MÁQUINAS ELÉCTRICAS
D
ELECTRICAL MACHINES
Escovas de Carvão para Máquinas Eléctricas
Coai - Brushes for Electrical Machines
summary
This paperpresents the severa! types of coal-brushes used ln industrial electrical niachines, their selection criterion as well as the characteristics 01 each type.
resumo
o
artigo apresenta várias qualida-des de escovas utilizadas em máquinasindustriais, o seu critério de selecção e as características próprias de cada qualidade.
1. Introdução
Como já se salientou em artigos an-teriores publicados nesta revista [1, 2, 3], versando os aspectos da comutação em motores de tracção, as escovas têm um papel fundamental no bom
desem-penho desses motores. No entanto, este tipo de contacto deslizante não existe apenas nas máquinas de colector em corrente contínua e em corrente alter-nada. Ele existe igualmente nos moto-res assíncronos trifásicos de rotor bobinado, nos motores síncronos, nos alternadores hidráulicos e nos turbo-alternadores. Sendo as escovas um com-ponente extremamente importante para o bom funcionamento das máquinas eléctricas, se se atender aos seguintes
factores:
o
A sua fabricação obedece a requisi-tos tecnológicos bastantedesenvol-vides:
Leonor Lobo Mendes
L. Moreira Lobo
C. Pereira Cabrita
Engenheiros Electrotécnicos, J. ROMA, Lda.
o
São fabricadas em cinco qualidades diferentes e, para cada qualidade, existem vários tipos com caracterís-ticas diversas. No total. existem cer-ca de 45 tipos diferentes;O O conhecimento de todas as suas características é um assunto bastan-te especializado, que obriga a co-nhecimentos sólidos nos domínios do dimensionamento, da constru-ção e do funcionamento das máqui-nas eléctricas.
A selecção do tipo ideal de escova para uma determinada máquina
eléctn-ca é, como facilmente se conclui, uma tarefa bastante complexa que deverá ser realizada por pessoal altamente qua-lificado, e que é faseada nas caracterís-ticas construtivas e de funcionamento das máquinas eléctricas, no tipo de accionamento e nas condições ambi-entais. A firma J. Roma, Lda., esta-belecida em 1919, tema adoptado esta forma de actuação com sucesso e COD1
plena satistação dos seus clientes, repre-sentando o prestigiado fabricante fran-cês "Le Carbone - Lorraine" desde 1930.
2. Qualidades principais de
es-covas
Existem cinco grupos pnncipais de
escov as, correspondendo cada um de-les a um modo específico de fabricação
[4,5]:
o
Escovas carbografiticas A. São pre-paradas a partir de misturas de pó decarvão, de grafite natural e de grafi-te artificial. aglomeradas com um
ligante. Os compostos assim obti-dos são prensaobti-dos e as placas resul-tantes são cozidas para homo-geneizar e queimar o ligante.
Estas escovas são boas comu-tantcs. geralmente polidoras, e têm urna queda de tensão de contacto média (entre 2,3 e 3 V), e dev eID ser
utili-zadas em máquinas de corrente con-tínua estacionárias, antigas. e sem pólos auxiliares. Os seus limites de utilização são: 6 a 8 A/cm? no que
respeita à densidade de corrente, e 25 m s para a velocidade peri férica
,
maxima.
O Escovas electrografiticas EG. São
preparadas como as escovas
carbografíticas, no entanto sendo
.. .. I • , •
sujeitas a vanos tratamentos ternu-cos e em particular a um tratarnen-to a alta temperatura. superior a
2500° C, com a finalidade de trans-formar o carvão amorfo em grafite artificial.
