11

MANCAIS MAGNÉTICOSMANCAIS MAGNÉTICOS1. Introdução (rms)

2. Tipos de levitação (rms)

3. Mancais magnéticos (rms)

4. Características eletromagnéticas (rms)

5. Controladores para mancais magnéticos (acdg)

6. Características mecânicas (dfbd)

7. Circuitos de eletrônica de potência para mancais magnéticos (jasl)

8. Motores sem mancais (jasl)

9. Estratégias de controle de motores sem mancais (acdg)

10. Aspectos de realização (jasl)

11. Experiência da UFRJ

12. Conclusão

22

ReferênciasReferências[1] A. Chiba et al. Magnetic Bearings and Bearingless Drives, Elsevier, 2005.[2] G. Schweitzer, H. Bleuler, A. Traxler. Active Magnetic Bearings. Hochshulverlag AG an der ETH Zürich, 1994.[3] F.C.Moon. Superconducting Levitation: applications to bearings and magnetic transportation. John Wiley & Sons, 1994.[4] P.K. Sinha. Electromagnetic Suspension. IEE Control Engineering Series, 1987.[5] J.A. Santisteban, D.F.B. David, R.M. Stephan. Active Magnetic Bearing and Induction Bearingless Machine: a comparison. COBEP’2001. Florianópolis, pp. 608-613.[6] A.O. Salazar, A. Chiba, T. Fukao. A Review of Developments in Bearingless Motors. Seventh International Symposium on Magnetic Bearings, Zürich, 2000, pp.335-341.[7] Referências citadas em [5], [6] acima.

33

1. Introdução1. Introdução Necessidade de mancais magnéticos (mercado)Necessidade de mancais magnéticos (mercado):: limitações mecânicaslimitações mecânicas limitações térmicaslimitações térmicas

Disponibilidade da indústriaDisponibilidade da indústria:: eletrônica digitaleletrônica digital eletrônica de potênciaeletrônica de potência materiais magnéticosmateriais magnéticos materiais supercondutoresmateriais supercondutores

Perspectivas das aplicaçõesPerspectivas das aplicações:: aeroespaciais, alimentos, medicamentos, aeroespaciais, alimentos, medicamentos, alto vácuo, alta e baixa temperatura, alto vácuo, alta e baixa temperatura, atmosferas explosivasatmosferas explosivas

44

Mancal radial

Mancal radial

Motor

mancal

axial

4 inv 1Φ 1 inv 3Φ 4 inv 1Φ 2 inv 1Φ

Motormancal

Motormancal

mancal

axial

3 inv 3Φ 2 inv 1Φ

55

2. Tipos de Levitação2. Tipos de Levitação MecânicaMecânica

Pressão de arPressão de arAerodinâmicaAerodinâmica

ElétricaElétricaForças eletrostáticasForças eletrostáticas

MagnéticaMagnéticaEletromagnética (Eletromagnética (µ >>1)µ >>1)Eletrodinâmica (f = i x B)Eletrodinâmica (f = i x B)Imã PermanenteImã PermanenteCorrente Alternada (CA)Corrente Alternada (CA)Diamagnética Diamagnética Normal (Normal (µ < 1)µ < 1)Supercondutora (Supercondutora (µ = 0)µ = 0)

66

3. Mancais Magnéticos3. Mancais Magnéticos Vantagens:Vantagens:

ausência de lubrificaçãoausência de lubrificaçãoaltas velocidadesaltas velocidadesbaixas perdasbaixas perdasmenor custo de manutençãomenor custo de manutençãomaior vida útilmaior vida útildinâmica controláveldinâmica controlávelalta precisãoalta precisãodiagnóstico de operação on-linediagnóstico de operação on-lineidentificação de parâmetros on-lineidentificação de parâmetros on-line

Desvantagens:Desvantagens:maior customaior custotecnologia sofisticadatecnologia sofisticadatecnologia em rápido desenvolvimentotecnologia em rápido desenvolvimentodados de confiabilidade (MTBF) ainda incipientesdados de confiabilidade (MTBF) ainda incipientes

77

Fabricantes mundiais de Fabricantes mundiais de Mancais MagnéticosMancais Magnéticos

http://www.thomasglobal.com Magnetic bearingshttp://www.thomasglobal.com.br Mancais Magnéticos  Austria (1)  Brazil (3) Igus do Brasil Ltda,  (São Paulo, SP ) – (11)35314487 –www.igus.com.br - abatista@igus.com.br Oximag Produtos Magnéticos Ltda,  (São Caetano do Sul, SP ) – (11)42264410 – www.oximag.comDurão Comércio de Rolamentos Ltda,  (São José do Rio Preto, SP ) (17) 32151133 – www.durao.com.br

Canada (1) China (1)   Czech Republic (1)  Denmark (1)   Finland (1)   France (2)   Germany (3)    Greece (1)   India (5)    Ireland (1)    Italy (2)    Mexico (3)   Netherlands (1)  Norway (1)    Poland (1)   Portugal (1)   Spain (1)   Sweden (1)    Switzerland (1)    U K (2)   United States (18)

