MOTOR LINEAR DE INDUÇÃO BIFÁSICO: PROJETO DE UM PROTÓTIPO DIDÁTICO

DOI 10.14684/WCSEIT.1.2013.64-68

© 2013 COPEC November 17 - 20, 2013, Porto, PORTUGAL

MOTOR LINEAR DE INDUÇÃO BIFÁSICO: PROJETO DE UM PROTÓTIPO

DIDÁTICO

Falcondes J. M. Seixas

_{, Francisco C. V. Malange}

_{, Lucas da Silva Pereira}

_{, Claudiner M. Seixas}

_,

Priscila da Silva Oliveira

1 _{Falcondes José Mendes de Seixas, Prof. Dr., UNESP – Univ. Estadual Paulista. falcon@dee.feis.unesp.br} 2 _{Francisco Carlos Vieira Malange, Prof. Dr., UNESP – Univ. Estadual Paulista. malange@dee.feis.unesp.br} 3 _{Lucas da Silva Pereira, Senior Operation Engineer at EDP Energest, lkspereira@hotmail.com}

4 _{Claudiner Mendes de Seixas, Prof. M.Sc., IFSP – Instituto Federal de São Paulo. claudiner2010@gmail.com} 5 _{Priscila da Silva Oliveira, Pós-Doc, UNESP – Univ. Estadual Paulista. oliveirapriscila18@gmail.com} Abstract  The industry and transport have mainly focused

on finding solutions that can simultaneously reduce time and costs, increasing production. Therefore, the engineering develops electrical / mechanical equipments to produce motion able to perform different tasks, such as positioning and transportation. Within this group of drives it finds all electric motors in general. The linear motor is not common to be found compared to the rotary. However, they are used for different applications such as in propulsion of high speed trains, linear movement of loads (horizontally or vertically). This work proposes a teaching prototype of the linear motor based on a conventional two-phase induction motor. It will present the steps to build the magnetic core (track) and the windings as well as the design of the vehicle (cursor) similar to a squirrel cage. Some preliminary tests will be performed, feeding the linear motor from a two-phase output of the scott transformer.

Palavras Chave  Campo magnético viajante, MLI, motor de indução bifásico, motor linear de indução.

I

Atualmente os diversos desafios enfrentados pelas indústrias e transportes têm-se buscado soluções que possam simultaneamente diminuir tempo, custos e aumentar a produção. Para isso, a engenharia investe no desenvolvimento e aperfeiçoamento de equipamentos eletromecânicos que produzem movimento necessário para realizar diferentes tarefas, como o posicionamento de peças e o transporte de cargas. Dentro desse grupo de processos estão os diferentes tipos de motores elétricos. Os motores podem ser classificados como lineares ou rotativos, de acordo com o movimento que produzem, podendo ser assíncrono ou síncrono de acordo com cada necessidade.

A conversão eletromecânica de energia nos motores lineares de indução (MLI) não demanda acoplamentos mecânicos para o movimento de translação, o que diminui o número de componentes mecânicos e reduz as manutenções.

O motor linear é menos comum de ser encontrado do que o rotativo, porém estão sendo utilizados para várias aplicações como na propulsão de trens Maglev,

posicionamento de peças em linhas de fabricação, e em máquinas CNC (controle numérico computadorizado).

Este tipo de motor pode ser visto com um motor rotativo tradicional que teve o seu estator cortado radialmente e depois desenrolado. A parte móvel é normalmente conhecida como cursor ou secundário e a parte fixa, chamada de pista ou primário [1-8].

Existem diversas classificações para o MLI, sendo apresentadas algumas delas na Figura 1 [9].

