ALEXANDRE POSTL SOBRINHO CRITRIOS DE PROJETO E CONSTRUO DE MOTORES DE INDUO TRIFSICOS DE ALTA ROTAO FLORIANPOLIS 2008 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA CRITRIOS DE PROJETO E CONSTRUO DE MOTORES DE INDUO TRIFSICOS DE ALTA ROTAO Dissertao submetida Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica. ALEXANDRE POSTL SOBRINHO Florianpolis, julho de 2008ii CRITRIOS DE PROJETO E CONSTRUO DE MOTORES DE INDUO TRIFSICOS DE ALTA ROTAO Alexandre Postl Sobrinho Esta Dissertao foi julgada adequada para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica, rea de Concentrao em Concepo e Anlise de Dispositivos Eletromagnticos, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica da Universidade Federal de Santa Catarina. ____________________________________ Prof. Nelson Sadowski, Dr. Orientador ____________________________________ Prof. Sebastio Lauro Nau, Dr. Co-orientador ____________________________________ Profa. Ktia Campos de Almeida, Ph.D. Coordenadora do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica Banca Examinadora: ____________________________________ Prof. Nelson Sadowski, Dr. Presidente ____________________________________ Prof. Sebastio Lauro Nau, Dr. ____________________________________ Prof. Mauricio Valencia Ferreira da Luz, Dr. ____________________________________ Prof. Orlando Jos Antunes, Dr. ____________________________________ Jean Vianei Leite, Dr. iii "svezes,quandotudoderradoacontecemcoisasmaravilhosasquejamaisteriam acontecido se tudo tivesse dado certo" Autor desconhecido s mulheres da minha vida: Carmem, minha esposa. Adriane e Mnica, minhas filhas.iv AGRADECIMENTOS WEG,pelaconfiana,incentivoeapoioparacursarasdisciplinasdocurso, desenvolver a dissertao e assim proporcionar o desenvolvimento de seus engenheiros. AosprofessoresdoGRUCAD,peladisposioededicaoparaqueocurso obtivesse xito e os alunos da WEG pudessem realizar o curso. Ao meu orientador, professor Nelson Sadowski e meu co-orientador Sebastio Lauro Nau, pela confiana, apoio e amizade.Aos colegas de curso com os quais convivi durante este perodo.Aos colegas do departamento de P&D da WEG Motores: Eduardo Duarte, Hideraldo L.V. Santos, Hilton P. Silva, Hugo G. G. Mello, Rafael Beck, Samuel S. Borges, Tiago T. KunzeWaldibertoL.Pirespelaajudacommateriais,simulaes,anlises,desenhose discusses.AoscolegasMarceloVerardieRubensB.deCarvalhopeloauxlioem informticaeaoscolegasAdilsonC.Machado,EmersonJ.Xavier,JacquesR.Ruthese PauloR.Schmitt,pelosmomentosdediscussestcnicasedescontraoduranteesta jornada. Aosdemaiscolegasdedepartamento,quecomcertezaestavamtorcendoparaque esta conquista se concretizasse. Aosmeuspaisemeusirmos,quesempremeapoiarameincentivaram,mesmo estando distantes. minhaesposaCarmemesminhasfilhasAdriane eMnica,a quem dedico esta realizao, pela compreenso e estmulo.E a Deus, pela vida. v Resumo da Dissertao apresentada UFSC como parte dos requisitos necessrios para a obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica. CRITRIOS DE PROJETO E CONSTRUO DE MOTORES DE INDUO TRIFSICOS DE ALTA ROTAO Alexandre Postl Sobrinho Julho/2008 Orientador: Prof. Nelson Sadowski, Dr. rea de Concentrao: Concepo e Anlise de Dispositivos Eletromagnticos Palavras-chave: alta rotao, motor de induo, harmnicas, foras, perdas no ferro. Nmero de Pginas: 133 RESUMO: Este trabalho detalha as diretrizes de projetos para mquinas de induo de alta rotao.Atenoespecialdadaaorotor,mastambmsorevistososconceitosparao estator, sistemas de refrigerao, mancalizao einversores de freqncia apropriados para acionar uma mquina de induo de alta rotao. Os estudos mostram que a construo do rotorlaminadocomgaioladeesquilodeveserusadasemprequepossvel,apenasem velocidadesmaiselevadas,umrotordeaoslidoprojetadocomranhurassobresua superfcieouumrotordeaoslidorevestidocomumacamadadecobreououtraliga metlica podem ser a melhor indicao. Considerando o desempenho eletromagntico que sedesejaeavelocidademximadeoperao,aescolhaentreummateriallaminadoou slido no rotor pode ser mais ou menos significativa para uma mquina de induo de alta rotao. Do ponto de vista construtivo, um motor de alta rotao apresenta maiores desafios nareamecnicadoprojeto.Istoporqueumcorpocilndricoemrotaoimpedesafios quanto s foras centrfugas, principalmente no que diz respeito resistncia do material e tambmquantoaobalanceamentodamassagirante,quesenoforcriteriosamente efetuado,acarretarvibraesemtodaamquinae,dependendodonveldevibrao, pode inviabilizar seu funcionamento sob risco de entrar em colapso. Outro ponto que deve servistocommuitocuidadoarefrigeraodestetipodemotor,sejapelomodocomo serfeita a passagem do fluido refrigerante pelo motor como qual ser este fluido. Eletricamente,comexceodovolumedeperdasdecorrentesdeumacionamento em altas freqncias, e logicamente o uso de inversores de freqncia, pode-se considerar oestatorcomoigualaodeummotornormal.Convmdestacarqueadensidadede potncia por volume muito maior, desta forma, se contar com materiais de baixas perdas magnticas, um perfeito balanceamento do rotor e uma refrigerao eficiente na funo de dissipar o calor gerado, tem-se uma mquina de alta velocidade com potncia bem superior no mesmo volume de uma mquinanormal. Quantoaosistemademancais,podeserutilizadoosistematradicionalcom rolamentos,entretantopode-seutilizarelementosespeciaisparasuportarasaltasrotaes ousistemasmaissofisticados,comomancaisdedeslizamentooumesmomancais magnticos. vi Abstract of Dissertation presented to UFSC as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Electrical Engineering. CRITERIA FOR DESIGN AND CONSTRUCTION OF THREE-PHASE HIGH SPEED INDUCTION MOTORS Alexandre Postl Sobrinho July 2008 ADVISOR: Prof. Nelson Sadowski, Dr. AREA OF CONCENTRATION: Conception and Analysis of Electromagnetic Devices. KEYWORDS: High speed, induction motors, harmonics, forces, iron losses. NUMBER OF PAGES: 133 ABSTRACT:Thisworkdetailstheguidelinesforthedesignofhighspeedinduction machines.Specialattentionisaddressedtotherotor,butconceptsregardingthestator, coolingsystem,bearingsandfrequencyconvertersarealsorevisedconcerningthehigh speed induction machine proper driving. Studies show that the laminated rotor construction should be always preferred, except in cases of very high speeds, in which a solid rotor built withsuperficialslotsorcoveredwithacoatingmadeofcopperorothersuitable metallic alloymaybepreferred.Consideringthedesiredelectromagneticperformanceandthe highest operating speed, the choice between both rotor types (laminated or solid) turns to be more or less significant for a high speed induction machine. From the constructive point of view, a high speed motor presents greater challenges in the mechanical side of the design. A rotating cylindrical body imposes challenges due to the centrifugal forces, especially regarding the resistance of the material and the balancing of the rotating mass. Particularly, if balancing is not properly done, it will cause the whole machine to vibrate and, depending on these vibration levels, the machine operation can be madeunfeasibleundertheriskofcollapsing.Anotherpointthatmustbecarefully consideredisthecoolingofthismotortype,bothinthewaythatthecoolingfluidwill circulate within the motor and in what kind of fluid will be used for this task.Electrically,exceptfortheamountoflossesresultingfromahighfrequencydrive and, of course, the use of frequency converters, the stator can be considered similar to the normal one ofastandardmotor.Itis worth noticing thatthe powerdensitypervolume is muchhigher,sothatusinglowlossmagneticmaterials,aperfectrotorbalancingandan efficientcoolingsystemtheresultinghigh-speedmachineoutputwillbemuchsuperior than the output of a standard machine of the same frame size. Withregardtothebearings,itcanbeusedthetraditionalsystemswithrolling elements, but in this case special elements should be used in order to stand the high speeds. Alternatively,moresophisticatedsystemscanbeused,suchasslidingormagnetic bearings.vii SUMRIO 1APRESENTAO..................................................................................................... 1 2INTRODUO.......................................................................................................... 4 2.1Sistema de movimentao eltrica de alta rotao .............................................. 7 3O MOTOR DE ALTA ROTAO........................................................................... 12 3.1Definio de motor de alta rotao................................................................... 14 3.2Aspectos tecnolgicos dos motores de alta rotao........................................... 16 4CONSTRUO DO MOTOR DE ALTA ROTAO. ............................................ 22 4.1Laminao para altas freqncias. .................................................................... 22 4.2Enrolamento do estator para alta rotao. ......................................................... 25 4.2.1O fio de Litz. ................................................................................................ 28 4.3O entreferro e abertura das ranhuras. ................................................................ 29 4.4Perdas e refrigerao do motor de alta rotao.................................................. 31 5CONSTRUO DO ROTOR................................................................................... 36 5.1Restries para o rotor de alta rotao. ............................................................. 39 5.1.1Foras centrfugas. ....................................................................................... 40 5.1.2Rotao crtica de flexo do rotor. ................................................................ 42 5.1.3Perdas Joules e perdas por atrito no rotor...................................................... 44 5.2Rotores slidos com revestimento de cobre. ..................................................... 45 5.3Desafios no projeto do rotor. ............................................................................ 46 5.4Mancais magnticos. ........................................................................................ 47 5.4.1Principais componentes dos mancais magnticos.......................................... 47 5.4.2Caractersticas dos mancais magnticos........................................................ 48 6INVERSORES DE FREQNCIA. ......................................................................... 50 6.1Introduo........................................................................................................ 50 6.2Acionamento de motores de induo por inversores de freqncia. .................. 51 6.3Funcionamento e caractersticas dos inversores de freqncia. ......................... 53 6.3.1Modulao por largura de pulso - PWM (Pulse Width Modulation).............. 55 6.3.2Caractersticas de controle............................................................................ 57 6.3.3Harmnicas produzidas pelos inversores de freqncia. ............................... 58 6.3.4Harmnicas que afetam a rede...................................................................... 58 6.3.5Distoro Harmnica Total e Distoro Total de Demanda. ......................... 58 viii 6.3.6Distoro Total de Demanda. ....................................................................... 59 6.3.7Harmnicas que afetam o desempenho do motor. ......................................... 59 6.3.8Como eliminar as harmnicas produzidas pelo inversor................................ 60 6.3.9Fator de potncia (fp) e fator de deslocamento (cos ). ................................. 60 6.4Motores de induo alimentados por inversores estticos de freqncia. .......... 61 6.4.1Influncia do inversor no sistema de isolamento do motor. ........................... 61 6.4.2Influncia do rise time. ................................................................................. 61 6.4.3Influncia do comprimento do cabo.............................................................. 63 6.4.4Influncia do mnimo tempo entre pulsos consecutivos. ............................... 63 6.4.5Influncia da freqncia de chaveamento. .................................................... 63 6.4.6Influncia de aplicaes com mltiplos motores........................................... 63 6.4.7Critrios, quanto ao sistema de isolamento, adotados pela norma NEMA. .... 64 6.4.8Influncia do inversor na temperatura do motor............................................ 65 6.4.9Influncia do inversor na corrente pelos mancais.......................................... 65 6.4.10Influncia do inversor no rudo do motor. ................................................. 66 6.4.11Influncia do inversor na vibrao do motor. ............................................ 66 6.4.12Influncia do inversor no rendimento do motor. ....................................... 