MANCAIS MAGNÉTICOS Introdução (rms) Tipos de levitação (rms)

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1 MANCAIS MAGNÉTICOS Introdução (rms) Tipos de levitação (rms)
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

2 Referências [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 [6] A.O. Salazar, A. Chiba, T. Fukao. A Review of Developments in Bearingless Motors. Seventh International Symposium on Magnetic Bearings, Zürich, 2000, pp [7] Referências citadas em [5], [6] acima.

3 1. Introdução Necessidade de mancais magnéticos (mercado):
limitações mecânicas limitações térmicas Disponibilidade da indústria: eletrônica digital eletrônica de potência materiais magnéticos materiais supercondutores Perspectivas das aplicações: aeroespaciais, alimentos, medicamentos, alto vácuo, alta e baixa temperatura, atmosferas explosivas

4 Mancal radial Motor n c a l x i 4 inv 1Φ 1 inv 3Φ 4 inv 1Φ 2 inv 1Φ

5 2. Tipos de Levitação Mecânica Pressão de ar Aerodinâmica Elétrica
Forças eletrostáticas Magnética Eletromagnética (µ >>1) Eletrodinâmica (f = i x B) Imã Permanente Corrente Alternada (CA) Diamagnética Normal (µ < 1) Supercondutora (µ = 0)

6 3. Mancais Magnéticos Vantagens: ausência de lubrificação
altas velocidades baixas perdas menor custo de manutenção maior vida útil dinâmica controlável alta precisão diagnóstico de operação on-line identificação de parâmetros on-line Desvantagens: maior custo tecnologia sofisticada tecnologia em rápido desenvolvimento dados de confiabilidade (MTBF) ainda incipientes

7 Fabricantes mundiais de Mancais Magnéticos
 Magnetic bearings  Mancais Magnéticos   Austria (1)  Brazil (3) Igus do Brasil Ltda,  (São Paulo, SP ) – (11) – Oximag Produtos Magnéticos Ltda,  (São Caetano do Sul, SP ) – (11) – Durão Comércio de Rolamentos Ltda,  (São José do Rio Preto, SP ) (17) – 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:

8 4. Características eletromagnéticas
fm = k ( i ∕ y )2 fm – mg = m ÿ fm = ∆fm + mg ∆fm = ki ∆i + ky ∆y ∆i = i – i0 ∆y = y – y0 ki > 0 ky < 0 m ∆ÿ + ky ∆y = ki ∆i Controle y fm mg

9 fm = k ( i ∕ y )2 fm i fm i0 mg mg y0 y ∆fm = ky ∆y + ki ∆i

10 Modelo matemático simplificado
y i ki 1 _______________ m s 1 _________ s ky m ÿ + ky y = ki i ky < 0

11 Equações de Maxwell (baixas freqüências)
∫ D.dS = ∫  dV ∫ B. dS = 0 ∫ E. dl = -d /dt ∫ H. dl = N i .D =  .B = 0 xE =-dB/dt xH = J

12 Energia Armazenada (1/2) ∫ D.E dV (1/2) ∫ B.H dV
Energia armazenada no campo elétrico: (1/2) ∫ D.E dV Energia armazenada no campo magnético: (1/2) ∫ B.H dV

13 Propriedades dos materiais ferromagnéticos
B H Hc Br ∆B = µ0 ∆H B = µ0 H + J Br - Magnetismo remanente Hc - Intensidade de campo coercitiva

14 Circuitos magnéticos Aa lfe . Hfe + 2 d Ha = N i
Bfe Afe = Ba Aa  Bfe=Ba =B Bfe = 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)

15 Circuitos magnéticos Fluxo  = B.A  Fluxo enlaçado  = N. Relutância
R = Ni/ Indutância L = /i = N/I = N2/R  + Ni R -

16 Forças magnéticas Wa = (1∕2) Ba Ha Va = (1∕2) Ba Ha Aa 2d
Forças de Lorentz (eletrodinâmicas): F = Q ( v x B ) Forças ferromagnéticas: Wa = (1∕2) Ba Ha Va = (1∕2) Ba Ha Aa 2d F = (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) Ba2/µ0 = 40 N/cm2

17 Forças ferromagnéticas
F+ =(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

18 Formulário de forças Atuador simples F=(A∕2µ0) (Ba)2 Atuador diferencial F=(2AB0/µ0)B

19 5. Controladores para EMB

20 Malha de Controle - imposição de corrente -
m ÿ + ky y = ki I ky < 0 1 _______________ m s ky ki _________ s REG Amplificador de corrente

21 Malha de Controle - imposição de tensão -
1 _______________ L s R ku REG AMP TEN-SÃO m ÿ – ky y = ki i 1 _______________ m s ky ki _________ s

22 6. Características Mecânicas
  z z x Nx Ny y y x x y Jx d2 x/ d t2 = -  Jz dy/ d t + Nx Jy d2 y/ d t2 =  Jz dx/ d t + Ny

23 Características Mecânicas
 (rps) R 40 30 20 T T 10 R  (rps) 50 100 150 200

24 7. Circuitos de eletrônica de potência para EMB

25 8. Motores sem mancais

26 9. Estratégias de controle de motores sem mancais

27 10. Aspectos de realização

28 Sensores Item 3.7

29 Mancais de imãs permanentes
Item 3.8 NdFeB SmCo AlNiCo Ferrita

30 11. Experiência da UFRJ

31 12. Conclusões