

28 Figura 3.2: Esquema e foto da bancada completa Figura 3.3: Estrutura mo vel de deslocamento horizontal 14

29 Figura 3.4: Motor de passo e sua fonte interessantes apenas as medidas de força, de forma que as medidas de torque, apesar de medidas em alguns casos, não são levadas em consideração durante a análise dos resultados. Seu fundo de escala e resolução para medições de força vertical são de 1980 N e 0.25 N, respectivamente, e para medições de força horizontal, de 660 N e N, respectivamente. Figura 3.5: Célula de Carga Os sensores de posição são sensores ultrassônicos, ambos de modelo BUS M18K0-15

30 XAER-C40-S92K e apresentados na figura 3.6, possuem resolução igual a 0.2 mm e são capazes de realizar medidas entre 30 e 400 mm. Figura 3.6: Sensor de Posição 3.2 Interface Analógico-Digital Um computador e duas placas de aquisição de dados são utilizados para aquisição e armazenamento dos dados fornecidos pela célula de carga e pelos sensores de posição, assim como para envio dos comandos a serem executados pelos motores de passo. Contudo, como meio de comunicação entre o computador e os equipamentos da bancada, alguns dispositivos fizeram-se necessários. Para controle dos motores de passo, faz-se uso de comunicação serial, através da porta serial do computador. Ligado a ela, um hub divide os comandos 16

31 direcionados a cada um dos motores. Conectados ao hub, por sua vez, estão dois drivers, ambos de modelo ST10-PLUS, cada um conectado a um motor, responsáveis pela conversão dos comandos enviados para os sinais elétricos correspondentes. A figura 3.7 mostra o driver ao lado de um dos motores de passo e o hub utilizado. Figura 3.7: Hub (a) e driver do motor de passo (b) Para interpretar no computador os sinais gerados pela célula de carga, é utilizada uma placa de aquisição PCI-6259, responsável pela conversão analógico-digital dos mesmos. Uma outra placa de aquisição, modelo PCI-6220, também é utilizada de forma análoga com os sensores de posição. Usam-se duas placas pois o cabo da célula de carga impede o uso de muitas das conexões da placa PCI-6259, de forma que uma segunda placa mostrou-se necessária. Um esquema de toda a interface analógico-digital pode ser visto na figura

32 Figura 3.8: Esquemático de interface de controle e aquisição 3.3 Programação O programa desenvolvido para o sistema de medidas de força é composto por seis funções de ensaio, cinco funções de configuração e duas funções de parada, que serão descritas nesta seção, assim como a estrutura geral do programa e suas finalidades Estrutura Geral do Programa A fim de enviar os comandos dos motores de passo de acordo com a lógica de movimento dos ensaios a serem executados, assim como receber e armazenar os dados obtidos pela célula de carga e pelos sensores ultrassônicos, foi desenvolvido um programa em LabVIEW. O LabVIEW é um software de projeto gráfico de sistemas da National Instruments, e foi escolhido devido a sua alta indicação para aplicações de medições e controle, além de sua fácil integração com os equipamentos utilizados. O programa foi desenvolvido de forma que fosse capaz de realizar os ensaios desejados e configurar os equipamentos de forma fácil e adequada, além de salvar os dados obtidos para posterior análise. A estrutura geral do programa pode ser vista 18

33 na figura Figura 3.9: Estrutura Geral do Programa A primeira parte do programa, executada automaticamente quando este é iniciado, é responsável pela inicialização das variáveis de interface com o usuário, configuração da comunicação serial e configuração dos drivers dos motores de passo, o que engloba ajuste de velocidade, aceleração, resolução e corrente máxima. As configurações feitas nesse momento consistem nos valores normalmente utilizado para cada parâmetro: 3 mm/s, 500 mm/s², partes por rotação e 5A, embora cada um possa ser reconfigurado de acordo com a vontade do usuário antes do início do ensaio ou de sair do programa. Em seguida, o programa entra em espera, aguardando uma ação do usuário. Através da interface do programa, três tipos de funções podem ser executadas: as funções de configuração, de ensaio e de parada. Uma vez que cada procedimento chega ao fim, o programa volta para seu estado de espera. 19