66 6.4.13Limites de velocidade............................................................................... 66 6.4.14Limitaes pelo torque. ............................................................................ 67 6.4.15Limitaes mecnicas............................................................................... 67 6.5Aspectos normativos. ....................................................................................... 68 7PROTTIPO. ........................................................................................................... 70 7.1Dimensionamento do rotor completo................................................................ 71 7.1.1Dimetro do rotor......................................................................................... 71 7.1.2Ponta de eixo mnima para a transmisso do torque. ..................................... 73 7.1.3Limite de rotao do rolamento. ................................................................... 73 7.1.4Carga mnima do rolamento. ........................................................................ 74 7.1.5Determinao do ajuste entre disco de balanceamento e eixo........................ 74 7.1.6Ajuste entre pacote de chapas do rotor e eixo. .............................................. 76 7.1.7Determinao das ranhuras do rotor. ............................................................ 77 7.2Dimensionamento do estator completo............................................................. 78 7.2.1Dimensionamento da ranhura do estator....................................................... 78 7.3Estimativa de perdas. ....................................................................................... 79 ix 7.4Limitaes trmicas. ........................................................................................ 81 7.5Determinao da carcaa.................................................................................. 82 7.6Projeto eletromagntico.................................................................................... 84 8CONCLUSES. ....................................................................................................... 87 8.1Sugesto para trabalhos futuros. ....................................................................... 88 9ANEXOS.................................................................................................................. 89 9.1Anexo 1- Norma IEC. .................................................................................... 89 9.2Anexo 2- Norma NEMA. ................................................................................. 91 9.3Anexo 3- Disco em rotao. ............................................................................. 93 9.4Anexo 4- Prottipo Simulaes e Verificaes. ............................................. 95 10REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS................................................................ 129 x LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Polia fixa. Figura 2.2 GearBox ou trem de engrenagens. Figura 2.3 Comparao entre motor normal e de alta rotao de mesma potncia. Figura 2.4 Diferenas entre acionamentos para alta rotao. Figura 2.5 Motor de alta rotao refrigerado a ar Prottipo. Figura 2.6 Motor de alta rotao refrigerado a gua - Prottipo. Figura 3.1 Rotor slido para motor de alta rotao. Figura 3.2 Rotor laminado para motor de alta rotao. Figura 4.1 Pontos de loci em um estator. Figura 4.2 Estator com 36 ranhuras. Figura 4.3 Rolos de diversos tipos de fio Litz. Figura 4.4 Estator bobinado com canais radiais de ventilao Fonte WEG Figura 5.1 Rotor engaiolado com canais radiais e axiais de ventilao Fonte WEG. Figura 5.2 Restries impostas ao projeto do rotor. Figura 5.3 Esquema do mancal magntico. Figura 6.1 Principais caractersticas das chaves semicondutoras de potncia. Figura 6.2 Diagrama de um inversor de freqncia com circuito intermedirio. Figura 6.3 Diagrama do estgio inversor de um inversor de freqncia trifsico. Figura 6.4 Descrio do mtodo de modulao PWM senoidal (clssica). Figura 6.5 Vetores gerados devido ao chaveamento dos transistores. Modulao vetorial. Figura 6.6 Pulso de tenso nos terminais do motor e definio de rise time - NEMA Figura 6.7 Pulso de tenso nos terminais do motor e definio de rise time - IEC. Figura 6.8 Inversor alimentando mais de um motor - Comprimento do cabo Lc. Figura 7.1 Estado plano de tenses. Figura 7.2 Projeto da ranhura do rotor Prottipo 300kW@12815rpm. Figura 7.3 Geometria da ranhura proposta Prottipo 300kW@12815rpm. Figura 7.4 Projeto da ranhura do estator Prottipo 300kW@12815rpm. Figura 9.1 Elemento diferencial de disco em rotao. Figura 9.2 Plano de tenses no disco. Figura 9.3 Simulao no Ansys. Figura 9.4 Simulao daranhura do rotor Baixa rotao. xi Figura 9.5 Simulao daranhura do rotor Alta rotao. Figura 9.6 Simulao daranhura do rotor com interferncia do eixo Alta rotao. Figura 9.7 Simulao daranhura Resultado final. Figura 9.8 Simulao da ranhura com alumnio. xii LISTA DE GRFICOS Grfico 4.1 Perdas em motor de induo normal e de alta rotao, ambos 37kW IV [26]. Grfico 7.1 Limites de interferncia. Grfico 7.2 Mapeamento trmico da carcaa 200L. Grfico 7.3 Potncia Mxima por carcaa. Grfico 7.4 Rotao crtica e mxima por carcaa. Grfico 7.5 Comparao das perdas - 400cv / II / 60Hz e 400cv / II / 215Hz. Grfico 9.1 Curvas estruturais para discos em rotao. Grfico 9.2 Tenso mxima em funo da rotao. Grfico 9.3 Curva da deformao radial. Grfico 9.4 - Interferncia mnima. Grfico 9.5 - Limites de interferncia xiii LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 - Dimenses do motor normal e alta rotao - Fonte: Catlogo CALNETIX Tabela 2.2 - Diferenas entre acionamento convencional e em alta rotao de compressor. Tabela 3.1- Vantagens e desvantagens das mquinas eltricas de alta rotao. Tabela 4.1 - Fator de Enrolamento () para enrolamentos trifsicos. Tabela 4.2 - Entreferro de alguns motores de induo de alta rotao e um convencional. Tabela 4.3 - Clculo do valor mnimo de entreferro para motores de alta rotao Tabela 6.1 Limites para taxa de distoro harmnica (THD). Tabela 6.2 Limites para distoro total de demanda (TDD). Tabela 6.3 Critrios da norma NEMA para evitar degradao do sistema isolante. Tabela 6.4 Critrios da norma IEC para evitar degradao do sistema isolante. Tabela 6.5 - Mxima velocidade de operao - Motores normais com velocidade regulvel. Tabela 7.1 Perdas para motores de 3600rpm. Tabela 7.2 Perdas para motores na mxima rotao prevista Tabela 7.3 Comparao de clculo: 400cv II 60Hz e 400cv II 215Hz. Tabela 9.1 Dados tcnicos dos rolamentos Vida til. Tabela 9.2 Dados tcnicos dos rolamentos Velocidade limite. Tabela 9.3 Rotaes crticas. Tabela 9.4 Rolamentos - Valores do fabricante (SKF) xiv SIMBOLOGIA SmboloDenominaoUnidade A1 Amplitude da harmnica de primeira ordem. a1 e a2 Constantes Ah Amplitude da harmnica de ordem h bConstante para rolamento de esferas. Bc1max Induo mxima na coroa do estator.T Bc2max Induo mxima na coroa do rotor T Bd1max Induo mxima no dente do estator T Bd2max Induo mxima no dente do rotor T Bdmax Induo mxima no entreferroT C Fator que descreve o torque por unidade de volume fornecido pelo rotor. Cf Coeficiente de atrito Cmax/Cn Torque mximo em relao ao nominalp.u. cosFator de deslocamento Cp/CnTorque de partida em relao ao nominalp.u. De2 Dimetro externo do rotor mmdm Dimetro mdio do rolamento mm Dr Dimetro externo mximo do rotor mm drDimetro interno do rotor laminadomm dV/dt Taxa de variao da tenso no tempo ou pulso de tenso V/s E Mdulo de Youngf Freqncia da rede Hz f1Freqncia da tenso de alimentao Hz Fm Freqncia de rotao mecnica Hz fpFator de potncia Frm Fora radial mnimakN Fx Freqncia de rotao crtica Hz h Ordem da harmnica I2 Corrente do rotor A IL Mxima corrente de demanda da instalao no PCCA In Corrente nominal em cargaA IoCorrente em vazioA xv SmboloDenominaoUnidade IpCorrente de partidaA Ip/InCorrente de partida em relao nominalp.u. ISC Mxima corrente de curto circuito no PCC A Je Densidade de corrente no estatorA/mm k1 e k2 Constantes de proporcionalidade kf Coeficiente da rugosidade superficial do rotorkr Fator de carga mnima kWar Potncia til em alta rotaoWkWst Potncia til em rotao padroW LcComprimento do cabo de alimentaom LrPacote de chapas do rotor mml1, l2 Deformao radialmm L10h Tempo de vida do rolamento H lr Comprimento do rotor mmm Nmero de fasesn RotaorpmNsRotao sncrona rpm pNmero de pares de plos PPotncia ativa kW Pa Presso de contato paPerda por atritoW pcpPerda por correntes parasitas WpCu Perda no cobre Wpf Perdas por atrito W pfear Perdas no ferro alta rotaoW pfeo Perdas no ferro em vazioWpfest Perdas no ferro rotao padroW phPerda por histereseW phar Perdas por harmnicasW pj1 Perdas joules no estatorW pj1ar Perdas joules no estator alta rotaoW pj1st Perdas joules no estator rotao padroW xvi SmboloDenominaoUnidade pj2 Perdas joules no rotor W pj2ar Perdas joules no rotor alta rotaoW pj2st Perdas joules no rotor rotao padroW pjo Perdas joules em vazioW pmecar Perdas mecnicas - alta rotaoW pmecst Perdas mecnicas rotao padroW pmeco Perdas mecnicas em vazioW po Perdas em vazioW prPerdas a serem retiradas do rotor W psPerdas suplementares W Psada Potncia de sada W psar Perdas suplementares alta rotaoW psst Perdas suplementares rotao padroW pt Perda total WQ Nmero de ranhuras q Nmero de ranhuras por plo e por fase Qn, QnInterruptores dos transistores r Constante r2 Raio externo do disco mm rd Raio qualquer do discomm Rlig Resistncia na ligao a 20 W rpRelao entre pacote e dimetro do rotorp.u. rpmRotaorpm rpmmxRotao mximarpm rpmarRotao alta rotao rpm rpmbaseRotao baserpm rpmst Rotao rotao padrorpm s Escorregamentop.u. S Potncia aparente kVA TrbqTempo de rotor bloqueados U Tenso de alimentaoV un* Referncias (sinais modulantes)xvii SmboloDenominaoUnidade u Referncia (sinal portador) V/f Relao tenso/freqnciaV/HzV1 Tenso aplicada ao estator V Vac Tenso alternadaV Vh Amplitude da harmnica de tensop.u. Vnom Tenso nominalV Vpico Tenso de picoV Vrms Velocidades de vibrao mm/sVrot Volume do rotor m3 vs Velocidade superficial do rotor m/sW Extenso da bobinammx1, x2 Deformao radialmm TComportamento trmicoKFator de transferncia eficaz de calor 1,2, 3 ngulos que definem as comutaes dos transistores Entreferro mmi Interferncia radial inicial entre as peasmmp Profundidade de penetraommngulo de defasagem entre o eixo de referncia do estator e rotor m Fluxo de magnetizao Wb Condutividade do material S/m Rendimento do motor % Coeficiente de Poisson do material do disco. rPermeabilidade relativa do material0 Permeabilidade do vcuo H/m pNmero de PoissontViscosidade temperatura de funcionamento mm2/s rdem da harmnica Massa especfica do material kg/m3 Passo polar Fator de dispersoxviii SmboloDenominaoUnidade maxMximo esforo admitido MPa r(r) Tenso mecnica radial no disco no raio r MPa (r) Tenso mecnica tangencial no disco no raio r MPa Freqncia angular rad/scRotao crtica rad/s m Rotao mecnicarpm r2Velocidade perifrica ou tangencial no raio externo do discorad/s Fator de enrolamento para harmnica V Diferena de tenso entre espirasV T Diferena de temperatura entre o rotor e o estator Ksir Correntes vetoriais do estatorA t Rise times sVrVetor de alimentao do estator V rircorrentes vetoriais do rotor A Urvetor tenso V ABREVIATURAS ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas APDLANSYS Parametric Design LanguageAPI American Petroleum Institute AWGAmerican wire gauge BJT Bipolar Junction Transistor / Transistor de Juno Bipolar CA Corrente alternadaCCCorrente contnuaCFD Computational Fluid Dynamics CFW-04 Conversor de Freqncia WEG-04 CSA Canadian Standards Association DSP Processador digital de sinaisFD Fator de Distorofem Fora eletromotriz xix fmm Fora magneto-motriz fp Fator de potncia GTO Tiristor Gate-Turn-OffHVF Fator Harmnico de Tenso.ICMCorrente total de modo comum IECInternational Electrotechnical Commission IEEEInstitute of Electrical and Electronics Engineers IEFInversores Estticos de Freqncia IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor ISO International Organization for Standardization JEMJapan Electronic Materials Corporation RLC Resistncia - Indutncia - Capacitncia M2E Clculo eletromagntico - WEG MCTMOS Controlled Thyristor MEF Mtodo de Elementos Finitos MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor MTBF Mean Time Between Failures / Perodo mdio entre falhasNEMA National Electrical Manufacturers Association ODPOpen, Drip ProofPCC pontos de conexo comum PWMPulse Width Modulation / modulao por largura de pulsos R134ags refrigerante do tipo HFC (Hidrofluorcarbono) rms root mean square / Valor eficaz Rotordin Clculo Dinmico de Rotor WEG SCR Silicon Controled Rectifier / Retificador