As escovas impregnadas são especi-ahnente indicadas para ambientes húmi-dos e corrosivos uma vez que depositam sobre o colector ou sobre os anéis UI11a
película lubrificante anti-corrosi va. Es-tas escovas apresentam perdas reduzi-das e são particularmente adaptadas a \ elocidades elevadas. sendo apl icadas a todas as maquinas modernas estacioná-nas ou de tracção. rápidas. de tensões baixas, médias e elevadas, de carga cons-tante ou variável. Os seus limite de utilização são: H a 12 A/cln2 em regime
pennanentc c 20 a 25 A/cm2 cm regime
transitório instantâneo. e 60 m/s de
velo-cidade periférica máxima.
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o
Escovas grafiticas macias LFC. Oseu constituinte de base é a grafite natural purificada ou a grafite
artifi-cial, pulverizada e aglomerada com ligantes apropriados, sendo as mis-turas cozidas para qunnar o ligante. Estas escovas são macias, plásticas, amortecendo eficazmente choques e vibrações mecânicas, e são utilizadas exclusivamente nos anéis em aço de máquinas síncronas e assíncronas rápidas. Os seus hrni-tes de utilização são: 10 A/cm2
e 75 m/s.
O Escovas metálicas CG-MC. São obtidas misturando em proporçõe conx enientes pós de grafite natural purificada e de cobre, e por vezes também de chumbo e de estanho. Essas misturas são prensadas e pos-teriormente cozidas a temperaturas seleccionadas, para lhe conferir a solidez e a coesão necessárias. Per-tencem igualmente a este grupo as escovas impregnadas, sob pressão, de cobre fundido ou de cobre-chum-bo fundido. São escov as bastante
pesadas, de baixo atrito e de queda de tensão. consequentemente com perdas reduzidas.
Devem ser utilizadas em máquinas de corrente contínua lentas, de
bai-xa ou de muito baixa tensão, lentas mas com cargas elevadas, e ainda em motores síncronos de baixas e médias velocidades. Os seus limites de utilização são: 12 a
30 Alcm2 em regime permanente e 100 A/cm2 em regime transitório
instantâneo no que respeita às den-sidades de corrente, e 35 m/s como velocidade periférica máxima admissí velo
O Escovas resina-grafiticas BG. São
obtidas a partir de grafite natural ou artificial, aglomerada com uma re-sina fenólica termo-endurecedora. sendo essa mistura prensada e polimerizada a uma temperatura
conveniente. Estas escovas, devido a conterem resina fenólica na sua composição, apresentam elev ada resistência eléctrica sendo, por conseguinte, muito boas comutantes mas, em contrapartida, têm perdas eléctricas elevadas. A sua robustez mecânica é elevada e admitem um funcionamento com densidades de corrente muito reduzidas São Indicadas para as poucas maqui-nas de corrente alternada COIn
co-lector, estacronanas ou de tracção. de \ elocidades médias e COIncargas moderadas. A~ densidades de
cor-QUADRO I
Características principais das escovas
rente variam de tipo para tipo, e a velocidade periférica admissível si-tua-se em 40 m/s.
No Quadro I apresentam-se as ca-racterísticas de alguns tipos de es-covas pertencentes a estes cinco grupos [4, 5]. Saliente-se que existe
uma gama de escovas
carbo-grafiticas, cuprografiticas e meta-lografíticas, bem como
resina-grafíticas, para motores de potência fraccionária de uso geral e para má-quinas funcionando em ambientes
especiais - aeronáutica (baixa tem-peratura e ar rarefeito), e a baixas temperaturas e elevadas taxas de humidade, que não são objecto des-te artigo. Os valores da queda de tensão são E(> 3 V), M(2J a 3 V).
B(1,4 a 2.3 V) e MB«L4 V), e os do coeficiente de atrito, E(>0,20). M(0,12 a 0.20) e B( <0.1 2). Aten-dendo aos valores expostos, é possí-vel expor algumas conclusões inte-ressan tes (Quadro I).
O A escova carbografitica A 176. pelo facto de admitir uma \ elocidade periférica bastante mais reduzida que as restantes escovas, a sua
reststiv idade ser extremamente ele-\ ada e o seu atrito ser elev ado, é a
escov a indicada para motores de
CC estacionários. antigos. de baixa velocidade e sem pólos auxiliares, ou seja, de dificil comutação.