34 3.3.2 Funções de Configuração e de Parada As funções de configuração consistem na configuração dos motores, regulação da tara da célula de carga e dos sensores ultrassônicos, e deslocamento livre dos motores, sendo esta última útil para se ajustar a posição relativa desejada entre ímã e supercondutor no início de um ensaio. As funções de parada, por sua vez, são responsáveis pela interrupção imediata de qualquer procedimento e pelo encerramento do programa. Cada uma das funções, assim como os parâmetros de entrada necessários para cada uma delas e uma breve descrição podem ser visualizados na tabela 3.2. Tabela 3.2: Funções de Configuração e de Parada Função de Configuração Parâmetros Descrição Movimento Vertical Deslocamento Deslocamento para Sentido cima ou para baixo Movimento Horizontal Deslocamento Deslocamento para Sentido dos lados Configurar Velocidade Horizontal Ambos os motores são Velocidade Vertical configurados de acordo Aceleração com os parâmetros Resolução fornecidos pelo usuário Corrente Zerar Força Ajusta tara de força e torque Zerar Posição Ajusta tara de posição Função de Parada Parar Sair Descrição Interrompe Interrompe e sai As figuras 3.10 e 3.11 mostram as interfaces das funções de confiugração. As funções de parada, por não utilizarem nenhum parâmetro são acionadas simplesmente por dois botões: Parar ou Stop para a função Parar, presente em todas as abas da interface do programa e X para a função Sair, fora das abas. 20

35 Figura 3.10: Interface das funções de configuração - aba 1 Figura 3.11: Interface das funções de configuração - aba Funções de Ensaio As funções de ensaio compõem a maior e mais importante parte do programa, sendo responsáveis pelo controle dos motores e aquisição de dados de acordo com a lógica de cada um dos ensaios com supercondutores. Podem ser interrompidas a qualquer momento pelas funções de parada, o que, entretanto, não provoca a perda 21

36 dos dados obtidos, uma vez que eles são salvos à medida que são coletados. São seis os tipos de ensaios que foram desenvolvidos neste trabalho: Zero-Field Cooling (ZFC), Field Cooling (FC), Field Cooling Lateral (FC Lateral), Força Constante, Ensaio Dinâmico Unilateral e Ensaio Dinâmico Bilateral. Nesta seção serão apresentados fluxogramas contendo a lógica de cada função na programação do sistema. Os blocos em laranja são referentes a movimento vertical, os azuis, a movimento horizontal, e os verdes, a ambos. Ensaio de Zero Field Cooling (ZFC) A função de ZFC é a mais simples dentre as funções de ensaio e tem sua importância por poder fornecer a curva de onde pode-se extrair a força de levitação máxima de um mancal supercondutor. Utilizando como parâmetros posição inicial, posição mínima, passo e tempo de espera, sua rotina é composta de uma etapa de configuração, uma etapa principal e uma etapa de finalização. Na etapa de configuração são inicializadas as comunicações serial e com a célula de carga e é criado um documento de texto onde serão salvos os dados coletados de força e posição. Uma vez que todas as configurações foram feitas, dá-se início à etapa principal, onde o ensaio propriamente dito acontece. A estrutura móvel de deslocamento vertical se move D milímetros para baixo e espera T microssegundos, onde D e T são o passo e o tempo de espera fornecidos irrestritamente pelo usuário. As medidas de força são então armazenadas com os dados de posição correspondentes. O processo se repete até que seja atingida a posição mínima, momento a partir do qual o sentido de deslocamento é invertido e a estrutura passa a subir até atingir novamente a posição inicial. Quando a posição inicial é novamente atingida, inicia-se a etapa de finalização, onde as comunicações serial e com a célula de carga são suspensas e o documento de texto é finalizado. A lógica da função de ZFC e sua interface podem ser vistas na figuras 3.12 e

37 Figura 3.12: Função de Ensaio de ZFC Figura 3.13: Interface da função de ZFC Ensaio de Field Cooling (FC) Os ensaios de FC são utilizados para obterem-se curvas de força por posição para supercondutores resfriados na presença de campo magnético. Em comparação com os resultados esperados de um ensaio de ZFC, a força de levitação do FC deve ser menor, mas este deve apresentar maior estabilidade lateral. Ensaios de FC em conjunto com ZFC são interessantes pois permitem que se encontre um ponto de 23