Controlado de Silcio SIT Static Induction Transistor TDD Distoro Total de Demanda TEFCTotalmente Fechado Resfriado por Ventilador THD Distoro Harmnica Total 1 1APRESENTAO Vrias estruturas de mquinas eltricas, incluindo a de induo com rotor de gaiola de esquilo ou rotor slido, m permanente, plo de garra, homopolar, mquinas sncronas e de relutncia, esto sendo revistas do ponto de vista de caractersticas rotatrias elevadas. Assimestotambmastecnologiasemergentes,taiscomoaoperaosemrolamentos, ondesoutilizadosossistemasdemancaisdedeslizamentooumagnticosecontroles inteligentes que possuem a capacidade de adequar o perfil de operao da mquinacom a operao a ser realizada. Nestecontextoestaumentandoointeressepelosmotoresdeinduodealta velocidade acionados por inversores de freqncia, muitas vezes com rotaes que podem variar na faixa de 10000 a 400000 rpm, em aplicaes industriais diversificadas. Para aindstria de extrema importncia conhecer este mercado, ou seja, entender oquedeveserpesquisado,desenvolvidoeprojetadoparaqueempoucotempotenha condies de apresentar motores capazes de atuar em aplicaes de alta rotao de maneira eficiente e confivel. Oprincipalobjetivodestetrabalhoconhecerdemaneiramaisdetalhadaostipos demquinas,caractersticasmecnicaseeletromagnticas,caractersticasde funcionamentoeprincipaisaplicaesdosmotoresdealtarotao.Apartirdeste entendimento,criarcondiesparaqueaempresapossatomardecisesestratgicasda convenincia ou no de fabricar este tipo de mquina e dar suporte para que a engenharia possa atender demanda de mercado.Porm,osfabricantesdemotoresdealtarotaonotmumadefiniocomum, algunsdizemqueasaltasrotaesocorremapartirde5000rpmeoutrosdizemqueas altas rotaes ocorrem somente acima de 20000 rpm. Nestetrabalho,pode-sesugerirquemotoresdealtarotaosejamaquelescujas velocidadesderotaonominalestejamacimadoslimitesconvencionaisdefinidospelas normasIEC 60034-1 e NEMA MG 1 Parte 12. Osmotoresatuais,quandoalimentadosporinversoresdefreqncia,atendems exignciasdanormaNEMAMG1partes30e31eestoaptosaoperarat90Hz (3600rpm x 1,5 = 5400 rpm) em termos de capacidade de fornecimento de torque na ponta de eixo. Logo, se estaria sugerindo que as altas rotaes acontecem acima de 5400 rpm. 2 convenientelembrar quequantomais elevada for a rotao, mais elevada ser a velocidadeperifricadorotor,emaiscuidadosdeverosertomadoscomrelaoao projeto, fabricao e operao domesmo. Levando-se este fato em considerao, vincular otermoaltarotaocomavelocidadefinaldomotor,nopareceseraopomais correta,poismotoresgrandesapresentamumavelocidadeperifricanorotormuitomaior quandocomparadocomummotorpequenonamesmarotao.Considerandoserum critriomaisequilibradoparaclassificarummotordealtarotao,defini-secomosendo motordealtarotaoaquelequeapresentaumavelocidadeperifricanorotorsuperiora 100 m/s, que no caso a apresentada pela carcaa 355 em5400 rpm. As principais vantagens em trabalhar com altas velocidades so: 1.Soluocompacta(peso/potnciamenordoquenosmotoresdebaixa rotao); 2.Alta eficincia global de at 98% do conjunto; 3.Baixanecessidadedemanuteno/aumentodeconfiabilidadecoma eliminao de alguns componentes:sistemas mecnicos de amplificao de velocidade de rotao tais como polias, correias e engrenagens; eliminao deselosmecnicosesistemadelubrificao,nocasodousodemancais magnticos; 4.Aumento da vida til do sistema; 5.Instalao simples; 6.Baixo custo em relao vida til; 7.Baixo rudo: o sistema de resfriamento no do tipo auto-ventilado; 8.Baixos nveis de vibrao: atravs de um balanceamento especial do rotor, e controle ativo de vibrao quando forem usados mancais magnticos ativos; 9.Aplicaesmaisecologicamentecorretasnocasodeusodemancais magnticos:eliminaodapossibilidadedecontaminaoambientalpor leo. Considerando queo principal produto da empresa o motor de induo com rotor injetado,nestapesquisaestoabordados,principalmente,osmotoresdealtarotaoque utilizam esta tecnologia de fabricao. 3 Assim,estoapresentadasnestadissertaoasalteraesnecessriasaserem introduzidasemmotoresdeinduocomrotorinjetadonormais,dopontodevistade materiais, projetos e montagem, de modo a torn-los aptos a operarem em alta rotao. Para isto sero abordados os seguintes assuntos: As caractersticas que definem uma aplicao como alta rotao; Os tipos de motores utilizados em aplicaes em altas rotaes; Ascaractersticas,dopontodevistaconstrutivoenormativo,paraqueo motor esteja apto a operar em regime de alta rotao; A descrio de um projeto para motor de alta rotao. . tambmobjetivodestetrabalhofornecerumabasedeinformaessobreo assunto,quepossaserutilizadoporoutrosprofissionaisdareademotoreseltricos trifsicosdeinduo,abrangendoaspectosdecaractersticasdemateriais,aplicaese projetos destas mquinas, auxiliando-os na anlise e projeto de motores de alta rotao.4 2INTRODUO Motoreseltricosdosmaisvariadostiposconstrutivossolargamenteutilizados nosacionamentosdebombas,compressores,ventiladores,equipamentospara processamento de produtos e manuseio de cargas. Estima-se que cerca de 90% dos motores eltricosutilizadosnossetoresindustrial,comercial,ruraleresidencialsomotoresde induo com rotor de gaiola, trifsicos ou monofsicos [1].Uma das caractersticas principais dos motores de induo com rotor injetado de manteravelocidadepraticamenteconstantedentrodaregiodefuncionamento.Arigor, existe uma pequena variao em funo da carga, e justamente esta caracterstica que se constitui em uma das poucas desvantagens destes motores.Quando se trabalha com este tipo de motor, existem apenas trs alternativas para se conseguirvariarsuavelocidade,sendoumaindiretaeduasdiretas.Autilizaode dispositivosmecnicosquealteramavelocidadedacargasemquehajavariaoda velocidade do motor, os chamados variadores mecnicos, so posicionados entre o motor e acarga,eporestemotivosodenominadosindiretos,umavezquenointerferemno funcionamento do motor. Estesdispositivosatuamcomoacoplamentoentreomotoreacarga,epodemter vriasconfiguraes,comoporexemplo,conjuntopolia-correiamostradanaFigura2.1, ondeseconseguevariaravelocidadedacargaemrelaoaomotor.Masumavez determinadaavelocidadedacarga,nopossvelumaalteraodesta,semqueocorraa parada do sistema e a substituio de pelo menos uma das polias. Figura 2.1 Polia fixa. 5 Paraseevitaresteprocessodeparada/troca,existeosistemadepoliasfixasde vrios estgios, onde se consegue obter alguns estgios discretos de velocidade, mas ainda limitado. Uma evoluo do sistema de mltiplas polias o sistema que utiliza polias cnicas. Agrandediferenaqueemrelaoaosdoissistemasanteriores,estepermiteuma variaocontnuadavelocidadedacarga,atravsdodeslocamentodacorreiapela superfciedaspoliascnicas.Nestesistemaavariaodavelocidadeocorrecomo conjunto em funcionamento, o que impossvel de ocorrer com os anteriores. Existem outros dispositivos queutilizampoliasecorreiasparavariaravelocidade entre o acionamento e a carga, mas o princpio de funcionamento sempre uma variao dos citados acima. Outraformadevariaravelocidadeentreoacionamentoeacargasoosjogosde engrenagens, conhecidos como Gearbox, ou caixa de engrenagens. Nestes casos a variao darotaopodeserdemaneiradiscretaoucontnua.AFigura2.2ilustraestetipode acoplamento,quepodeserconstitudoporvriasengrenagenseserchamadodetremde engrenagens. Figura 2.2 GearBox ou trem de engrenagens. Amaneiradiretadesevariaravelocidadedeummotordeinduocomrotorde gaiola alterando a velocidade sncrona do campo girante, e por conseqncia do motor. A rotao sncrona do campo girante dada pela equao: p 2f . 120Ns(2.1) 6 Onde:Ns = rotao sncrona.f = freqncia da rede. p = nmero de pares de plos. fcilperceber,observandoaequao(2.1),queparaalterarmosavelocidade, tem-sequealteraronmerodeplosdomotorouafreqnciadafontedealimentao, masemqualquerdosdoiscasos,avelocidadedomotorafetada.Nestescasosomotor pode ser diretamente ou indiretamente acoplado a carga, mas neste caso, com a finalidade principaldetransmitirarotaoetorquedomotorparaacarga,enocomointuitode obter uma variao de velocidade. Para se alterar a polaridade de um motor, tm-se quatro tipos de forma construtiva: 1.Dahlander. 2.Dupla velocidade. 3.Tripla velocidade. 4.Quatro velocidades. Osmotorestipodahlanderpossuemenrolamentonicoedevemtersempre polaridadescomrelaode1:2,comoporexemplo,II/IVouIV/VIIIplos.Osdedupla velocidadepossuemdoisenrolamentosindependentes,e,portanto,podemapresentar polaridadesdistintas.Oscomtrsvelocidadessoumauniodeumenrolamentotipo dahlandercomumenrolamentosimplesoudeduplapolaridadeindependentecomum enrolamentosimples.Oscomquatrovelocidadessoumauniodeumenrolamentotipo dahlander com um enrolamento de dupla polaridade independente. Em todos estes casos, a variao de velocidade depende da troca de ligao dos motores, de estrela para tringulo, nosmotoresdahlanderegeralmentedeestrelaparaestrelanosmotorescomenrolamento independentes, e desta forma no podem ser adotadas com o sistema em funcionamento. Quandoaaplicaorequervariaoderotao,estesmotoresapresentamcomo limitaoafaltadecontrolesobreestavariao,almdequeavelocidadeestsempre limitadasncrona,poissejapormeiosmecnicosouatravsdatrocadepolaridade,a velocidade, uma vez determinada, fica constante e a amplitude devariao limitada. No caso de altas velocidades, a maioria dos modelos vistos at agora no se aplicam, restando 7 apenasasalternativasdeseutilizarumacaixadeengrenagensoudemudanana freqncia, para se conseguir rotaes muito superiores. A necessidade de velocidade rotatria elevada uma exigncia comum de algumas aplicaesindustriais.Oscompressores,asbombaseasmquinasferramentaspodem freqentementeatingirmelhordesempenhocomvelocidadesmaiselevadas.Aeficincia energticanaaplicaodebombasecompressorestambmmelhoranestascondies.A taxadaremoodematerialemumeixoferramenta(spindle)aumentaeovolumedas mquinas e das aplicaes reduzido quando a velocidade rotatria aumentada. 2.1Sistema de movimentao eltrica de alta rotao Uma aplicao tradicional em alta rotao consiste em uma mquina para acionar a carga,umafontedealimentaoeumacaixadeengrenagens.Hojeemdia,osmotores eltricosdeinduosoafontemaiscomumdepotnciamecnica,poissodebaixo custo,deelevadaconfiabilidadeefacilmenteoperados.Osmotoreseltricostmuma freqncia de alimentao de 50 ou 60 hertz, que so fornecidos pela rede de distribuio de eletricidade. Assim, estes motores tm uma velocidade de operao mxima de 3000 ou 3600 rpm, para o caso de motores de II plos, segundo a equao (2.1) e desconsiderando-seoescorregamento.Dependendodaaplicao,umacaixadeengrenagensmudaessa velocidade para uma mais apropriada para o tipo de aplicao da mquina. Outra maneira deseterumavelocidaderotatriaelevadausaruminversordefreqncia.Oinversor transforma a freqncia da tenso da fonte de entrada, que pode ser 50 ou 60 hertz em uma tenso com a freqncia desejada. Conseguindo velocidades rotatrias elevadas, o volume do motor e da aplicao pode ser reduzido. Tabela 2.1 - Dimenses do motor normal e alta rotao - Fonte: Catlogo CALNETIX. Tipo de motor Parmetro de Comparao Alta RotaoConvencional Potncia2MW2MW Altura0.71 m1.85 m Comprimento1.34 m2.28 m Peso748 kg5130 kg Densidade de Potncia3770 kW/m3326 kW/m3 8 NaFigura2.3tem-seacomparaoentreummotornormaleummotordealta rotao,demesmapotncia,enaTabela2.1acomparaodosvaloresdimensionaisdos mesmos motores. Figura 2.3 Comparao entre motor normal e de alta rotao de mesma potncia. Fonte: Catlogo CALNETIX. ATabela2.2eaFigura2.4mostramasdiferenasentreautilizaodemotores convencionais e motores de alta rotao em uma mesma aplicao, agora do ponto de vista de acoplamento e acionamentos dos motores. Acionamento de Alta rotao utilizando motor convencional. Acionamento de alta rotao utilizando inversor de freqncia. Figura 2.4 Diferenas entre acionamentos para alta rotao. 9 Odesenvolvimentodaeletrnicadepotnciatrouxeinversorescapazesdeoperar comgrandes potncias e com grandes variaes de freqncia. Uma fonte de tenso e um inversordefreqnciacomumcontroleescalarsimplessogeralmenteapropriadospara alimentarummotordeinduodealtarotaonasaplicaesmaiscomumente encontradas.Semicondutoresdepotnciamaisnovospodemoperaremfreqnciasmais elevadasdechaveamentosemcausarumaumentoexcessivodasperdas.Almdequese utilizarmosdiferentestcnicasdemodulaodatenso,asformasdeondadetensona sadadoinversorpodemserselecionadasdemodoareduzirasperdas,aondulaode torque,rudos,etc.,dependendodaaplicaoedasdemandas.Ousodaeletrnicade potncia junto com redes integradas de controle e de informao torna possvel a utilizao eficiente e a superviso das aplicaes simultaneamente. Os processos podem ser ajustados sem perdas desnecessrias simplesmente mudando a freqncia da fonte do motor eltrico. Tabela 2.2 - Diferenas entre acionamento convencional e em alta rotao de compressor. Tipo de MotorAlta rotaoConvencional AlimentaoInversor de freqnciaDireta DimensesPequeno volume e pesoGrande volume e peso GearBox e acessriosNoSim ControleVelocidadeNo Desgaste mecnicoNo (Mancal magntico)Engrenagens e rolamentos