O A::, escov as electrografíticas EG
,
bastante e le v adas (note-se o
seu baixo valor de resi sti v i-dade) Quanto às qualidades rnetáli-cas impregnadas, COIno o seu teor de metal e mais baixo que o das qualidades aglomeradas. a sua resistividade é mais elev ada. Am-bos os tipos M609 e M6 73 são espe-ciahnente fabricados para a SUJ
Llti-lização ex clusiv a e m motores assíncronos sincronizados, C0111
anéis de bronze.
O As escovas resina-grafíncas. pelo facto de conterem resina. apre-sentam \ alares de resisti "idade extremamente elevado" e, por consequinte , quedas de tensão superiores a 3 V. Sendo muito boas cornutantes, são utilizadas exc Iusi vame nte nos poucos motores trifásicos de colector. dos tipos Schrage e Schorch, ainda existentes.
Fig. 1 - Escovas de carvão para máquinas eléctricas industriais Electrografinca EG 341 e Metálica CG 6535
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(elevada resistividade), deve ser uti-lizada em motores CC de velocida-de variável e velocida-de carga elevada, ou seja, de dificil comutação, como por exemplo em trens de laminagem. Quanto às qualidades impregnadas, o tipo EG 7099 (baixa resistividade), pelo facto de apresentar a mesma dureza da EG 34 D, é igualmente indicada para excitatrizes e gerado-res CC marítimos, e ainda para motores de tracção de pequena potência, de corrente contínua pura, por conseguinte com boa comutação. A qualidade EG 9049, de elevada resistividade, é uma escova típica para tracção eléc-trica, sendo aconselhável para motores CC pura ou ondulada, de grande potência e de difícil comutação.
O As escovas LFC, que, além de
se-rem macias (muito baixa
abrasi vidade), admitem veloci-dades periféricas bastante elevadas, devem ser utilizadas exclusiva-mente em turbo alternadores de 3000 r.p.m ..
O As escovas metálicas aglomeradas, devido ao teor de metal que contêm, apresentam resistividades significa-tivamente inferiores às das restante
qualidades - 140
!-ln
cm para a CG 651 (49% de metal) e lO!-ln
cm para a CG 75 (77~ o de metal). O tipo CG651 deve ser utilizado em
excitatrizes e em motores CC em mecanismos de elevação, ou seja, de tensão reduzida, bem como em turbo-alternadores de 1500 r.p.m. e em motores assíncronos com anéis de bronze, enquanto que a CG 75 é especialmente indicada para
moto-res de corrente contínua e
excitatrizes de baixa velocidade e tensão reduzida mas com cargas
K 20 K 22
Como facilmente se constata. as ga-mas de qualidade atrás caracterizadas. cobrem toda a variedade de máquinas eléctricas industriais com contactos deslizantes. e contemplam, para cada máquina, o seu regime de funciona-mento. Por outras palavras, existe o tipo ideal de escov a para maquina certa c
para o regime de funcionamento estipu-lado [4. 5. 6, 7]. K 23 l~ li ri ~ ~ ~ ~ ~ ~ B v. rI
~ B
.::::~ ... '- ...~ K 24 ~ ~ ~ / ~ rI.lo. ;;, ,;; ~ K 35Fig. 2 - Formas normalizadas de esc ovas,
K38
K 34
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contínua rectificada e tipo de recti-ficador, alternada-síncrona ou assíncrona de rotor bobinado)
- gerador ou motor
- sentido de rotação reversível ou não
- características nominais (potên-cia, velocidade, tensão, corrente) O Tipo de serviço e ciclo de carga O Ambiente de trabalho
O Corrente nos anéis
O Número de porta-escovas
O Número de escovas por porta-esco-vas
O Temperatura ambiente O Humidade relativa
O Diâmetro do colector
O Diâmetro dos anéis O Escovas
- desenho pormenorizado e cotado - comprimento do fiador
- tipo e dimensões do terminal
F
E
A
B
o
Qp
o
N
c::o
Fig. 3 - Formas normalizadas de terminais
3. Aspectos Tecnológicos
delos monobloco destinam-se amáqui-. "
nas estacionarias, enquanto que os mo-delos "sandwich" se destinam exclusi-vamente à tracção eléctrica [I, 2, 6, 7].