FIGURA 1 CLASSIFICAÇÕES DO MLI

Pode-se dizer que para que uma das partes (estator, rotor) se mova, a outra tem que ficar fixa. Desta forma tem-se outro atributo do MLI, com estator móvel ou rotor móvel. Diferencia-se também quanto ao número de estatores, o MLI pode ser classificado em simples estator e duplo estator. O MLI de simples estator pode apresentar-se só com o rotor ou com um circuito ferromagnético por cima do estator de modo a que o fluxo magnético se feche por ele e diminua a dispersão das linhas de fluxo. O MLI de duplo estator, tal como o nome indica é constituído por dois estatores ficando o rotor entre os dois. É importante referir que a força mecânica do último motor é proporcional ao quadrado da corrente de alimentação do estator. Isto significa que, sem saturação magnética, a força desenvolvida

MLI Plano MLI em disco MLI com chapa Estator

Móvel Simples _{Estator Estator} Duplo

Rotor Móvel Estator

Longo Longo Rotor Simples

por um MLI de duplo estator tem um valor quatro vezes superior á força desenvolvida por um MLI de estator simples (isto considerando que a corrente de alimentação de um MLI de duplo estator é o dobro da corrente de alimentação de um MLI de simples estator). A Figura 2 mostra as configurações geométricas e eletromagnéticas dos MLI com chapa rotórica.

FIGURA 2

CONFIGURAÇÕES GEOMÉTRICAS E ELETROMAGNÉTICAS DOS MLI COM CHAPA ROTÓRICA

P

F

MLI

O princípio de operação de um Motor Linear de Indução é semelhante ao de um motor de indução rotativo. Um MLI é basicamente obtido de um motor de indução gaiola de esquilo aberto e esticado, como mostrado na Figura 3. Esta estrutura aberta produz uma força linear em vez de um torque girante. Os MLIs podem ser projetados para exercerem forças de milhares de newtons e o projeto do enrolamento e a frequência da fonte determinam a velocidade do MLI.

FIGURA 3

PROCESSO ILUSTRATIVO DE CORTE DO MOTOR ROTATIVO

O estator do MLI consiste em um enrolamento polifásico balanceado que é distribuído uniformemente ao longo do estator. O estator produz um campo magnético senoidalmente distribuído no entreferro com uma velocidade uniforme de rotação 2ω/p, sendo ω a pulsação da rede e p o número de pólos. O movimento relativo entre o condutor do rotor e o campo magnético induz uma tensão no rotor. Esta tensão induzida é o que irá causar uma corrente circulante

nos condutores curtocircuitados de rotor e produzir uma força mecânica.

É necessário então um movimento relativo entre as linhas de fluxo magnético e o condutor, para ser induzida uma tensão no condutor. É devido a isto que os motores de indução normalmente operam com uma velocidade relativa (Vr) ligeiramente menor que a velocidade síncrona (Vs).

Velocidade síncrona linear

A velocidade síncrona é a mesma da máquina rotativa, dada em (1)

(1) sendo

Vs - Velocidade síncrona linear [m/s] R - raio da máquina rotativa [m]

ω - oscilação do sinal de alimentação [rad/s]

- distância entre dois pólos vizinhos ou passo polar [m] f - frequência do sinal de alimentação [Hz]

p - número de pólos

É importante notar que a velocidade linear não depende do número de pólos, mas apenas do passo polar, que é definido em (2) [3]. Sendo que a circunferência do estator do motor de indução de 2πR, é igual ao comprimento do núcleo do estator do MLI chamado de Ls.

(2) Para se aumentar a velocidade síncrona de um MLI é necessário:

 Projetar um longo passo polar;  Aumentar a frequência da fonte.

Escorregamento

O escorregamento de um motor de indução é a diferença entre a velocidade síncrona e a velocidade do rotor, expressa em porcentagem da velocidade síncrona (3) (WILD, 2000).

(3) sendo

S - escorregamento

Vr - velocidade do rotor (ou estator) [m/s].

I

P

E

Este trabalho teve como objetivo fundamental desenvolver um protótipo de MLI baseado exatamente na construção e

operação de um motor de indução monofásico (bifásico) comercial de ventilador de teto, como mostrado a Figura 4. A parte construtiva foi desenvolvida com o intuito didático e de baixo custo. No caso, um veículo (cursor) desloca-se em cima do núcleo de forma linear.