Alimentarummotoreltricocomuminversorpodeexigiralgunsajustesno projeto do motor, principalmente no que se refere ao isolamento. Um aumento adicional na freqnciadafonteenfatizaestasexigncias.Asformasdeondadafontedetensoeda correntenososenoidaisemaisperdassointroduzidasnomotor.Algunscomponentes dasperdas,taiscomoasperdasporcorrentesparasitas,sofortementedependentesda freqnciaesuapartenasperdastotaisaumentamcomoaumentodafreqncia.A mudana no balano das perdas faz com que o projeto timo do motor de alta rotaoseja diferentedoprojetotimodeummotorconvencionalde50/60 hertz.Nestetrabalho,so abordadososmotoresdealtarotaocomumafreqnciadefontedeat500hertz.A aplicaodealtarotaodomotordeinduoconsideradanestetrabalhotemtodosos componentesgirandounidosaomesmoeixo,ouseja,acargaacopladaaomesmoeixo com o rotor.10 O sistema de refrigerao adotado poder ser de dois tipos. Atravs da passagem do fluxo de ar, neste caso a carcaa do motor ser aberta como mostra aFigura 2.5, onde um ventiladorexternoecomalimentaoindependentedomotorforaacirculaodear atravsdaspartesinternasdomotoreregiesfinaisdoenrolamento,maisconhecidas como cabea de bobina. O outro sistema utilizando uma carcaa totalmente fechada com circulaodeguaououtrolquidorefrigerantecomomostraaFigura2.6,realizando assim a troca trmica. Figura 2.5 Motor de alta rotao refrigerado a ar Prottipo. 1 Ventilador.6 Ncleo eltrico do motor de alta rotao. 2 Motor auxiliar normal.7 Rotor para alta rotao. 3 Anel intermedirio do rolamento.8 Rolamentos especiais. 4 Tampa com abertura para ventilao.9 Tampa especial com circulao de gua. 5 Disco de balanceamento.10 Carcaa especial com circulao de gua. 11 Figura 2.6 Motor de alta rotao refrigerado a gua - Prottipo. 12 3O MOTOR DE ALTA ROTAO Osmotoreseltricosvmsedesenvolvendopelosltimos180anos.Operodo entre1820e1875foiexperimental,emqueosinventoresconduziramdemonstraes pblicas de fenmenos interessantes no campo eletromagntico. O primeiro motor eltrico deinduotrifsicofoiapresentadoem1889,porDolivoDobrowolski,engenheirorusso quetrabalhavaparaaAEG,umaempresaalem.Outrosinventorestambmsocitados como responsveis pelo feito, tais como o italiano Galileo Ferraris e o croata Nicola Tesla. As primeiras mquinas eltricas prticas foram dnamos que operavam com o princpio de corrente contnua. A primeira instalao de um sistema eltrico de distribuio em corrente alternada, foi desenvolvido em Barrington (EUA) no incio de 1886. Em 1894, na Carolina doSul(EUA)surgiuaprimeirautilizaodemotoresdeinduocomocargaprincipal, operandoemvelocidadesde600a1800rpm.Em1906aGeneralElectricproduziuum motordeinduotrifsicode5500rpmcomtecnologiadeeixorgido.Osprimeiros motoresdealtavelocidadesurgiramnaEuropaem1908,paraacionamentodeeixosde mquinasparaaindstriadefibrassintticas(nylon).Em1930osmotoresdealta velocidadejoperavamem7200rpm.Comacrescentenecessidadedemaiores velocidades e confiabilidade, em 1936 a GE lana o conceito de eixo flexvel, com o qual o motor absorve as excessivas vibraes geradas pelo desequilbrio das partes mveis, e com isto seus motores atingem velocidades de operao acima de 10000 rpm. Porm, o conceito deeixoflexvelsomentepodiaseraplicadoemmotoresoperandocomvelocidades constantes,casocontrriodeveriaserutilizadooconceitoanterior,ouseja,eixorgido, ondeodesequilbriodaspartesmveisdomotorpassaaserproblemtico.Aidiado projeto de eixo flexvel foi descrita originalmente por DeLaval em 1890 para aplicao em turbinas e tinha sido utilizada por Alexanderson, em 1909, no projeto de seu alternador de alta freqncia [2]. Pode-sedividirasmquinaseltricasdealtavelocidadeemduascategorias principais: eixo rgido e eixo flexvel. No existe uma definio nica que seja aceita para projetocomeixorgidoouflexvel.Emconseqncia,existemuitaconfusosobreo significado dos termos eixo rgido e eixo flexvel, particularmente quando aplicada s mquinaseltricas.DAWSONeEIS[3]possuemduasdefiniesquesomais freqentementeutilizadasparaoprojetoeoperao.Resumidamente,seucritriode projeto pode ser entendido como:13 Uma mquina de eixo rgido aquela onde a freqncia de ordemmais baixadavelocidadecrtica130%oumaisdafreqnciaque corresponde velocidade mxima de operao da mquina.As mquinas de eixo flexvel so aquelas onde a velocidade crtica est abaixo de 130% da velocidade mxima. Velocidadecrticadefinidacomoavelocidadenafreqnciaderotaocrtica, que quando a freqncia de rotao mecnica se iguala freqncia natural de flexo do rotor,resultandoemumasituaoderessonncia.Aexcitaonestecasoafora centrfugadedesbalanceamentoresidual,quepormenorqueseja,estsemprepresentee ocorresemprenafreqnciaderotao.Namaioriadasmquinaseltricasproduzidas atualmente,soutilizadosprojetosdeacordocomoscritriosdeeixorgido.Apenasos grandes turbo geradores de alta velocidade utilizam projetos baseados no conceito de eixo flexvel, em conseqncia de seu tamanho e velocidade. Quando o motor for utilizado em equipamentos de alta velocidade, e principalmente quandoexisteapossibilidadedevariaodestavelocidade,oprojetodorotoredoeixo deste motor torna-semuitoimportante.Duranteafasedeprojeto,deve-selevaremconta se o motor apresenta uma velocidade crticadentro da escala da velocidade de operao.ANORMAAPI-541[4]defineeixorgidocomooeixoemqueafreqnciade rotao mecnica menor que a freqncia de rotao crtica, tendo como valor adotado, ( ) 8 , 0 r 7 , 0 F . r Fx m (3.1) Onde:Fm = freqncia de rotao mecnica. Fx = freqncia de rotao crtica. r = Constante. Oeixoflexveldefinidopelamesmanormacomotendoafreqnciaderotao mecnica maior que a freqncia de rotao crtica, x mF F > (3.2) 14 Neste caso no deve ser aplicado a motores acionados com inversor de freqncia, poiscomestetipodeacionamentoomotorpoderserinadvertidamenteoperadona freqncia crtica. Osmotorescomeixoflexvelpodempassarpelarotaocrtica,masnopodem operar nesta rotao por um tempo prolongado. Duranteasdcadasde40e50asaplicaesparamquinasdealtarotaose diversificaram,assimcomoseusfabricantes.Amaioriadosdesenvolvimentosutilizava motoresdeinduocomgaioladeesquilo,refrigeradosagua,comvelocidadesde operao de 4000 a 40000 rpm. Atualmente,asmquinasdevelocidadeelevadasorequeridasemdiversas aplicaesdaindstria,comoamovimentaodoeixoemmquinasferramentasenas bombasturbo-moleculares,naindstriadesemicondutoresnecessriaautilizaode velocidadesrotatriaselevadasparamelhoriasdequalidadeereduodotempode processamento. No sistema de co-gerao atravs de micro turbinas de gs, os geradores de alta velocidade so preferidos por serem compactos e poderem ser conectados diretamente s turbinas sem as caixas de engrenagens. As vantagens da compactao so o menor peso, elevada eficincia e a manuteno mais simples e barata [5]. Recentemente, houve um grande desenvolvimento dos motores e geradores de alta rotao devido, principalmente, s seguintes razes: Melhoria e menores custos dos circuitos de eletrnica de potncia.ms permanentes de alta energia e aos eltricos com baixas perdas.Melhoria da confiabilidade em mquinas rotatrias de elevadas velocidades.Melhoriadalubrificaodosrolamentoseutilizaodemancais magnticos.Anlises computacionais e tecnologias de simulao mais desenvolvidas. Operaosemrolamentos(bearingless)econtrolesemsensores (sensorless). 3.1Definio de motor de alta rotao Conforme a norma IEC 60034-1 [6], motores de induo de gaiola convencionais de tenso nominal abaixo de 1000 V devem estar aptos para funcionar continuamente e com seguranaatdeterminadasvelocidades,quevariamcomacarcaaeapolaridadeda 15 mquina.Adicionalmenteexistemlimitesdesobrevelocidadedefinidos,nosquaisesses motoresdevemsercapazesdeoperarpelotempode2minutosnumarotao20%acima da sua faixa contnua segura. OAnexo 1 mostra o trecho da norma, que trata tais questes. Semelhantemente,anormaNEMAMG1-Parte12[7]especificaosvalores mximos de velocidade para operao contnua segura dos motores de induo de gaiola, dependentes da potncia e da polaridade da mquina. Os limites de sobre velocidade, para osquaisosmotoresdevemestaraptosaoperaremporumperodode2minutos(sem conexo eltrica com a fonte) tambm so especificados e variam de 20% a 25% acima dos limites para operao contnua segura. Tais informaes esto detalhadas no Anexo 2. Poroutrolado,osmotores,quandoalimentadosporinversordefreqncia, atendem s exigncias danormaNEMAMG1 partes 30 e 31 [7]e esto aptos a operar at 90 Hz, ou 5400 rpm, em termos de capacidade de fornecimento de torque na ponta de eixo.Destaforma,pode-sedefinirinternamentecomomotoresdealtarotaoaqueles, cujo funcionamento nominal est acima de 5400 rpm.Deve-se lembrar, porm, que quanto mais elevada for a rotao, mais elevada ser a velocidadeperifricadorotoreseuscomponentes,emaiscuidadosdeverosertomados com relao ao projeto, fabricao e operao dos mesmos. Portanto,umadefiniomaisadequadaparaaltarotaovinculaessetermo velocidade perifrica do rotor, pois as mquinas menores admitem rotaes mais elevadas doqueasmquinasmaiores.Amximavelocidadeperifricadosmotoresatualmente fabricados de100 m/s (carcaa 355, 5400 rpm), assim,seriam considerados motores de alta rotao aqueles cuja velocidade perifrica do rotor fosse maior do que 100 m/s. Estaconceituaoestdiretamenterelacionadacomonveldetensesmecnicas geradas no rotor, devido ao efeito das foras centrfugas. Pode-se mostrar, para a geometria simplificada de um disco macio em rotao, Anexo 3, que as tenses tangenciais e radiais desenvolvidasnodisco,devidoaoefeitodaforacentrfuga,estodiretamente relacionadas velocidade perifrica do disco [8]. No caso do disco macio, essas tenses podem ser escritas como sendo: () ( )11]1