Por sua vez, na figura 3 ilustram-se formas normalizadas de terminais [5,6, 7]. Independentemente do modelo da escova, ela é caracterizada pelas suas dimensões,
Como se deve compreender. os mo-delos de escovas utilizadas em máqui-nas eléctricas são muito numerosos,
sendo impossível mencioná-los todos. Uma escova é constituída por três ele-mentos fundamentais (fig. I):
O A escova de carvão propriamente dita, que. ao estar em contacto me-cânico directo com o colector ou com o anel, assegura o contacto deslizante estator-rotor.
O O condutor de ligação. designado por fiador, que é um cabo multifilar
solidário ao corpo da escova nas qualidades A, EG, CG, M e BG, e fixo por rebites nas qualidades LFC devido a sua fragilidade mecânica.
O O terminal de contacto, que assegu-ra a ligação eléctnca ao
porta-esco-vas.
I
x
ax
rcomo se esquematiza na figura 4. To-mando o eixo de rotação da máquina como referência tem-se
O l-dimensão tangencial (ou circun-ferencial)
O a - dimensão axial
O r - dimensão radial (altura da escova)
Existem igualmente recomen-dações muito importantes [4,6,7],
que devem ser escrupulosamente
seguidas pelos utilizadores sob pena de mau funcionamento e mesmo de danos irreparáveis nas máquinas eléctricas:
O Nunca misturar tipos diferentes de Por outro lado, para que a qualidade
de uma escova possa ser correctamente definida há que fornecer os seguintes dados da parte do utilizador [4,6,7]: O Máquina eléctrica
- construtor
- número de .:;érie/tipo
- sistema de corrente (contínua pura,
, .
escovas na mesma maquma.
O Verificar se as escovas têm uma folga muito ligeira em relação às caixas dos porta-escovas,
O Verificar se os porta-escovas estão correctamente posicionados em re-lação às linhas neutras.
O Regular a distância dos porta-esco-vas aos colectores e aos anéis entre
2 e 3 cm,
O Verificar o bom estado dos colecto- , res (evitar ovalizações, lâminas le-vantadas, micas por rebaixar, e chanfrar as arestas das lâminas a 45° em 0,2 a 0,5 mm) e dos anéis (evitar ovalização ).
O Verificar, através de dinamómetro. se as pressões das molas dos porta-escovas são as correctas (ver quadro Il), e se são todas iguais para a Na figura 2 mostram-se algumas
for-mas normalizadas de escovas - os
mo-/ •• " • • b) a)
Fig. 4 - Dimensões nonnahzadas das escovas. a) Para colectores.
b) Para anéis.
, .
mesma maquina.
66 ELECI RIC1DADb N," 320, MAR<; o 1995
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QUADRO II
Pressões recomendadas para escovas (kPa).
CGeM ~---+---+---+---~ A EG normais 17 - 20 EG impregnadas LFC 13 - 20 Velo normal 17 - 70 Vel. < 1 mls 25 - 27 17 - 20 17 - 20 25 - 45 17 - 25 25 - 55 I k Pa = 10 g/crrr'
Como seria de esperar, as pressões de contacto para os motores de tracção são bastante maiores, na razão de 2: 1, em relação às que se devem praticar para as restantes máquinas. Para se
as-segurar uma boa passagem da corrente e óptimas características comutantes, há que estabelecer um bom contacto escova--colector o que se consegue, em motores sujeitos a regimes de carga tão variável e a vibrações mecânicas violentas, au-mentado a pressão desse contacto.
4. A escova sobre a máquina,
aspectos meccânicos eléc-
.