38 operação ótimo, em que o mancal apresente força de levitação e estabilidade lateral adequadas. A função de FC é semelhante à de ZFC, mas conta com um parâmetro adicional: posição máxima. Neste tipo de ensaio, as etapas de configuração e finalização funcionam da mesma forma, mas a etapa principal apresenta uma diferença. Em vez de descer até a posição mínima e voltar à posição inicial, no ensaio de FC, a estrutura móvel de deslocamento vertical desce até a posição mínima, sobe até uma posição máxima e volta até a posição mínima. A lógica da função pode ser vista na figura 3.14 e sua interface, na figura Figura 3.14: Função de Ensaio de Field Cooling Ensaio de FC Lateral A função de FC Lateral é a primeira a contar com deslocamento horizontal. A partir de seus resultados, é possível observar a influência de oscilações horizontais no decaimento da força de levitação e nas forças laterais. Suas etapas de configuração e de finalização são iguais às da função de FC, mas ela conta ainda com parâmetros adicionais: amplitude horizontal e número de ciclos. 24

39 Figura 3.15: Interface da função de Field Cooling Na etapa principal, assim como na função de FC, a estrutura móvel de deslocamento vertical desce até atingir uma posição mínima, onde fica até o fim do ensaio. A estrutura móvel de deslocamento horizontal passa então a mover-se com o mesmo passo e tempo de espera, oscilando para os lados dentro dos limites estabelecidos pela amplitude horizontal um número de vezes equivalente ao número de ciclos fornecido pelo usuário. As figuras 3.16 e 3.17 mostram a lógica desta função e sua interface. Ensaio de Força Constante A função de Força Constante, diferentemente das anteriores, conta com limites de força para estabelecer o deslocamento do ensaio. Sua finalidade é a verificação do decaimento da altura de levitação ao longo do tempo quando o supercondutor permanece submetido a uma mesma força de interação com o ímã, o que corresponderia a um veículo de levitação magnética levitando mas parado sobre os trilhos. Conta apenas com três parâmetros: Força de Controle, Limite de Altura e Tempo de Ensaio. Enquanto as etapas de configuração e finalização seguem o mesmo padrão utili- 25

40 Figura 3.16: Função de Ensaio de FC Lateral zado nas outras funções, a etapa principal desta função é configurada de acordo com a força medida: a estrutura móvel de deslocamento vertical parte de sua posição inicial, deslocando-se para baixo. A cada 150 microssegundos, é comparado o valor de força vertical medido com o de controle. Caso o valor medido seja menor, a estrutura anda um passo de 0.1 milímetro para baixo. Caso seja maior, a estrutura fica parada. O processo se repete até que a altura ou o tempo limite seja atingido. Assume-se, em todos os momentos, que os valores de força serão maiores a medida em que o ímã e o supercondutor se aproximam. A lógica da função pode ser observada na figura 3.18, assim como a sua interface pode ser vista na figura

41 Figura 3.17: Interface da função de FC Lateral Figura 3.18: Função de Ensaio de Força Constante Ensaios Dinâmicos Os ensaios dinâmicos consistem numa simulação mais precisa de como operaria um veículo de levitação magnética supercondutora sobre trilhos, sujeito a oscilações 27

42 Figura 3.19: Interface da função de Força Constante verticais e horizontais, devido a curvas, aclives e declives, e mesmo variações de peso provenientes de embarque e desembarque de passageiros. Seus resultados permitem verificar o quanto varia a posição de operação do veículo nessa situação. As duas funções dinâmicas são as mais complexas dentre as funções de ensaio e são assim chamadas devido ao fato de toda a sua movimentação ser realizada de forma contínua, e não em passos, como nas outras funções. Apesar de a movimentação ser mais semelhante à de um veículo de levitação magnética do que a dos outros ensaios, o fato de ser contínua também provoca um aumento dos erros associados aos valores medidos de força e posição. Isso se deve ao atraso proveniente do tempo necessário para processamento dos dados e envio dos comandos por parte do programa. As funções dinâmicas utilizam como entrada Força Máxima Vertical, Força Mínima Vertical, Força Lateral Limite, Tempo de Ensaio, Intervalo de Movimentação Horizontal, Tempo de Espera no Limite e Limites de Posição. As etapas de configuração e finalização das funções dinâmicas são iguais às das outras funções de ensaio, e suas etapas principais distinguem-se tanto entre si quanto com relação às demais funções. A etapa principal da Função Dinâmica Bilateral inicia-se com o deslocamento 28