,_

+ + + 2222rrd.3. 3 11 r . . .83r (3.3) 16 () ( )11]1

,_

+ 2222 rrrd1 r . . .83r (3.4) Onde:(r) = tenso mecnica tangencial no disco no raio r. r(r) = tenso mecnica radial no disco no raio r. rd = um raio qualquer do disco. r2 = raio externo do disco. = velocidade angular do rotor.r2= velocidade perifrica ou tangencial no raio externo do disco. = massa especfica do material do disco. = coeficiente de Poisson do material do disco. Essasequaesmostramqueastenses(r)er(r)serotantomaiores,quanto maior for a velocidade perifrica r2. Assim, haver um limite de velocidader2 acima da qualastensestornam-seexcessivamentealtas,podendoprovocaradesagregaodo materialdodisco.Estelimitenonecessariamenteavelocidadede100m/s,porm, velocidades at 100 m/s podem ser consideradas velocidades de operao seguras para os materiaisnormalmente usados no rotor. Acima desta velocidade so necessrios cuidados especiais. Alm disso, na geometria real do rotor podem existir pontos de concentrao de tenses que requerem verificaes especiais. 3.2Aspectos tecnolgicos dos motores de alta rotao O recente desenvolvimento dos motores de alta rotao tem sido impulsionado por umasriedefatorestecnolgicos,dentreeles:asmelhoriasverificadasnaeletrnicade potncia, o desenvolvimento de aos eltricos de baixas perdas e de ms permanentesde alta energia, o aumento de confiabilidade das mquinas girantes em rotaes cada vez mais elevadas, melhorias na mancalizao, tecnologias computacionais para anlise e simulao de projetos, operaosensorless,dentreoutros.Almdealtadensidade depotncia,os motoresdealtarotaoapresentamaindaagrandevantagemdepoderemseracoplados diretamentecarga(principalmentecompressores),semanecessidadedesistemas mecnicos intermedirios, tornando o acionamento mais eficiente, compacto,leve, robusto e financeiramente mais atrativo [9]. 17 Existeatualmenteumaamplavariedadedesoluestecnolgicaspara acionamentosdealtarotaocomacoplamentodireto.Elaspodemserdivididas basicamenteemduascategorias:soluesmecnicas(porexemplo,turbinasagsea vapor)esolueseltricas(porexemplo,motoressncronosedeinduo).Assolues eltricas destacam-se por apresentarem menores custos com manuteno, melhor eficincia energtica,menorndicedeemissodepoluentes,maiorpossibilidadedeautomaoe controle remoto de processos, dentre outras vantagens [10]. Focando ento as solues eltricas disponveis, elas podem ser classificadas como sendodevelocidadefixaoudevelocidadevarivel.Asaplicaessemvariaode velocidadesobemmenosdispendiosasegeralmenteasuaescolhafeitacombasena eficinciaglobaldoprocessoemsi.Noentanto,suaaplicaologicamentebemmais limitada, ao passo que a busca porsolues eltricas de velocidade varivel crescente. O diferencialentreestasaplicaesotipodeinversorqueserutilizadoemseu acionamento.Seavelocidadeconstante,pode-seutilizaruminversordedicadoemuito maissimplesedecustoinferior.Jseaaplicaonecessitadevariaonavelocidade, deve-se ter um inversor que seja capaz de atender a esta solicitao. Outrascaractersticasimportantesdassolueseltricassoarotaoeotipode motor. Quando motores convencionais de baixo custo (at 3600 rpm) so utilizados em aplicaesdealtarotao,independentementedanecessidadedehavervariaode velocidade,tipicamentesonecessriostambmsistemasmecnicoscomoengrenagens, poliasecorreias,quereduzemorendimentoglobaldosistemaeaumentamoespao requerido, a complexidade e o custo da instalao.Assim,aumentararotaodomotoracimade3600rpminteressantepordois motivos: reduz tamanho e peso do equipamento (a potncia proporcional rotao, logo aconversodepotnciaporvolumemelhorada),oquesignificamelhorutilizaoda energia,e,almdisso,oacoplamentodiretoaindamelhorasensivelmenteorendimento global do acionamento. Mas as caractersticas eltricas e magnticas das mquinas devem sermelhoradas,assimcomocaractersticasmecnicastaiscomoarobustezdorotor, sistemas de resfriamento e lubrificao, mancais e amortecimento de vibraes. Quantoaotipodemotor,elespodemsersncronosouassncronos.Motoresde correntecontnuanoseprestambemaaplicaesdealtasvelocidadesepotncias, mquinashomopolaresapresentamdesempenhomuitoabaixododesejvel,josmotores derelutnciaedemspermanentespodemserpromissores,entretantosuaaplicaoem 18 altas rotaes e altas potncias ainda incipiente. O motor sncrono sem escovas limitado construtivamente a velocidades em torno de 7000 rpm (as dificuldades esto relacionadas com a necessidade de fornecer potncia eltrica ao rotor e complexidade do rotor devido ao isolamento dos condutores, cunhas de ranhuras, etc.). O motor de induo, por outro lado, possui um rotor bastante simples e robusto, o quereduzcustoseaumentaaconfiabilidade,epodeatenderapraticamentetodasas aplicaes no que diz respeito relao velocidade/potncia. O tipo de mquina, conforme mostraaTabela3.1,aserfinalmenteescolhidoparadeterminadaaplicao,contudo, depende de uma srie de fatores incluindo a tecnologia dos mancais, a faixa de velocidades de operao, a potncia nominal, os requisitos de desempenho e a temperatura ambiente. Tabela 3.1- Vantagens e desvantagens das mquinas eltricas de alta rotao. Tipo de MquinaVantagensDesvantagens Partida suavePerdas no rotor Baixo fator de potncia Rotor Laminado Regulao de velocidade em malha aberta.Baixa resistncia mecnica Resistncia mecnica elevada Saturao elevada Baixos torques Induo Rotor Slido Robusto a altas temperaturasBaixo fator de potncia Entreferro grandeFragilidade do rotor Alto fator de potnciaPerdas no ferro a vazio ms Superficiais Estrutura do rotor simplesEnfraquecimento do campo Estrutura mais robustaEstrutura do rotor complicada Maiores torques Im Permanente ms Internos Rotaes mais elevadas Entreferro pequeno Alto fator de potnciaEstrutura do rotor complicada Claw pole Ajuste do campoPerdas no rotor Alto fator de potnciaPerdas por ventilao Ajuste do campoHomopolar Estrutura do rotor simples Perdas no ferro Alto fator de potnciaEnfraquecimento do campo Baixas perdas no rotor Im Permanente de Fluxo Axial Entreferro grande Estrutura complicada Estrutura do rotor simplesBaixo fator de potncia Baixas perdas no rotorPerdas por ventilaoSncrona de Relutncia Ajuste do campoEntreferro pequeno Estrutura do rotor simplesVibrao elevada Grande relao rotor/inrciaPerdas por ventilaoRelutncia chaveada Ajuste do campoEntreferro pequeno 19 O motor de induo pode possuir rotor slido, Figura 3.1, ou laminado, Figura 3.2. Porsuagrandeintegridade,omotordeinduocomrotorslidoapresentabom desempenhomecnicoemaltasrotaes,porm,dopontodevistaeltricoquase inaceitvelporapresentarfatordepotnciamuitobaixoeperdasmagnticasmuito elevadas. Figura 3.1 Rotor slido para motor de alta rotao. Fonte: Arquivo particular de Sebastio Lauro Nau Cortesia: Rotatek/2006. Figura 3.2 Rotor laminado para motor de alta rotao. Fonte: Prottipo Motor Alta Rotao Cortesia: WEG/2007. O motor com rotor slido apresenta um comportamento mais complexo do que o de um motor com rotor clssico de gaiola, pois os nveis de saturao so inerentemente mais altos.Canaisaxiaispodemmelhorarodesempenhodamquinaderotorslido, aumentandootorqueproduzidoeofatordepotncia.Poroutrolado,apresentama contrapartidadeaumentarorudoeenfraquecermecanicamenteorotor[11].Rotores laminadosmecanicamenterepresentamumdesafioaoprojetista,maseletricamenteseu 20 bomdesempenhogarantido.Obomdesempenhomecnicodorotoremaltasrotaes basicamentedependededoisfatores:acapacidadedaslminasedosanisdecurto-circuito de suportaremas altastenses mecnicas induzidaspelas foras centrfugas e a capacidadedorotordepermanecerbalanceadomesmocomosdiferentesnveisde expanso trmica das vrias partes que o compem. O estator de um motor de induo de alta rotao, contudo, bastante similar a um estator convencional, mas deve ser dada ateno especial alimentao em alta freqncia. Aoseltricosdealtaqualidadedevemserusados,paraqueasperdasdealtafreqncia sejamminimizadas,massemqueistotragaumadiminuionascaractersticasmecnicas dachapa.Quantoaosistemadeisolamentodoenrolamentodoestator,poderser encapsulado ou impregnado com resina epxi, para resistir s micro vibraes geradas pela altarotao,quepodemdestruirosistemaisolanteetambmsuportarcommaior segurana os esforos impostos pela alimentao PWM. Isto ser discutido no captulo 6. Uma complicao do projeto de motores de induo de alta rotao diz respeito ao mtodo de resfriamento. Para dada potncia, o motor tende a ser menor, quanto maior for a suavelocidadederotao.Noentanto,asperdaseltricasnosoreduzidasnamesma proporoqueotamanho,entoaumentaarelaodasperdasaseremevacuadaspor unidade de volume (ou rea), exigindo ateno especial a este aspecto do projeto. A limitao de potncia do motor de induo se d da seguinte forma: assumindo a necessidade de se entregar potncia em determinada rotao, com base no stress mecnico suportadopelaschapaspoderserdefinidoomximodimetroaceitveldorotore,por conseguinte,asuarigidez.Umavezconhecidoodimetrodorotor,oclculodarotao crtica determinar o seu comprimento mximo (altura do pacote). Adota-seumamargem de segurana de 25% entre a mxima velocidade de operao e oprimeiro modo de flexo, utilizandooconceitodeeixorgido.Omximovolumerotricopassaaserento conhecido.Otorquedesenvolvidopelomotorproporcionalaovolumerotrico,para determinada soluo de resfriamento. Conseqentemente,amximapotnciatambmestardefinidaeonicomeiode elev-laseriamelhorandoorendimentodosistemaderesfriamentooudosmateriais utilizados em sua fabricao. Considerando um projeto em que o comprimento do rotor e o dimetrodoeixoforamescolhidosparaestarseguramenteabaixodaprimeirarotao crtica,apotnciadomotordependedodimetrodorotore,portanto,limitadapela escolhadosmateriais.Aliteraturaindicaqueatumafreqnciadeoperaode500Hz 21 (30000rpm,paraumamquinadedoisplos)nohproblemasemutilizargaiolade alumnio [12], acima desta rotao deve-se buscar outras solues, como rotor macio ou cintas de segurana para os anis de alumnio e superfcie do rotor. Vibraes,almdeserumproblemamecnico,tambmcausamamaiorpartedo rudodomotor.Asvibraessoexcitadastantopelocampomagnticodaprpria mquina (harmnicas de campo do estator e do rotor, harmnicas de saturao dos dentes e excentricidade),comopelasharmnicasdecorrentesdaalimentaoporinversorde freqncia.Aquicaberessaltar,quetambmoscircuitosdecontroledevempossuiralto rendimentoeparaissodevemserprojetadosparaummenorcontedoharmnicocom tenses e correntes de alta freqncia.Finalmente,emrelaosperdasnestesmotores,pode-sedizerqueasperdasno ferropredominam,anoserqueadensidadedefluxosejaextremamentebaixa, acarretando a reduo da densidade de potncia, mas isso no um grande problema, pois adensidadedepotnciadestesmotoresconceitualmenteelevada.Parareduzira densidadedefluxo,porm,oeixonopodeserafinadoparapromoveroalargamentoda coroa do rotor, pois isso abaixaria a freqncia de ressonncia. Ainda em termos de perdas noferro,aconfiguraocomdoisplosarecomendada,umavezqueafreqnciade alimentao ser a menor possvel. O problema com as mquinas de dois plos reside nas cabeasdebobinaquetendemasergrandesenoslongoscaminhosdofluxoe,portanto, larguradacoroa,principalmentenorotor.Odimetrodorotordeveserescolhidoto pequenoquantopossvel,porqueasperdasporatritoaumentamquadraticamentecoma velocidade superficial e as foras centrfugas so proporcionais ao raio. 22 4CONSTRUO DO MOTOR DE ALTA ROTAO Um motor de alta rotao deve ser projetado de modo que trabalhe bem com uma fonte de freqncia elevada fornecida por um inversor. Os conceitos mecnicos devem ser consideradoscomcuidadoaoprojetarumrotorparavelocidadeselevadasderotao.A perda por atrito torna-se mais significativa e as perdas em geral so geradas em um volume menor do que em um motor convencional. A refrigerao do motor tem que ser ajustada de acordocomestesnovosconceitos.Adistribuiodasperdasdentrodomotortambm muda e esta, por sua vez, muda os parmetros deprojeto. A busca de solues para estes problemasiroconduziraalgumasdiferenasdeprojetodeummotordeinduodealta rotao, quando comparadas com os projetos convencionais de mesmo nvel de potncia. 