IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE CARACTERIZAÇÃO DE MANCAIS MAGNÉTICOS SUPERCONDUTORES
PAULO V. A. FERREIRA, CLAYTON L. C. MARCELINO, GABRIEL C. BORDIN , ANÍSIO S. P. C. REAL , GUILHERME
G. SOTELO, RUBENS DE ANDRADE JR., JOSÉ LUIZ DA SILVA NETO Departamento de Eletrotécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro Ilha do Fundão , CEP: 21945-970, Caixa Postal: 68515, Rio de Janeiro – RJ.
E-mails: pvinopv@hotmail.com, claylcmar@yahoo.com.br, gbordin@gmail.com, aspcr2@gmail.com, sotelo@coe.ufrj.br, randrade@dee.ufrj.br,
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Abstract This paper presents the implementation of a superconducting magnetic bearing characterization system and the
starting tests. It provides the automatized levitation force measurement as a function of position, with variable approaching speed. The motivation for building this system is the hysteretic character of the force between a superconductor and a magnet. This character leads a variable force with the speed. With this measurement system it is also possible to take the magnetic field profile of magnets. The system is a linear actuator coupled to a step motor. A micro-controlled converter controls the step motor. The microcontroller is also used to acquire the data from the load cell (or Hall sensor), synchronize it with the position data and send to the computer. The system was tested with two superconducting magnetic thrust-bearing prototypes.
Keywords Measurement automatization, microcontroller, superconducting magnetic bearing, step motor drive
Resumo Este trabalho apresenta a implementação de um sistema de caracterização de mancais magnéticos supercondutores e
seus testes iniciais. Este sistema permite a obtenção automatizada da força de levitação em função da posição, com velocidade variável de aproximação entre as partes do mancal. A construção do sistema foi motivada pelo caráter histerético da força de en-tre um supercondutor e um imã permanente, o que torna a força de levitação uma função da velocidade de aproximação entre o supercondutor e o imã. Este sistema também permite a obtenção do perfil de campo magnético de magnetos. O sistema consiste de um atuador linear acoplado a um motor de passo. O acionamento do motor é realizado por um conversor que recebe as instru-ções de chaveamento de um microcontrolador, que também responsável pela aquisição dos dados. O conversor A/D do micro-controlador amostra o sinal proveniente da célula de carga (ou do sensor de efeito hall) e o sincroniza com a posição do atuador linear. 0 sistema desenvolvido foi testado com dois protótipos de mancais magnéticos supercondutores de escora.
Palavras-chave Automatização de medidas, microcontrolador, mancais magnéticos supercondutores, acionamento de motor
de passo.
1 Introdução
Os mancais têm a função de dar sustentação e suporte a dispositivos mecânicos em movimento, seja este movimento de rotação ou translação. Portanto, eles são projetados para minimizar o atrito durante a ope-ração do dispositivo. A maioria dos mancais mecâni-cos utiliza-se de fluidos para minimizar este atrito, porém o atrito viscoso aumenta rapidamente com o aumento da velocidade. Por este motivo, mancais mecânicos têm um consumo de potência elevado para a manutenção de altas velocidades, seja de rotação ou translação, além de necessitarem de um sistema efici-ente de refrigeração para remoção do calor gerado pelo atrito. Dispositivos de alta velocidade operando com mancais mecânicos têm baixa eficiência devido às perdas associadas à produção e remoção de calor (Wilcock, 1957).
As soluções usuais para aumentar a eficiência dos mancais em alta velocidade de operação são os mancais magnéticos passivos e ativos. Mancais mag-néticos passivos (de imãs permanentes) são incapazes de prover estabilidade em todas as direções do espa-ço simultaneamente (Earnshaw, 1839), necessitando sempre de um mancal auxiliar capaz de prover a es-tabilidade do conjunto. Mancais magnéticos ativos
têm a sua estabilidade garantida pelo sistema de con-trole das bobinas eletromagnéticas. Neste caso a e-nergia gasta para gerar e controlar o campo magn éti-co nas bobinas deve ser éti-computada éti-como perda no mancal.