Os que efetivamente mais se destacam:www.s2m.frwww.skf.com

88

4. Características eletromagnéticas4. Características eletromagnéticasfm = k ( i ∕ y )2

fm – mg = m ÿfm = ∆fm + mg∆fm = ki ∆i + ky ∆y∆i = i – i0∆y = y – y0

ki > 0ky < 0m ∆ÿ + ky ∆y = ki ∆i

Controle

yfmmg

99

fm = k ( i ∕ y )2

∆fm = ky ∆y + ki ∆i i

fm

i0

mg

y

fm

y0

mg

1010

Modelo matemático simplificadoModelo matemático simplificado

m ÿ + ky y = ki iky < 0

1_______________

m s

ky

ki1

_________

si y

1111

Equações de MaxwellEquações de Maxwell(baixas freqüências)(baixas freqüências)

∫ ∫ DD.dS = ∫ .dS = ∫ dV dV ∫ ∫ BB. dS = 0. dS = 0 ∫ ∫ EE. dl = -d. dl = -d /dt /dt ∫ ∫ HH. dl = N i. dl = N i

..DD = = ..BB = 0 = 0xxEE =-d =-dBB/dt/dtxxHH = = JJ

1212

Energia ArmazenadaEnergia Armazenada

Energia armazenada no campo elétrico:

(1/2) ∫ (1/2) ∫ DD..EE dV dVEnergia armazenada no campo magnético:

(1/2) ∫ (1/2) ∫ BB..HH dV dV

1313

Propriedades dos materiais Propriedades dos materiais ferromagnéticosferromagnéticos

B = µ0 H + JBr - Magnetismo remanenteHc - Intensidade de campo coercitiva

B

HHc

Br

∆B = µ0 ∆H

1414

Circuitos magnéticosCircuitos magnéticos

lfe . Hfe + 2 d Ha = N iBfe Afe = Ba Aa Bfe=Ba =BBfe = µ0 µr Hfe Ba = µ0 Ha

B = µ0 Ni ∕ [(lfe∕ µr) + 2 d]µr >> 1 B = µ0 Ni ∕ [2 d]R = Ni/ =(2d)/(µ0 Aa)

d

i

Aa

1515

Circuitos magnéticosCircuitos magnéticos Fluxo = B.A Fluxo enlaçado = N.= N. RelutânciaRelutânciaR = Ni/IndutânciaIndutânciaL = L = /i = N/i = N/I = N2/R

RNi

+

-

1616

Forças magnéticasForças magnéticasForças de Lorentz (eletrodinâmicas): F = Q ( v x B )Forças ferromagnéticas:

Wa = (1∕2) Ba Ha Va = (1∕2) Ba Ha Aa 2dF = (Wa)’ = (1∕2) Ba Ha (2Aa ) F = (1∕2µ0) (Ba)2 (2Aa)F = 0.25 µ0 N2 Aa ( i ∕ d )2 = k ( i ∕ d )2 Valores numéricos:para B=1T F/(2 Aa) = (1/2) Ba

2/µ0 = 40 N/cm2

1717

Forças ferromagnéticasForças ferromagnéticasF+ =(A/2µ0)(B0+B)2

F- = (A/2µ0)(B0-B)2

F+ = k [(i0 + ix) ∕ (d – x)]2

F- = k [(i0 - ix) ∕ (d + x)]2

F = F+ - F-

F = (2AB0/µ0)B

F = ki ix + kx x

ki = (4 k i02) ∕ d3

kx = (4 k i0 ) ∕ d2

ix

i0

i0 + ix

i0 - ix

x

1818

Formulário de forçasFormulário de forças

Atuador simples F=(A∕2µ0) (Ba)2 Atuador diferencialF=(2AB0/µ0)B

1919

5. Controladores para EMB5. Controladores para EMB

2020

Malha de ControleMalha de Controle- imposição de corrente -- imposição de corrente -

REG Amplificador de corrente

m ÿ + ky y = ki Iky < 0

1_______________

m s

ky

ki1

_________

s

2121

Malha de ControleMalha de Controle- imposição de tensão -- imposição de tensão -

m ÿ – ky y = ki i

1_______________

m s

ky

ki1

_________

s1

_______________

L s

R

ku

REGAMPTEN-

SÃO

2222

6. Características Mecânicas6. Características Mecânicas

y x

z

x y

z

y

x

Jx d2 x/ d t2 = - Jz dy/ d t + Nx

Jy d2 y/ d t2 = Jz dx/ d t + Ny

NyNx

2323

Características MecânicasCaracterísticas Mecânicas

(rps)050 100 150 200

30

40

20

10

(rps) R

TT

R

R

2424

7. Circuitos de eletrônica de 7. Circuitos de eletrônica de potência para EMBpotência para EMB

2525

8. Motores sem mancais8. Motores sem mancais

2626

9. Estratégias de controle de 9. Estratégias de controle de motores sem mancaismotores sem mancais

2727

10. Aspectos de realização10. Aspectos de realização

2828

SensoresSensores

Item 3.7

2929

Mancais de imãs permanentesMancais de imãs permanentes

Item 3.8

Ferrita

AlNiCo

NdFeB

SmCo

3030

11. Experiência da UFRJ11. Experiência da UFRJ

3131

12. Conclusões12. Conclusões