4.1Laminao para altas freqncias Umcampomagnticoalternadoinduzcorrentesparasitasempartescondutoras comoncleodeferroeenrolamentos.Ascorrentesparasitasopem-seamudanasdo fluxoetentamempurr-loparaforadomeiocondutor.Assim,ocampomagnticoeo fluxosomentepodempenetrarumadeterminadaprofundidadeemummaterialcondutor. Logoaparteinternadomaterialnopodeserusadacomoumtrajetoparaofluxo.Este efeitopodeserexplicadoatravsdoconceitodeprofundidadedepenetraoP,que definidacomoumadistnciadeumasuperfciedeumplanomaterialcondutorondea amplitudedeumaondaeletromagnticaincidentequepenetranomaterialsejadiminuda pelofatore-1ou37%deseuvalororiginal.Estaprofundidadedepenetraodadapela equao (4.1). f . . 2 pois ;. . . f .1. . .2r 0 r 0P (4.1) Onde: = freqncia angular.f= freqncia da onda do incidente. 0 = permeabilidade do vcuo.r= permeabilidade relativa do material. = condutividade do material.23 Nomotorestudado,foramutilizadaslminasdeaono-orientadode0,50mme 3,00 mm. Sabe-se que a lmina de 0,50 mm uma boa escolha para o estator de um motor dealtarotaoacionadocomfreqnciaentre500e1000Hzdetensoecorrente fundamentais. Do ponto da vista das perdas, a lmina de 0,50 mm claramente melhor do que a lmina de 3,00 mm, embora a diferena se torne menor em freqncias mais baixas. Lminasmaisfinasestodisponveishojeemdia,poisasaplicaesemaltafreqncia estosetornandomaiscomuns.Entretanto,asperdasnosoanicacondioaser consideradanaseleodaslminaseltricas.Osvaloresdasperdasdaslminassugerem claramente o uso de uma laminao mais fina, porm o custo, a facilidade de manufatura e a resistncia s foras centrfugas, sugerem uma lmina mais grossa. Assim, SOONG et al. [13]indicamaimportnciadeumtratamentotrmicoparaconseguirascaractersticas apropriadas da laminao, mesmo que seja de uma espessura maior. O tamanho de gro, a elasticidadeearesistnciadomaterialpodemterseusrendimentosajustadoscom tratamentos diferentes. Um tamanho de gro grande apropriado para minimizar as perdas por histerese nas laminaes para mquinas de 50/60 hertz. Em um motor de alta rotao, a perdaporcorrentesparasitastorna-sedominanteeassimumtamanhodegropequeno maisapropriado.Comumtratamentotrmicocorreto,umpontotimoentreaperdapor histerese e a perda por correntes parasitas pode ser encontrado e a perda total ser reduzida. O tratamento trmico afeta tambm a resistncia e a fragilidade do material, portanto deve ser utilizado com critrios bem definidos para no prejudicar mecanicamente a chapa. Basicamente,somenteestasduaspropriedadessoimportantesnaslaminaesdo rotor, j que o objetivo conseguir o mximo de rendimento e manter o nvel necessrio de fragilidadeafimevitaradesintegraodomaterial.SegundoBOGLIETTIetal.[14]e SMITH eEDEY [15] , a montagem do pacote de chapas do motor tambm tem efeitos nas caractersticasdalmina.Estamparaslminas,porexemplo,diminuiaspropriedades eletromagnticas da chapa, infligindo um elevado esforo nas bordas do corte, alterando a estrutura do gro e removendo o revestimento isolante. Os dentes de um estator ou rotor de altarotaopodemserpequenoseassimarearelativadalminadeterioradapodeser grande. Tcnicas mais caras de fabricao, como o corte a laser podem ser utilizados [13], evitando-se desta maneira os danos causados pelo processo de estampagem. Oempilhamentoecompactaodaslminastambmtmefeitonaspropriedades eletromagnticas.Nestecasooesforomecnicopodecausarefeitosimilaraoefeito danosodaestampagem,poisemambosexisteacompressodaschapas.Oprocessode 24 empilhamentodevetambmlevaremconsideraoascondiesdehomogeneidadedo materialedotipodevariaodocampomagnticoaqueopacoteficarsujeito, principalmente nos motores onde as lminas no-orientadas podem ser utilizadas no pacote do estator. Pelo fato de existirem estaspequenas no-homogeneidades, que so devidas ao sentido de laminao do ao, as chapas devem ser empilhadas de tal modo que o sentido de laminao varie durante a formao do pacote. Figura 4.1 Pontos de loci em um estator. Umaprticacomumgirarmetadedopacoteem180,masemcasosespeciaiso ngulo de giro do pacote pode ser menor, como por exemplo, 90. Outra adio o tipo da variaodocampomagntico.BERTOTTIetal.[16]demonstramqueoslocideum campomagnticoalternadosomuitodiferentesemposiesdiferentesdeumestator, observandoospontosindicadosnaFigura4.1,soalternadosnosdentes(A),girandona extremidade do dente prximo a coroa (B)e elpticos no centro da coroa (C).Istolevantaumaperguntaarespeitodeseaschapasorientadasdevemserusadas como proposto porBOGLIETTI et al.[17],quesugerem que chapas orientadas poderiam ser empilhadas ortogonalmente para se assemelharem a uma pilha de chapasbi-orientadas. Desta estrutura magntica transversal (CMS)espera-se uma menor produo de perdas no ferro do que a produzida por uma pilha de lminas no-orientadas. Se um rotor de ao slido for usado, o ao tem que suportar as correntes e o fluxo magnticoproduzindootorque.Semedida,aperdatotalespecficaseriaelevada.Neste sentido,acondutividadeeapermeabilidadeelevadasseriamideais.Estetipodematerial produziriaumtorquemaiselevadoporvolume,mastambmumaelevadadensidadede perdas. Entretanto, se o rotor tiver um revestimento de cobre ou sulcos longitudinais com barras de alumnio, aos com condutividade mais baixa podem ser usados, principalmente 25 porque as sees de cobre ou alumnio carregaro as correntes e o fluxo por um trajeto com perdas resistivas menores. 4.2Enrolamento do estator para alta rotao Para o enrolamento do estator, a caracterstica mais importante no projeto do motor de alta rotao apresentar um fluxo perfeitamente senoidal, ou o mais prximo possvel, nasuperfciedorotor.Seno,oscomponentesharmnicosinduziroumaquantidade considervel de perda no rotor. Especialmente se forem utilizados os rotores slidos. Esta condiomuitodiscutidanaliteraturaeassoluespropostaspodemserdivididasem dois grupos.Umgrupodassoluestentafazeraforamagnetomotriz(fmm)produzidapelo enrolamentodoestatortosenoidalquantopossvel,comoobjetivodereduziras harmnicas do enrolamento. O outro grupo tenta fazer a permencia da abertura da ranhura do estator to estvel quanto possvel. As solues de ambos os grupos podem ser usadas ao mesmo tempo a fim reduzir o ndice das harmnicas do fluxo de abertura das ranhuras. Os motores de induo convencionais tm geralmente enrolamento de camada nica, desta formapodemutilizarainserodabobinagemmecanizada.Ultimamenteestosendo desenvolvidas mquinas de bobinagem mecanizada para motores utilizando bobinagem em camadamista,queummeiotermoentreacamadanicaeadupla.Ummotordealta rotao mais sensvel aos harmnicos de enrolamento e uma forma de onda mais perfeita dafmmdesejada.Istopodeserconseguidoaumentandoonmeroderanhurasou usando-seumenrolamentodecamadadupla.Emprincpio,oaumentodonmerode ranhuras o melhor, contanto que exista bastante espao para as ranhuras e deste modo os dentesnosetornemmuitoestreitos.Areduonasperdasnoladodorotorgeralmente compensaoaumentodasperdasnoferronoladodoestator.Algumasdasharmnicasde enrolamentotmomesmovalorparaofatordeenrolamentoqueacomponente fundamental.Asharmnicasrelativasaberturadasranhurastmsuaordemelevadano espectroharmnicoquandoonmeroderanhurasaumentado.Istopodeservistona Tabela4.1.Ofatordedispersonamesmatabeladescreveondicedasharmnicasde fmm. Logo a qualidade da fmm melhora com o aumento do nmero de ranhuras. O projeto do estator pode tambm ser melhorado selecionando um enrolamento de passo encurtado e camadadupla,oquediminuieficazmenteosndicesharmnicosdafmmedofluxoda abertura da ranhura. 26 Tabela 4.1 - Fator de Enrolamento () para enrolamentos trifsicos. Q=24; W/ = 1Q=24; W/ = 5/6Q=36; W/ = 1Q=36; W/ = 5/6 10.9580.9250.9560.924 50.2050.0530.1970.051 70.1580.0410.1450.038 110.1260.1220.1020.098 130.1260.1220.0920.089 170.1580.0410.0840.022 190.2050.0530.0840.022 230.9580.9250.0920.089 250.9580.9250.1020.098 290.2050.0530.1450.038 310.1580.0410.1970.051 350.1260.1220.9560.924 370.1260.1220.9560.924 ,10000.00880.00620.00510.0029 O maior inconveniente a diminuio do fator de enchimento da ranhura devido necessidadedeisolaoentreduasfasesemumamesmaranhura.Ofatordeenrolamento paraafmmfundamentaltambmligeiramentereduzido.PYRHNENeKURRONEN [18]obtiveramresultadossatisfatriosquandoalteraramoenrolamentodeumestatorde 24 ranhuras, de passo pleno para passo encurtado em 5/6. ABA - Uma fase com enrolamento com passo pleno e camada nica. B - Uma fase com enrolamento com passo encurtado de 5/6 e camada dupla. Figura 4.2 Estator com 36 ranhuras. 27 A Figura 4.2 ilustra o enrolamento de um estator com 36 ranhuras com passo pleno e camada nica (A) e com passo encurtado de 5/6 e camada dupla (B). Em ambos os casos para uma nica fase. A Tabela 4.1 mostra os fatores de enrolamento () para estatores com 24e36ranhuraseenrolamentocompassoplenoecompassoencurtadode5/6.Pode-se perceberquecomoencurtamentodopassodoenrolamentoaqualidadedafmmest melhorada.Osfatoresdeenrolamento,emfunodaordemdaharmnica,foramcalculados usando a equao (4.2) [19]:

,_

,_

,_

,_

2W .senq . m 2sen . qm 2senm 2sen(4.2) Onde:m = nmero de fases.q = nmero de ranhuras por plo por fase.W = extenso da bobina. = fator de enrolamento para harmnica . = passo polar. = ordem da harmnica: N k , 1 m . k . 2 + (4.3) Ofator de disperso () que descreve o ndice das harmnicas da fmm dado pela equao:

,_

121(4.4) Ascorrentesdealtafreqnciaeofluxodispersopodemcausarumconsidervel efeitoskineaumentaraperdaporcorrentesparasitasnosenrolamentos.Paraevitarestes efeitos,procura-seutilizarenrolamentoscomfiosfinoseenroladosaleatoriamente. MEKHICHE et al. [20] usaram o fio de Litz. Este tipo de condutor filamentar usado em 28 transformadores e em indutores de alta freqncia. As perdas deste tipo de fio so menores, mas so mais caros do que os condutores convencionais revestidos de esmalte.Outroproblemadoprojetorelacionadoaosenrolamentosqueaslimitaes dinmicasdorotorsugeremfreqentementemaioresdimensesdoeixoepacoteparao rotoreestator.Paraummotordedoisplos,istosignificaenrolamentosrelativamente longos tendo por resultado perdas por disperso e hmica relativamente mais elevadas. Um motordequatroplosseriamelhornestesentido,massignificariaumafontede alimentao com o dobro dafreqncia, uma perda no ferro mais elevada, um efeito skin aumentado e uma perda no chaveamento mais elevada para o inversor. 4.2.1O fio de Litz Este fio composto por um grande nmero de fios de pequena bitola, em AWG, o quecaracterizaumamenorperdaeltricadevidoaoefeitopeliculardacorrenteem freqncias altas. Figura 4.3 Rolos de diversos tipos de fio Litz. Normalmente no fio de cobre convencional as correntes debaixas freqncias, por exemplo,60Hzdaredeeltricapblica,circulamprximoaocentrodofio.Porm, conformeseelevaafreqncia,ocorreofenmenochamadodeefeitopelicular,ondea correntepassaacircularmuitoprximaperiferiadofio,deixandooseucentro praticamente sem nenhuma passagem de corrente.OfioLitzporsercompostodevriosfioscompequenodimetro,ofabricante indicanomximo50fiosde38AWGdedimetro,aperfeioaacirculaodacorrente, aumentando o campo eltrico e conseqentemente aumentando a tenso de sada. 29 4.3O entreferro e abertura das ranhuras Alm de reduziras harmnicas de enrolamento, necessria uma diminuio nas harmnicasdepermencianaaberturadasranhurasdoestatorparatermosumfluxo senoidalmaisprximodoidealnoladodorotor.Logoumdosparmetrosmais importantesnoprojetodeummotordealtarotaooentreferro.Comomencionadona seo precedente, os harmnicos podem induzir a maioria das perdas no lado do rotor. Para ummotordeinduo,umgrandeentreferroumproblemaporqueorotortemqueser magnetizado pelo lado do estator. Isto significa uma corrente de magnetizao elevada, um aumentodaperdahmicanosenrolamentosdoestatoreumbaixofatordepotncia. Entretanto, no caso de motores de alta rotao, uma opinio comum de que a necessidade deaumentaramagnetizaosercompensadapelareduodasperdasdorotor.Lhteenmkietal.[21]descrevemotestecomummotordeinduode7kW/50Hz.O entreferroinicial,0.35mm,foiselecionadodeacordocomosvaloresregularmente utilizados. Durante as medidas, os autores reduziram o dimetro do rotor em duas etapas. Oentreferrofoiaumentadopara0.50mmeafinalmentepara0.67mm.Umafontede tenso senoidal foi usada para acionar o motor em 50, 100 e 150 Hz.Os resultados mostraram que o motor, operando com torque nominal, e que tinha o maior entreferro apresentou um total de perdas menor quando a freqncia foi aumentada. A perda total em 150 Hz caiu em um tero, quando o entreferro foi aumentado de 0.35 mm para 0.67 mm. Em 50 Hz e especialmente em vazio, as diferenas foram pequenas. Isto foi devidoaoaumentodasperdasdoenrolamentoquecompensaadiminuiodasperdas adicionaisdoferro.Osresultadosaplicam-setambmdeformasimilarparaasmquinas de induo alimentadas por inversor de freqncia operado em freqncias mais elevadas. Assim,aseleodoentreferropodeserbaseadaprincipalmenteemequilibraros componentes das perdas de modo que a soma delas seja minimizada [22].Otamanhodoentreferropodeafetararefrigeraodomotor,seofluxodo refrigerantesofrerrestrioquandodapassagempeloentreferro,principalmenteem motoresqueutilizamcarcaaaberta.ATabela4.2mostraoentreferro()dealguns motoresdeinduodealtarotaorelatadosnaliteratura.Arelaodoentreferropelo dimetrodorotor(/De2),otipodorotor,apotncianominal,avelocidadenominalea refernciatambmestotabelados.Pode-severqueoentreferroaproximadamentedez vezes maior em um motor de alta rotao comparado a um convencional.

30 Tabela 4.2 - Entreferro de alguns motores de induo de alta rotao e um convencional. [mm] /De2 [%] Tipo de rotor Potncia [kW] Rotao [rpm] Referncia 4,005,7Slido revestido60100000[26] 4,505,0Slido revestido6060000[27] 4,505,0Slido revestido5030600[28] 2,502,8Slido engaiolado5050000[27] 1,272,5Laminado2150000[13] 2,152,4Laminado5030600[28] Slido Slido com fendas0,951,1 Slido engaiolado 1213500[29] Slido Slido revestido1,001,0 Slido duplo revestimento 1224000[18] Slido 0,400,8 Slido duplo revestimento 0,724000[30] 0,800,4Laminado371500Convencional Oproblemadamagnetizaodeummotordealtarotaopoderiaserevitado usandoumrotordemspermanentes.Masoprojetomecnicodorotordems permanentesnecessitadecuidadosespeciais,porqueorotornotorobustoquantoos rotores dos motores de induo. Outra maneira de diminuir as harmnicas de permencia minimizar o efeito da abertura da ranhura do estator fazendo-a to pequena quanto possvel [23]e[24],ouutilizando-sedecunhasdemateriaismagnticosousemi-magnticosno fechamento da abertura da ranhura, e com isto diminuir a flutuao da onda de permencia aumgraumuitomenor[25].Asdesvantagensdestassoluessooaumentoda dificuldadedeinserodosfiosdecobrequeformamasbobinas,oqueacarretaum aumentonocustodefabricaodoproduto,tantopelomaiortempodebobinagemcomo pelomaiorcustodacunhamagnticaemrelaoaoisolantedefechamentonormalmente utilizado. AnormaIEC60079-7apresentaaequao(4.5),quepodeserutilizadapara dimensionaroentreferromnimoquedeveserprevistoparamotoresderotaoelevada. Evidentementedeve-sebuscarumpontodeequilbrioentreestevaloreummximo, determinado conforme se viu anteriormente. b . rp .1000n . 75 , 025 , 078050 D15 , 02 e1]1