43 para baixo da estrutura móvel de deslocamento vertical. As medições de força, torque e posição são tomadas continuamente. Quando a medida de força corresponde ao valor máximo de entrada, o sentido se inverte e o movimento passa a ser para cima até que se atinja o valor de força mínima. A movimentação vertical é cíclica entre estes dois valores e não se interrompe até o fim do ensaio. A cada intervalo de tempo correspondente ao valor fornecido pelo usuário de Intervalo de Movimentação Horizontal, inicia-se um ciclo de movimentação horizontal sem interromper a movimentação vertical. Neste ciclo, a estrutura móvel de deslocamento horizontal movimenta-se primeiro para a direita, depois para a esquerda e novamente para o meio, realizando medições continuamente. Os limites desse ciclo são determinados pela Força Limite Horizontal, e uma vez que a estrutura atinja esse limite de força, ela permanece nele ao longo do Tempo de Espera no Limite, realizando ajustes de posição para que a medição de força horizontal permaneça constante. Quando o ciclo é finalizado, retoma-se a movimentação vertical. Em paralelo com tudo isso, são checados a cada instante o tempo decorrido de ensaio e as posições vertical e horizontal. Se em algum instante esses valores coincidem com os valores limites fornecidos pelo usuário, a etapa principal é finalizada e a etapa de finalização se inicia. A única diferença entre a Função Dinâmica de Dois Lados e a Função Dinâmica Unilateral é o ciclo horizontal. Para a função unilateral, este ciclo resume-se à estrutura horizontal movimentando-se apenas para um lado, aguardando o tempo de espera e voltando para o centro. A lógica das funções pode ser observada nas figuras 3.20 e 3.21 e suas interfaces, nas figuras 3.22 e 3.23 Neste capítulo foram apresentados os equipamentos utilizados e a metodologia adotada para realização do projeto. A seguir, serão vistos exemplos dos resultados obstidos dos ensaios que demonstrem o funcionamento do sistema de acordo com as entradas do usuário. 29

44 Figura 3.20: Função de Ensaio Dinâmico de Unilateral 30

45 Figura 3.21: Função de Ensaio Dinâmico de Bilateral 31

46 Figura 3.22: Interface da função de Ensaio Dinâmico Unilateral Figura 3.23: Interface da função de Ensaio Dinâmico Bilateral 32

47 Capítulo 4 Resultados O sistema desenvolvido foi utilizado em diversos ensaios fundamentais para a caracterização das amostras supercondutoras e maior compreensão acerca de seu uso em levitação magnética. Os resultados dos ensaios também podem ser observados para verificar se o sistema se comportou de forma coerente. Para cada tipo de ensaio, os resultados observados para diferentes amostras seguem um mesmo padrão, variando em valores, mas mantendo o mesmo formato. Nesta seção, serão vistos exemplos desses resultados em que seja possível verificar o funcionamento do sistema. Nos ensaios dinâmicos foram usados criostatos de supercondutores dispostos de forma idêntica aos utilizados no MagLev Cobra, enquanto os outros ensaios foram feitos com blocos supercondutores únicos. 4.1 Ensaio de Zero Field Cooling (ZFC) A figura 4.1 mostra os resultados de um dos ensaios de ZFC realizados por meio do sistema desenvolvido. Nela é possível observar o formato normalmente encontrado para a curva de Força Vertical x Posição Vertical deste ensaio. Os ensaios de ZFC são realizados sem a utilização dos sensores ultrassônicos, por terem sido implementados antes da obtenção dos mesmos, de forma que todas as medidas de posição armazenadas são calculadas pelo passo do motor. Neste exemplo, o supercondutor é resfriado a uma distância de 100 mm do ímã, 33

48 Figura 4.1: Resultados do ensaio de ZFC aproximado até 5 mm e afastado novamente até 100mm, em passos de 1 mm. É possível verificar o crescimento da força de repulsão entre a amostra supercondutora e o ímã utilizados a medida que se aproximam, e que essa mesma força diminui gradualmente conforme se afastam, até atingir a distância inicial, onde atinge valor nulo novamente. É notável, contudo, o fato de que, no caminho de volta, a força vertical chega a mudar de sentido, o que representa uma força de atração entre as partes. Isso é uma característica esperada deste tipo de curva e confere com os resultados obtidos previamente[22]. Verificando os resultados obtidos e analisando os valores de posição relativa atingidos em cada ponto do ensaio, é possível confirmar que a lógica do programa funcionou da forma correta, contudo, como não há medidas de posição reais, é possível que tenham ocorridos erros por perda de passo dos motores. 34