,
.
trícos
equmucos
As escovas asseguram uma função fundamental no funcionamento de uma máquina eléctrica, e o seu dever é con-ferir a cada máquina um certo conforto mecânico, eléctrico e atmosférico. Nas linhas que se seguem são examinados de uma forma resumida os principais pontos sensíveis relacionados com as escovas [4,6,7].
e
o
atrito no contacto escova-colec-tor não tem um valor fixo, uma vez que depende da qualidade do car-vão, da velocidade, da carga, do estado do colector ou do anel, e do ambiente. Os valores indicados no Quadro I representam apenas uma ordem de grandeza.e
Os colectores e os anéis não devem ser nem muito polidos nem muito rugosos, devendo os valores de rugosidade indicados na Ref. [6] ser respeitados. Se forem muito poli-dos, gera-se uma película vidrada sobre as pistas de contacto, que di-ficulta a passagem da corrente e aumenta as perdas por atrito. No caso de rugosidades muito eleva-das, aumenta o desgaste do carvão correndo-se o risco de curtocircuitos permanentes entre lâminas adj acen-tes do colector, devido aos depósi-tos anormais de pó de carvão.e
As vibrações comprometem o con-tacto escova-colector, e podem ser devidas a defeitos da própria má-quina, ao seu próprio funcionamen-to (tracção eléctrica) ou à própria escova devido a uma escolha inade-quada. Corre-se o risco do sistema escova-suporte entrar em ressonân-cia, com a sua consequente destrui-ção. Isto é evitado utilizando a qua-lidade correcta do carvão, escovas "sandwich" e amortecedores em bor-racha ou em silicone, como sucede em tracção eléctrica.e
Pressões de contacto fracas dimmu-em o atrito, no entanto ao dificulta-rem o contacto eléctrico aumentam o índice de faiscagem, e, por conse-guinte, das perdas e do desgaste de origem eléctrica. Em contrapartida,pressões elevadas melhoram o con-tacto eléctrico reduzindo as perdas eléctricas, mas, no entanto, aumen-tam o atrito e, consequentemente, as perdas por atrito e o desgaste da
escova.
e
As molas que equipam os porta-escovas devem assegurar sempre a mesma pressão de contacto, desde o início de funções da escova até ao seu desgaste máximo admissível.e
A queda de tensão no contacto é uma característica importante dos contactos deslizantes e não depende propriamente da escova ou damá-I
quina eléctrica. E uma função da camada complexa depositada sobre o colector ou sobre o anel (pista) e da camada interfacial (fig. 5). A pista é uma mistura de óxidos metá-licos, de carvão e de água, e a cama-da interfacial é composta por uma película gasosa, ionisada, com par-tículas de carvão em suspensão e, por vezes, de poeiras finas. Por con-seguinte, a queda de tensão é influ-enciada por todos os factores sus-ceptíveis de modificar a pista ou a camada interfacial-ternperatura,
pressão. humidade, impurezas, ve-locidade de rotação, densidade de corrente e qualidade da escova.
e
Se bem que as faíscas no contacto se devam, na generalidade das situa-ções, à comutação, há no entanto outras causas que podem igualmen-te contribuir para o aparecimento de faíscas-pressão das molas superiorà aconselhada, aumento do atrito por excesso de velocidade, carga excessiva, colector sUJOe defeitos de isolamento no enrolamento in-duzido
e
A corrente não se reparte uniforme-mente por toda a superfície de con-tacto da escova: em condições nor-mais as zonas de condução mudam constantemente, atingindo-se um determinado equilíbrio. Se este equi-líbrio se desfaz. as zonas de condu-ção reagrupam-se e diminuem em número, aparecendo estrias e picos sobre o colector ou os anéis. Estesar de indicada pelo construtor do motor, sempre provocou um ligeiro desgaste do colector. A nova quali-dade é menos abrasiva e melhor comutante. ...-1~ __
~scova
~~~~~contactos
camada
interfacial
pista
Agradecimentos
Ao terminar este trabalho, realizado no âmbito das comemorações dos 75 anos da firma J. Roma, Lda, os autores expressam os seus sinceros agradeci-mentos aos Engenheiros Salvador Ponce e Xavier Canosa da Sofacel - Carbone Espana, bem como a todos os colegas da
firma J. Roma Lda com os quais se reali-zaram di versas acções de formação neste domínio e cujo contributo foi funda-mental para a execução do artigo.