Outra solução possível para mancais de alta ve-locidade são os Mancais Magnéticos Superconduto-res (MMS), tanto para o caso de mancais lineaSuperconduto-res (de Andrade, 2003) quanto para de mancais rotativos (Hull, 2000) (Sotelo, 2005). Esses mancais compos-tos de imãs permanentes e supercondutores operam sem qualquer espécie de contato físico entre a parte móvel e a fixa, sendo totalmente passivos e auto-estáveis. Contrariamente a interação somente entre imãs permanentes, a interação entre imãs permanen-tes e supercondutores é estável em todas as direções do espaço devido ao diamagnetismo dos supercondu-tores. Além da força de repulsão entre os supercon-dutores e os imãs permanentes devida ao diamagne-tismo dos supercondutores, os supercondutores do tipo II utilizados em MMS aprisionam fluxo magn é-tico no seu interior aumentando a estabilidade e rigi-dez do mancal (Hull, 2000). Este aprisionamento de fluxo magnético no interior do supercondutor além de aumentar a rigidez e estabilidade do mancal leva a um comportamento histerético da força de levitação (repulsão) do mancal (Hull, 2000).
que o comportamento dinâmico de mancais magnéti-co supermagnéti-condutores depende fortemente da histerese na força de levitação, ou seja do fluxo magnético aprisionado nos supercondutores. Isto motivou o de-senvolvimento de um sistema de medida de força em função da posição com velocidade de aproximação controlada e aquisição simultânea de dados. Este sistema permitirá a comparação entre as medidas de força de levitação de mancais magnéticos supercon-dutores com resultados dinâmicos destes mancais obtidos de curvas de vibração livre (de Andrade, 2000).
O presente trabalho se dedica a apresentar a im-plementação do sistema de medida de força para a caracterização e estudo dos MMS. A partir das medi-das realizamedi-das é possível descobrir qual a relação entre a carga máxima suportada por um mancal em função de uma dada distância dos supercondutores. O sistema consiste de um acionador linear que trans-forma o movimento rotativo de um motor de passo em movimento linear. No acionador linear é fixada a parte móvel do mancal em uma célula de carga. O acionamento do motor de passo é feito por meio de um conversor eletrônico controlado por um micro-controlador PIC 16F628. O micromicro-controlador tam-bém é responsável por converter os sinais analógicos gerados pela célula de carga, fazer a amostragem do sinal e digitalizar a informação através de um conver-sor A/D . Como o sinal da célula de carga é muito baixo (da ordem de mV), utiliza-se um amplificador operacional de instrumentação INA111 que dá ganho suficiente para que o sinal seja ajustado à entrada do conversor A/D. Este sistema também é utilizado para o mapeamento do campo magnético dos mancais, neste caso a célula de carga é substituída por um sen-sor Hall. Os detalhes da implementação desses circui-tos serão apresentados na seção 3.
2 Mancais magnéticos supercondutores Os mancais magnéticos supercondutores baseiam-se na interação entre supercondutores e ímãs permanen-tes para a operação (Brandt, 1989). Além da força de repulsão entre o ímã e o supercondutor devido à pro-priedade diamagnética do material, pode existir tam-bém uma força de atração devida ao aprisionamento de fluxo magnético no interior do supercondutor. Esta força de atração depende da condição de resfri-amento e/ou da história magnética do supercondutor e permite variar a rigidez do mancal.
A auto-estabilidade mecânica dos mancais su-percondutores é uma grande vantagem sobre os ou-tros dispositivos de levitação magnética. Essa estabi-lidade torna o sistema totalmente passivo, dispensan-do a necessidade de utilizar um sistema de controle e monitoramento da posição para a operação do mancal supercondutor, como no caso dos mancais eletro-magnéticos. Uma desvantagem apresentada por qual-quer aplicação que utilize supercondutores é a
neces-sidade de um sistema de refrigeração. Entretanto, a descoberta dos materiais supercondutores cerâmicos de alta temperatura crítica na década de 80 (como por exemplo o YBCO, com TC~90K), com ótimas
pro-priedades físicas para diversas aplicações, motiva a utilização desses materiais na levitação supercondu-tora. A grande vantagem é que essas cerâmicas po-dem operar resfriadas por nitrogênio líquido, cuja temperatura de ebulição é 77K. Outra dificuldade ainda encontrada para a implementação desses man-cais é o elevado custo dos blocos supercondutores. Por exemplo, um bloco cilíndrico com 28mm de di-âmetro e 10mm de altura custa da ordem de US$ 300,00.