49 4.2 Ensaio de Field Cooling (FC) Assim como o ensaio de ZFC, o de FC não conta com os sensores ultrassônicos por ter sido implementado antes da aquisição dos mesmos, de forma que os valores de posição são obtidos também de acordo com os passos do motor. A figura 4.2 mostra a curva característica obtida para este ensaio. Figura 4.2: Resultados do ensaio de FC No ensaio cujos resultados deram origem à figura 4.2, a amostra supercondutora foi resfriada a 20 mm do ímã, aproximando-se até 5 mm, afastanto-se até 100 mm e retornando para 5 mm, em passos de 1 mm. É possível observar um formato semelhante à curva de Força Vertical x Posição Vertical do ensaio de ZFC da figura 4.1, contudo, uma vez que a amostra foi resfriada na presença de campo magnético, há uma grande quantidade de pontos em que foi medida força de atração, tanto no caminho de descida quanto no de subida. 35

50 Mais uma vez, a partir dos resultados obtidos verificou-se que a lógica do programa funcionou como esperado, mas o sistema ainda está sujeito a erros por perda de passo. 4.3 Ensaio de FC Lateral O Ensaio de FC Lateral é o primeiro que faz uso das adições feitas ao sistema, ou seja, os sensores ultrassônicos e a estrutura móvel de deslocamento horizontal. A figura 4.3 apresenta os resultados obtidos de força vertical e horizontal em função das posições vertical e horizontal. Também é possível observar a relação entre os valores de posição medidos pelos sensores ultrassônicos e os valores calculados pelo programa. Figura 4.3: Resultados do ensaio de FC Lateral Esse ensaio é particularmente interessante pois mostra as consequências de oscilações horizontais para a força vertical e para a força horizontal, grandezas que estão diretamente relacionadas com a capacidade de levitação e a estabilidade lateral 36

51 do supercondutor num dado campo magnético, que por sua vez são fatores muito importantes para a levitação magnética em larga escala. No ensaio em questão, a amostra foi resfriada a 20 mm do ímã, aproximandose para 5 mm e realizando duas oscilações horizontais entre -10 e +10 mm. É possível notar algumas características principais a partir da análise destes resultados: enquanto a amostra se aproxima do ímã, o ensaio apresenta os mesmos resultados de um FC normal, o que era de se esperar, mas uma vez que as oscilações horizontais se iniciam, é possível perceber um decaimento gradual da força de levitação. Além disso, a força horizontal segue uma curva ao redor da origem, tendendo a puxar a amostra para o centro das oscilações horizontais a medida que se distancia. Observando os dados de posição calculados e medidos, é possível confirmar que os valores de posição atingidos são os desejados. As medições de posição por parte dos sensores ultrassônicos se fazem importantes para confirmar que as estruturas móveis estão de fato se movendo como desejado. Entretando, o alto erro associado aos valores medidos, muitas vezes maior do que o passo do ensaio, compromete os resultados. A grande variação das medições de posição vertical se deve ao fato de o erro associado ser diretamente relacionado ao alcance para o qual o sensor é configurado, de forma que as medidas de posição vertical apresentam erro bem maior do que as de posição horizontal. 4.4 Ensaios Dinâmicos Os ensaios dinâmicos são os que melhor simulam as condições em que se encontraria um veículo de levitação magnética, com oscilações recorrentes, tanto verticais como horizontais. É possível visualizar os resultados de posição e força em função do tempo na figura 4.4 para o ensaio de unilateral e na figura 4.5 para o ensaio bilateral. Para ambos os ensaios, os parâmetros utilizados foram 1600 e 2000 N de força vertical mínima e máxima, respectivamente, e 300 N de força horizontal para cada um dos lados, no caso do bilateral e para apenas um lado para o ensaio unilateral. O 37

52 Figura 4.4: Resultados do ensaio dinâmico unilateral Figura 4.5: Resultados do ensaio dinâmico bilateral 38

53 supercondutor foi resfriado a 30 mm do ímã em ambos os casos. No teste dinâmico unilateral, os valores de posição relativa vertical começam em zero pois a tara de posição foi definida com a estrutura já na posição inicial do ensaio. É possível notar que o valor de posição vertical médio tende a cair gradualmente ao longo do ensaio, assim como a amplitude lateral dos ciclos horizontais tende a crescer. Além disso, a posição correspondente à força lateral nula tende a se deslocar para o lado em que ocorreu o último movimento da estrutura. A partir do intervalo de forças medidas, que são utilizados como parâmetro para este tipo de ensaio, é possível concluir que sua lógica funcionou de forma satisfatória. Contudo, a alta incerteza dos dados de posição ainda prejudica os resultados obtidos. Deve-se levar em consideração, também, o erro nas medições que se deve ao fato de os movimentos do ensaio serem contínuos combinado ao tempo de processamento do programa. Quanto maior for a velocidade de movimentação, maior será a incerteza dos resultados. 39