anel
Fig. 5 - Contacto deslizante escova-colector/anel.
fenómeno é de" ido a agentes exteri-ores (poeiras, gases, excesso de humidade) e à utilização de escovas inadequadas.
O A água, que é um constituinte essen-cial da pista, é fornecida pelo ar ambiente. Em ambientes muito se-cos, são os óxidos metálicos que predominam sobre a pista aumen-tando o atrito e, consequentemente, o desgaste das escovas. A situação crítica é atingida quando a taxa de humidade absoluta se situa em 2 gl
m", sendo o caso das aeronaves, das
atmosferas com gases secos
(hidrogéneo e azoto) e das máqui-nas estanques. Para estas aplicações particulares deverão ser aplicadas escovas especiais, que não constam deste artigo.
O As poeiras tomam-se abrasivas , dan-do origem a estrias nas pistas e a desgastes excessivos das escovas.
cimento profundo de todas aquelas qua-lidades como também dos aspectos de projecto e de comportamento das diver-sas máquinas eléctricas. Ilustram-se seguidamente três exemplos práticos, nos quais estivemos envolvidos
direc-tamente.
Referências bibliográficas
O Motor assíncrono trifásico com anéis: destruição dos anéis e dos suportes porta-escovas por utiliza-ção de escovas inadequadas. Repa-ração destes órgãos e utilização das escovas aconselháveis, do tipo EG 34D.
O Substituição da qualidade EG 4'OP pela qualidade EG 200, em motor de CC de carga variável, ou seja, de comutação dificil, e de grande po-tência.
[1] C. Pereira Cabrita, HA Comuta-ção 110S Motores Monofásicos de
Co-lector e Causas do seu Abandono à Frequência industriar', Electricidade
149, Março de 1980,p. 122-130.
[2] C. Pereira Cabrita, "A Comuta-ção do Motor de Corrente Ondulada" ,
Electricidade 151. Maio de 1980, p. 219-224.
[3] C. Pereira Cabrita, "Análise Com-parativa do Funcionamento do Motor
de Corrente Ondulada Alimentado por Rectificadores com Comando de Am-plitude e com Comando de Fase",
Elec-tricidade 189, Julho de 1993. p. 306-316.
[4] Le Carbone Lorraine, "Guide Technique - Balais pour Machines
,
Electriques", 1993.
[5] Le Carbone Lorraine, "Balais
Standards pour Machines Électriques Industrielles", 1993.
[6] J. Roma Lda, "Notas Técnicas sobre Escovas para Máquinas Eléctri-cas", 1993.
[7] C. Pereira Cabrita. "Motores com colector e anéis. Escovas de carvão para máquinas eléctricas", Textos de
Fonnação.1993. []
Analisando as características destas duas escovas, constata-se que elas são iguais, á excepção da resistividade, em
que o tipo EG 300 apresenta um valor 500/0superior à EG 40P, o que significa que é uma escova melhor comutante.
5. Considerações finais
Como se constatou ao longo do arti-go, as qualidades de escovas para má-quinas industriais, estacionárias e de tracção, são em grande número. Quer
isto significar que a selecção correcta de uma escova obriga não s6 ao
conhe-O Substituição da qualidade EG 98B pela EG 6982/T, em motor CC de grande potência, de carga constante e regulação de velocidade, e sem sobrecargas. A escovaEG 98B,
ape-M 12 50 54 2800 EG40P B/M 12 50 54 4200 EG 300 1!Ll!CTRJ( IDADE N." 320. MAR('O 1~~5 68