Para os testes do sistema de medida construído foram realizadas medidas de força de levitação em dois mancais magnéticos supercondutores rotativos com diferentes topologias de distribuição do campo magnético nos rotores de imãs permanentes.Ambos
Figura 1: Comparação entre as duas topologias de mancal de escora analisadas. (a) Concentrador de Fluxo (CF) e (b) Anéis
Magnetizados Axialmente (AMA).
Figura 2. Distribuição dos supercondutores utilizados em ambos mancais.
os mancais possuem um rotor com um arranjo de imãs permanentes de Nd-Fe-B (Fig. 1) e um estator com blocos supercondutores de YBa2Cu3O7-d,
YBCO, texturizados por fusão semeada, refrigerados por nitrogênio liquido (Fig. 2). As duas topologias de mancais supercondutores são apresentadas na figura 1 e são denominadas de: Concentrador de Fluxo (CF), Fig. 1a, e Anéis Magnetizados Axialmente (AMA), Fig. 1b. Para uma melhor comparação entre as duas configurações de mancais de escora estuda-das, ambas topologias apresentam o mesmo volume total de ímã permanente.
3 Sistema de medidas
O sistema consiste de um acionador linear que trans-forma o movimento rotativo de um motor de passo em movimento linear. No acionador linear é fixada a parte móvel do mancal em uma célula de carga. Este sistema possibilita não só a medida de força de levi-tação de um mancal supercondutor como também o mapeamento da distribuição de campo magnético no rotor do mancal. No caso do mapeamento do perfil de campo, a célula de carga do atuador linear é subs-tituída por uma ponta de prova Hall.
Todo o sistema é automatizado através de um microcontrolador que coordena o motor de passo e aquisita os sinais das medidas em um conversor A/D e envia ao computador, Fig. 3.
3.1 Acionamento do motor de passo
O acionamento do motor de passo é feito através de um microcontrolador PIC16F628 que se comunica com o computador pela porta serial. O circuito de controle é acoplado ao circuito de potência por meio de um optoacoplador (TIL 113), Fig. 4. As bobinas do motor são ligadas em série duas a duas. O acio-namento das bobinas é feito de modo a maximizar o torque do motor. Para tal, utiliza-se o passo inteiro, onde duas bobinas não ligadas em série são aciona-das por um passo, sendo que o motor utilizado gira 1,8º por passo. O sistema de acionamento permite o controle do sentido e velocidade de rotação e sua de modo que o braço do atuador linear tem o sentido de
deslocamento e velocidade controlados pelo micro-controlador.
3.2 Sistema de medidas de força
Para o sistema de medida de força, utiliza-se uma célula de carga diretamente acoplada a um atua-dor linear, este que por sua vez transmite o movimen-to do momovimen-tor de passo ao mancal e controla a sua po-sição num movimento unidimensional. Na região linear de operação, a célula de carga produz sinais de tensão proporcionais a força aplicada sobre ela. De-vido ao baixo nível do sinal da célula de carga (da ordem de mV), esses sinais são enviados primeira-mente a um amplificador operacional de instrumenta-ção de alto ganho (INA 111), de modo que o fundo de escala possa ser ajustado de acordo com as condi-ções desejadas. Na entrada deste amplificador foi implementado um filtro RC (passa baixa) com a fun-ção de reduzir possíveis ruídos presentes no sinal. A saída deste amplificador é então ligada ao conversor AD do microcontrolador, que através da porta serial envia os dados de leitura de força e posição angular do motor de passo ao computador. Esses dados são então aquisitados pelo PC através do programa CVI, que efetua a leitura de sinal na porta serial. O contro-le do número de passos do motor é feito para realizar a sincronização da posição angular do motor (e con-seqüentemente a posição linear do atuador) com a leitura da força de levitação efetuada pela célula de carga. Essas informações permitem efetuar a caracte-rização dos supercondutores, obtendo informações
TIL113 +5V 560 3k9 1k MICROCON-TROLADOR TIP140 1 motor 1N4007
Figura 4: Diagrama esquemático do acionamento de uma fase do motor de passo.