FIGURA 4

MOTOR DE INDUÇÃO DE VENTILADOR DE TETO

O esboço para a construção do estator do MLI didático foi então adaptado a partir do estator mostrado na Figura 4. Foram necessárias chapas longas de aço silício recortadas e ranhuradas como mostrado na Figura 5. Os dados construtivos do motor estão na Tabela I e os dados das lâminas magnéticas na Tabela II.

TABELA I

DADOS CONSTRUTIVOS DO MOTOR LINEAR

Estator Veículo

Dimensões (mm) 1500 x 26 x 50 190 x 168 x 59

Material Aço-silício GNO Alumínio

TABELA II DADOS DAS LÂMINAS DE AÇO SILÍCIO

Indução 1,5 T

Frequência 60 Hz

Perda específica máxima 4,22 W/Kg

Espessura 0,50 mm

FIGURA 5

MEDIDAS EM MM DAS RANHURAS NA LÂMINA DE AÇO SILÍCIO

Os enrolamentos do estator foram dimensionados para propiciar um deslocamento adequado para o cursor. Utilizou-se o fio AWG 20 devido a sua boa maleabilidade e capacidade de corrente aceitável para o projeto. Através do método apresentado em [9], o número de espiras utilizado

foi de 45 voltas por bobina e o processo artesanal de montagem mostrado na Figura 6.

FIGURA 6

DETALHES COSTRUTIVOS DOS ENROLAMENTOS DO ESTATOR

Cada fase do estator foi obtida por 36 bobinas conectadas em série, totalizando 36 polos magnéticos. Cada enrolamento possui uma altura relativa diferente, sendo um com 30 mm e outro com 40 mm em relação à extremidade inferior da lâmina (ver figura 5). Essa diferença de altura no núcleo gera uma diferença na indutância de cada enrolamento, porém facilita a construção e característica didática.

Em sistemas bifásicos é necessário que o defasamento angular entre as fases (passo polar) seja de 90º elétricos para se ter um campo resultante uniforme. No caso do MLI, o passo polar que produz este mesmo efeito é de 40mm, como mostrado na Figura 7.

FIGURA 7

DETALHE DA LIGAÇÃO DAS BOBINAS DO ESTATOR

O veículo ou cursor foi desenvolvido de modo a se adequar à disposição do estator e conseguir um deslocamento razoável, desprezando-se as perdas mecânicas. Foi utilizada uma chapa de alumínio com quatro rodas de plástico e armação de aço. Para se efetuar a regulagem da altura foram utilizadas pequenas porcas com parafuso conforme destacado na Figura 8.

FIGURA 8

DETALHES CONSTRUTIVOS DO CURSOR (VEÍCULO)

A Figura 9 mostra uma representação do protótipo.

FIGURA 9

VISTA DO MOTOR LINEAR DE INDUÇÃO IMPLEMENTADO

E

R

P

Para os ensaios utilizou-se um transformador Scott de 500VA ligado na rede trifásica de modo a se obter uma tensão bifásica adequada para alimentação do MLI [10]. As Figuras 10 e 11 mostram o esquema elétrico da conexão e o transformador construído para realização dos ensaios.

FIGURA 10

CONEXÃO ELÉTRICA DO TRANSFORMADOR SCOTT

FIGURA 11

TRANSFORMADOR SCOTT

Para a determinação prática da reatância indutiva e da resistência elétrica de cada enrolamento, foram realizados dois ensaios para levantar a curva de magnetização de cada um. Os enrolamentos auxiliar e principal foram alimentados em momentos distintos por corrente alternada e corrente contínua, haja vista que a curva de magnetização determinada através da alimentação em corrente alternada fornece o valor da impedância e com alimentação em corrente contínua fornece o valor da resistência. Assim, de posse dos valores absolutos desses parâmetros é possível determinar o valor da reatância e, por conseguinte, da indutância.

