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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 - [email protected] 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