Figura 5: Arranjo do sistema de caracterização implementa-do com o microcontrolaimplementa-dor.
como: força em função da altura entre o supercondu-tor e o disco, curva de histerese na força de levitação, etc. O sistema de medida de força implementado é apresentado pela figura 5
3.3 Sistema de medida de densidade de fluxo magné-tico
As medidas de densidade de fluxo magnético são feitas usando um gaussímetro F.W. Bell (mod. 5080), através de um sensor de efeito Hall. Utilizando o mesmo sistema descrito acima para as medidas de força de levitação, retira-se a célula de carga que é substituída pelo sensor de efeito Hall. Mantendo o disco de Nd-Fe-B estático, varise a posição do a-cionador linear, de forma a mapear unidimensional-mente a densidade de fluxo magnético do mancal. Este sensor captura a componente axial do campo magnético e produz uma tensão proporcional a sua magnitude. A tensão é então convertida em densidade de fluxo magnético pelo gaussímetro, podendo ser adotadas como unidades em Tesla ou Gauss. A saída do gaussímetro é conectada a porta serial de um PC que faz a aquisição do sinal e sincronização com a posição linear (da mesma forma que efetuada para a medida de força).
4 Testes com o sistema de medidas O perfil de campo magnético dos rotores das du-as topologidu-as de mancais magnéticos supercondu tores testadas foram inicialmente simuladas utilizan-do simulações estáticas bidimensionais axissimétricas pelo método de elementos finitos (MEF). Na figura 6 são apresentadas as duas configurações de supercon-dutores e também as linhas de fluxo para as simula-ções 2D axissimétricas.
Na figura 7 são mostradas as medidas do perfil de campo magnético das duas configurações testadas assim como a sua comparação com os resultados ob-tidos das simulações com MEF, na região inferior dos rotores de imãs permanentes a uma distância de 3 mm dos magnetos. É possível observar que a compo-nente radial da indução magnética da configuração CF é muito parecida com a componente axial da con-figuração AMA. Da mesma forma, a componente axial da indução magnética de CF se assemelha a componente radial de AMA. A grande convergência entre os resultados obtidos com o sistema de medida e as simulações nos permitiu validar o procedimento utilizado nas simulações.
Na figura 8 apresentam-se as medidas da força de levitação em função da posição para as duas con-figurações testadas. Nestes ensaios utilizou-se uma velocidade de aproximação do mancal em relação aos blocos supercondutores de 0,75 mm/s. As setas na figura indicam o sentido do movimento do braço do acionador linear, de aproximação ou afastamento entre rotor de imãs permanentes e o estator com os supercondutores. Pode-se observar claramente na medida a histerese na força de levitação.
Figura 6 Linhas de fluxo magnético para as duas configura-ções de mancais.
escora analisadas.
Figura 8. Medidas de força de levitação em função da altura do disco de ímãs em relação aos supercondutores para as duas
configurações analisadas. As setas indicam o sentido do mo-vimento.
6 Conclusão
Apresentou-se neste trabalho a implementação de um sistema de medida caracterização de mancais magné-ticos supercondutores. O sistema permite obter auto-maticamente medidas de força de levitação em fun-ção da posifun-ção. Também é possível utilizar este sis-tema para determinar o perfil de campo magnético de uma determinada peça magnetizada. Mostrou-se aqui o uso deste sistema para a validação de simulações utilizando o método dos elementos finitos. Este sis-tema também será utilizado para o estudo da depen-dência das constantes elásticas do mancal com a ve-locidade de aproximação entre as partes do mancal.
Agradecimentos
Este trabalho foi financiado pelo CNPq/MCT proc. no 479557/04-7 e FAPERJ proc. no E-26/170.600/2004.
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