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O motor-mancal de indução utilizado neste trabalho é mostrado na Figura 5.3. Ele foi construído a partir do motor de indução trifásico convencional com rotor em gaiola de esquilo. Alguns dos principais parâmetros e características são apresentados na Tabela 5.1. Alguns dos parâmetros foram obtidos através de ensaios realizados no laboratório e podem ser vistos no Apêndice A.

Figura 5.3 – Motor-mancal de indução.

Tabela 5.1 – Parâmetros e características do motor.

Parâmetro Valor

Potência nominal (kW) 3,70

Velocidade nominal (RPM) 1715

Tensão nominal (V) 380

Corrente nominal (A) 8,11

Resistência do estator ( ) 1,18 Resistência do rotor ( ) 1,42 Indutância do estator (mH) 6,56 Indutância do rotor (mH) 6,56 Indutância de magnetização (H) 0,14 Momento de inércia (kg.m2) 0,00995 Fator de espraiamento 0,10 Número de polos 4

O estator é trifásico com quatro polos, na configuração de polos consequentes. Cada fase possui um grupo de bobinas que foi dividido ao meio para possibilitar o controle de posição pelo modo diferencial de correntes. Cada meio grupo tem 3 bobinas ligadas em série; todo o enrolamento é distribuído em 36 ranhuras situadas na periferia do estator. A Figura 5.4 mostra a distribuição do enrolamento no estator e a ligação do motor com as bobinas divididas (dupla estrela).

A tensão nominal de alimentação de cada parte do grupo deve ser igual a 220 V. A divisão do grupo de bobinas de cada uma das fases é necessária para que o controle de posicionamento do rotor possa ser realizado pelo modo diferencial.

Figura 5.4 – Motor mancal de indução trifásico: (a) Distribuição do enrolamento no estator; (b)

Divisão do enrolamento para alimentação pelos inversores.

A alimentação do motor-mancal é realizada através de dois inversores de potência trifásicos, montados com IGBT’s, que impõe as correntes em cada um meio grupo de bobinas, Figura 5.8.

Na construção do motor-mancal, algumas alterações foram realizadas no motor de indução. Mantendo a proposta de utilização do motor de indução convencional para a construção de motores sem mancais mecânicos, o estator e rotor não sofreram qualquer alteração. Modificações foram realizadas na tampa dianteira e traseira e no rolamento traseiro

As alterações foram realizadas com o objetivo de possibilitar a movimentação do eixo com dois graus de liberdade nas direções radiais x e y na parte superior, sendo relacionadas a seguir:

• Aumento do diâmetro do furo da tampa dianteira em 0,50 mm; • Aumento do diâmetro do furo da tampa traseira em 0,50 mm;

• Aumento do diâmetro do espaço de alojamento do rolamento dianteiro em 0,15 mm; • Substituição do rolamento traseiro por um de mesmo diâmetro autocompensado.

As duas primeiras alterações permitiram que o eixo oscilasse sem tocar as tampas quando da operação do motor. O aumento do diâmetro da tampa dianteira no espaço do alojamento do rolamento permitiu que o eixo se deslocasse radialmente operando como uma máquina sem mancal mecânico.

O sistema de controle de posição realizado pelo DSP permitiu o funcionamento do motor sem atrito. O rolamento dianteiro passou a funcionar como mancal de segurança para o início do movimento do eixo e/ou na eventual falha do sistema de controle, visto que o entreferro estator-rotor mede 0,20 mm sendo 0,05 mm menor que o entreferro rolamento dianteiro (espaço entre o rolamento e a caixa de alojamento do mesmo).

A estrutura mecânica do motor com as partes mencionadas e as alterações realizadas nas tampas conjuntamente com a instalação do rolamento autocompensado podem ser observadas no esquema apresentado na Figura 5.5.

Figura 5.5 – Estrutura simplificada: (a) motor de indução; (b) motor-mancal radial; (c) motor-mancal

radial em operação.

Quando o motor é energizado, a parte superior do eixo que está livre passa a se deslocar radialmente. Os sensores de posição fixados na tampa dianteira do motor, um na direção x e o outro na direção y, medem a posição eixo. No caso do rotor estar descentralizado, o controle digital realizado através do DSP recebe as informações da posição e ajusta as correntes que alimentam cada meio grupo de bobinas, realizando o controle de correntes por modo diferencial. Assim, as forças radiais são produzidas sobre o rotor para centralização do eixo no estator.

A construção de motores-mancais radiais, utilizando-se motores de indução convencionais, é bastante dificultada devido à precisão mecânica necessária na usinagem de tampas e componentes necessários às medições de posição.

Quando lidamos com dimensões bastante diminutas, como as encontradas nos entreferros dos motores de indução convencionais atuais, os erros relacionados às medições de posição devem ser os mínimos possíveis de modo que o controle do posicionamento não seja inviabilizado. Excentricidades no eixo devem ser minimizadas.

Os protótipos de motor-mancal podem ser construídos para operar com entreferros maiores na faixa de 0,50 a 2,00 mm. As perdas devido ao aumento de entreferro podem ser reduzidas se o motor operar a alta velocidade (Lähteenmäki, 2002). Os motores-mancais construídos a partir de motores convencionais inevitavelmente operam com entreferros menores e necessitam de um controle de posição mais acurado, visto que o range de deslocamento radial do eixo é menor.

A princípio, como a variação radial possível para o motor-mancal utilizado era inferior a 0,20 mm, optou-se por utilizar o mancal traseiro do próprio motor. A folga do rolamento permitiria o deslocamento radial do eixo na parte superior.

No entanto, por causa da dificuldade para centralizar o eixo manualmente quando o mesmo se encontrava parado optou-se pela substituição do rolamento convencional por um autocompensador de esferas para permitir maior liberdade radial do eixo na tampa dianteira.

O rolamento autocompensador proporcionou maior facilidade de centralização do eixo manualmente, também possível através do controle quando o motor está em operação.

Os testes, após a instalação do rolamento autocompensador mostraram que o eixo passara a produzir várias órbitas quando deslocado perifericamente. Esse fenômeno, apesar de estranho e indesejável quando se requer controlar a posição do eixo, é considerado normal para esse tipo de rolamento. As várias órbitas são produzidas devido às folgas no sistema rolamento-eixo-mancal (Matos, 1997).

A Figura 5.6 apresenta três órbitas possíveis projetadas ao se deslocar o eixo perifericamente na caixa de alojamento do rolamento superior.

A projeção de várias órbitas, quando do deslocamento do rotor, dificultou o ajuste dos ganhos do controlador de posição. As órbitas foram projetadas girando-se o eixo manualmente e, depois, translacionando-o pela periferia do entreferro.

Figura

5.3. Inversores de Frequê