As Figuras 12 e 13 mostram as curvas de magnetização dos enrolamentos principal e auxiliar para alimentação em corrente alternada e contínua.

A Tabela III mostra os valores calculados a partir dos ensaios.

TABELA III

REATÂNCIA E RESISTÊNCIA DOS ENROLAMENTOS

Reatância indutiva Resistência Elétrica

Principal 23,67 mΩ 5,51 Ω

Auxiliar 15,09 mΩ 5,51 Ω

FIGURA 12

FIGURA 13

CURVAS DE MAGNETIZAÇÃO DO ENROLAMENTO AUXILIAR

C

O objetivo deste projeto foi a construção de um protótipo didático de motor linear para o melhor entendimento tanto na construção quanto no princípio de funcionamento de uma máquina deste tipo. É um tipo de motor amplamente usado em sistemas ferroviários de alta velocidade, assim como outros que necessitem de uma propagação longitudinal. Possui uma diferença marcante da máquina rotativa, porém utiliza o mesmo princípio de funcionamento, assim como os materiais.

A possibilidade de levitação magnética, torna este tipo de máquina uma promessa nos meios de transporte, pois junta eficiência com velocidade. Futuramente as máquinas lineares competirão de igual para igual em termos de custos com as máquinas rotativas. E é para este cenário que o projeto foi pensado, visando agregar conhecimento aos seus desenvolvedores.

Neste projeto utilizou-se de conhecimentos teóricos e práticos para sua execução, o estudo abrangeu as máquinas de indução em geral.

O veículo possui algumas limitações, como o peso, falta de um ajuste fino no entreferro e rodas mais eficientes, porém, foi comprovado com êxito o princípio de funcionamento. Para a movimentação do veículo, foi necessário utilizar chapas de aço silício sobre o cursor para fechar o fluxo no material condutor de alumínio. A não utilização do material ferromagnético foi insuficiente para movimentar o veiculo, pois o fluxo fica muito disperso no entreferro e, consequentemente, o campo magnético que atravessa a chapa de alumínio é fraquíssimo.

Por fim, considera-se que a construção do protótipo foi muito proveitosa para experiência prática e conhecimento teórico dos alunos, considerando ainda que futuramente será utilizado para o conhecimento de vários outros alunos.

A

Os autores agradecem a empresa ITB – Equipamentos Elétricos LTDA que doou as lâminas de aço silício, à empresa Palombo´s Enrolamentos que colaborou na confecção dos enrolamentos do estator e à PAPESP – Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo pelo suporte.

R

B

[1] BHAMID, SARVESWARA P., Design of a single sided linear induction motor (SLIM) using a user interactive computer program, Columbia, 2005.

[2] BOLDEA, I.; NASAR, S. A.. The induction machines design handbook, 2nd _{ed. , CRC Press,}

[3] DEL TORO, V., Electric Machines and Power Systems, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1985.

[4] HOANG VIET N., Design of a single-sided linear induction motor, Master degree, Brisbane, 2003.

[5] IDAGAWA, H. S., Projeto, montagem e caracterização de motor linear de imã permanente. Trabalho de graduação II, UNICAMP, Campinas, 2009

[6] JARDIM, R.A. G. J, Dimensionamento de um modelo protótipo de um veículo de levitação magnética. como motores lineares de indução trifásicos, Projecto final de Curso, Universidade Nova de Lisboa, 200-.

[7] LEÃO RODRIGUES, Design of Low Speed Linear induction Motor, Tese de Mestrado, Londres, 1973.

[8] WILDI, THEODORE. Electrical Machines, Drives, and Power Systems, Prentice Hall, Inc,

[9] OLIVEIRA, RODOLFO A. D., Desenho e construção de um motor linear de indução de baixa velocidade, Monte de Caparica, 2000.

[10] FERNANDES, R. C., Transformador Scott, TCC, UNESP/FEIS – Ilha Solteira, 2008.