,_

++ (4.5) 31 Onde: = entreferro. De2 = dimetro externo do rotor.n = mxima rotao.b= 1,0 para rolamento de esferas, 1,5 para rolamento de rolos. rp= relao entre pacote e dimetro do rotor, conforme equao (4.6). Lr= pacote de chapas do rotor. 2 eD . 75 , 1Lrrp (4.6) Atravsdaequao(4.6)tem-seaTabela4.3,ondeestotabulados,paraalguns motorescomcarcaaspequenas,mdiasegrandes,em50e60Hz,osvaloresparaos mnimosvaloresdeentreferroquepodemserutilizadosemmotoresnormaisedealta rotao. Pode-setambmcompararovalormnimoquedeveteroentreferroparamotores girando na rotao sncrona, em 10000 rpm e 15000 rpm. Tabela 4.3 - Clculo do valor mnimo de entreferro para motores de alta rotao. Dados dos motores Mnimo na rotao HzCarcaacvDe2LrnSncrona10000 rpm15000 rpm 50225 VI5026025010000,600,25271,40252,0412 50225 VIII402602507500,600,22081,40252,0412 6090 IV292.59518000,300,22180,73621,0498 60132 IV1015014018000,600,25070,90671,3067 60200 II4018519036001,350,49491,15691,6741 60200 IV5020626018000,850,40361,53912,2315 60355 IV50039560018002,000,74823,12374,5722 60355 VI20042036012001,600,33821,85762,7208 4.4Perdas e refrigerao do motor de alta rotao Adistribuiodasperdasemummotordealtarotaodiferentesecomparada com a distribuio de perdas de um motor convencional. Isto ocorre porque os fenmenos queoriginamalgumasdasperdasdependemdafreqnciadediferentesmaneiras,deste modoestascomponentesdasperdassoalteradascomamudanadavelocidade.O 32 seguintequocientedaperdatotal(pt)pelapotnciadesada(Psada),ilustraesta dependncia [31]: n . V . Cn . p n . p n . p pPprotor3a2cp h cusadat+ + + (4.7) Onde:pCu = perda no cobre.ph= perda por histerese.pcp= perda por correntes parasitas.pa= perda por atrito.n = rotao.C = fator que descreve o torque por unidade de volume fornecido pelo rotor. Vrot = Volume do rotor. A equao simplificada e no deve ser aplicada quando se tem grande variao na freqncia,maspode-seobservarocomportamentodasparcelasrelativassperdas hmicas, por correntes parasitas e por atrito em funo da rotao, e tambm ilustra bem a idia de uma distribuio de perdas em funo da velocidade. Levando-se em considerao que a distribuio das perdas se altera em funo da freqncia, lgico se esperar que o projetodosmotorestambmdevamudaremfunodaalteraonafreqncia.SAARI [26]forneceumexemplodestadiferenanadistribuiodasperdas,comparandoum motor convencional e um de alta rotao. Ambos os motores so de induo com potncia de 37kW. O total de perdas est mostrado no Grfico 4.1. As perdas resistivas no cobre do motordealtarotaosomenoresemrazodoenrolamentodoestatorapresentaruma resistnciamaisbaixa.Asperdasnoncleoforamreduzidasutilizando-selminasmais finasnaformaodopacoteeentreferromaior.Emcompensaoasperdasmecnicas, ondeestoincludasasperdasporatrito,nosrolamentoseporrefrigerao,aumentaram maisdequatrovezesnomotordealtarotao,sempreemcomparaocomomotor convencional. 33 0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%Perdas Joule no Estator Perdas no Ferro doEstatorPerdas Joule no Rotor Perdas no Ferro do Rotor Perdas Mecnicas 1.500 rpm50.000 rpm Grfico 4.1 Perdas em motor de induo normal e de alta rotao, ambos 37kW IV [26]. Destemodoasperdastotaisnomotordealtarotaotornam-semaioresqueno motorconvencionaldemesmapotncia.Utilizando-sedosparmetrosdeprojeto especificados no trabalho de SAARI[26],pode-se calcular o volume do estator e rotor, e conclumosqueomotordealtarotaoapresentavaumvolumedeestatorerotorde somente23%e5%,respectivamente,dovolumedasmesmaspartesdomotor convencional.Esteexemplomostrabemqueadensidadedeperdaemummotordealta rotaomaiselevada,eistoafetaatopologiaidealdomotor.Motoresauto-ventilados (TEFC), ou seja, motores cujo ventilador est acoplado ao prprio eixo do motortornam-seimpraticveis,acimadecertarotao,poisumagrandeparceladasperdastotais composta pelas perdas por atrito e por ventilao, ou seja, no ventilador. Alm do mais, o rudo acstico gerado pelo ventilador em altas rotaes poderia ser inaceitvel. O ar quente que se encontra no entreferro deve ser retirado de modo que no contribua para o aumento da temperatura do estator e rotor, e sim contribua na retirada de calor do rotor, mantendo suatemperaturaemnveisaceitveis.Assim,nosmotoresestudadosutilizadaa refrigerao independente com circulao de ar forado atravs do entreferro e das cabeas de bobinas. 34 Figura 4.4 Estator bobinado com canais radiais de ventilao Fonte WEG Podem ser previstos dutos de refrigerao no estator, conforme se pode observar na Figura4.4, que so formados por espaamentos entre as lminas formando canais radiais, diminuindo desta forma a distncia que o fluido refrigerante deve percorrer pelo entreferro. Esterecursonormalmenteutilizadoemmotorescomcarcaaaberta.Oventiladorpode soprarousugaroaratravsdomotor.Dopontodevistadeelevaodetemperatura melhorsugaroaratravsdomotor,poisdestemodoaregiomaisfriadoestatorrecebe umfluxomaisquente,aocontrriodoqueocorrequandosesopraofluidorefrigerante sobre o rotor. Tem-se que levar em considerao que diferentes formas construtivas para os motores,levamadiferentessoluesparaqueosistemaderefrigeraosejaomais eficiente,eistotambminfluencianoprojetodacarcaa,sejaabertaoufechada.Uma regra geral sempre preferir um sistema eficiente de retirada de calor da mquina, mesmo que no seja a opo de menor custo [14].FUCHS eFRANK [33] e [34] mostram que a seleodosistemaderefrigeraoeotipodemotordevemserprojetosexecutadosem conjunto, onde deve ser levada em considerao a aplicao onde a mquina ser utilizada.Quandoseutilizacircuitosfechadosparaacirculaodofluidorefrigerante,e conseqentemente tem-se um trocador de calor, pode-se pensar em diferentes substncias. O hidrognio e o hlio apresentam uma baixa perda por atrito, com as paredes do circuito, e uma taxa de transferncia de calor elevada [32]. A gua ou o composto R134a podem ser 35 combinadosparaatingiromximodesempenho[20].Quandoforutilizadoumsistema totalmente aberto, naturalmente o fluido ser o ar, deve-se lembrar que ser necessrio um volumeevelocidadedearapropriadosobreomotorparaconseguirmosmantera temperatura desejada nas diversas partes aquecidas do equipamento. 36 5CONSTRUO DO ROTOR PartindodasexperinciasdeFrancoisAragonem1824,ainduoeasaplicaes eletromagnticasforamestudadaseexperimentadasporFaraday,Ferraris,Teslaentre outros[35].Ferrarisconstruiudiversostiposdemotoresdeinduosempreutilizando cilindros de cobre como rotor. Destas experincias chegou concluso que uma eficincia mxima de 50% poderia ser atingida quando o escorregamento do rotor era de 50%. Tesla psumenrolamentodecobre,formandoumagaiola,sobreumcilindrodeferroslido, conseguindo desta maneira mais de 50% de eficincia em seus motores experimentais. Em 1891, em um evento de exibio de equipamentos eltricos, na cidade alem de Frankfurt, Dolivo-DobrowolskieBrownapresentaramtrsmotoresdeinduocomeficincia mximade90%[21].DesdeoinciodosculoXX,aconstruodomotordeinduo praticamente a mesma como hoje. Neste intervalo de tempo, a tcnica da laminao que erautilizadanaconstruodosdnamosenostransformadoresfoiadotadaparaa construo dos rotores de mquinas de induo.Para que o motor apresente um rendimento considerado bom, o seu rotor deve, em princpio, fornecer as seguintes funes bsicas: Deve apresentar uma alta permeabilidade para o fluxo, de modo que a maior parte da energia gerada pelo campo magntico seja usada no entreferro para a produo de torque.Deve apresentar uma baixa resistividade ao fluxo de correntes induzidas de talformaqueasperdashmicasqueserelacionamscorrentesque produzem o torque sejam baixas.Drenar de maneira eficiente o calor gerado em seu interior. Materiaisferromagnticospossuemelevadapermeabilidade,masfaltaabaixa resistividade, se comparado a outros metais. Este problema pode ser resolvido construindo umrotordemodoqueasduasfunessejamexecutadasporpeasdiferentesdeuma mesma estrutura. 37 Figura 5.1 Rotor engaiolado com canais radiais e axiais de ventilao Fonte WEG. Estetipodedivisofuncionalchama-sedeanisotropiaeletromagnticadorotor. Em um motor de induo normal, esta anisotropia realizada atravs do projeto mecnico. Apartedorotorvoltadaparaocampomagnticofeitadematerialferromagntico laminadoeconhecidacomoncleo.Japartequeircomporocircuitoparaa circulao das correntes feita com metal de elevada condutividade, geralmente cobre ou alumnio, e denominada como enrolamento de gaiola ou gaiola do esquilo, como pode ser observado na Figura 5.1.Outramaneiraderealizaraanisotropiacomautilizaodemateriais anisotrpicosoumatrizesdemateriais,comosugeridaporITOetal.[36].Laminaro ncleoferromagnticotemcomoprimeirobenefcioaumentararesistividadevistapelas correntes parasitas. A corrente que produz o torque forada a utilizar a parte superior das barras que compem a gaiola de esquilo, reforando assim a resistividade e a anisotropia. Tambmimportanteofatodeque,impedindoqueascorrentesparasitaspercorramo mesmo caminho do fluxo magntico, assegura-se uma melhor condio para a penetrao do fluxo magntico na superfcie do rotor. Sem estes efeitos, as correntes parasitas tendem aempurrarocampomagnticoinduzidoparaforadorotor,entoofluxomagntico pressionadoparaaregiosuperficialdorotor.Comistoocorreofenmenodasaturao magnticaeaspartesinternasdoncleoedagaioladeesquilotornam-seinteis.Seem operao a mquina apresentar um escorregamento relativamente baixo, o uso de rotor de 38 ncleoslidonoapresentagrandesproblemas.Emmquinas sncronas,nohnenhum escorregamentoeoncleodorotorpodeserfeitodematerialslidoporquesomenteas harmnicasinduzemcorrentesparasitas,masparamquinasdeinduodealtarotao, mesmoemumaoperaocombaixoescorregamento,significaapresenadealtas freqncias. Outro problema com rotor slido so as harmnicas que podem ser a principal fonte de gerao de perdas no rotor. Para as harmnicas, o escorregamento sempre maior queaunidade,ocasionandoumapequenaprofundidadedepenetrao.Oscomponentes das harmnicas do fluxo o concentram na superfcie do rotor e se este no for laminado ou slidocomsuperfcieranhuradaouentodeummaterialcomelevadaresistividade, ocorreroelevadasperdasporcorrentesparasitas.Areduodasperdascausadaspor harmnicasestudadapordiversosautores.Emcaptulosanterioresfoca-semaneirasde minimizar estas perdas atravs da manipulao de parmetros como a abertura da ranhura doestatoredodimensionamentodoentreferro.Dopontodevistadorotor,tambmse pode minimizar estas perdas adotando alguns procedimentos. Um mtodo mais convencional cortar ou sulcar a superfcie do rotor. Isto faz com que a impedncia da superfcie do rotor seja aumentada e assim ocorra uma diminuio na saturao e perdas por correntes parasitas [37]. Os sulcos so feitos axialmente ao longo do entreferro, e podem ser utilizados tanto em rotor laminado como em rotor contnuo [29]. Oproblemaemimplantarcortesaxiaisnorotorqueemvelocidadesmuito elevadaso atrito entre o rotor girando e o meio refrigerante aumenta. Isto significa que o queseganhaemdiminuiodasperdasharmnicaspodeseranuladopeloaumentonas perdasporatrito.OimpactodestasperdaspodeservistonoGrfico4.1.Contudosea opoporserealizarossulcossuperficiaisnorotorprevalecer,pode-secontornarou mesmoeliminaroaumentonasperdasporatritocomautilizaodeumaproteo cilndricalisa,colocadasobreasuperfciedorotor.Estatcnicausadafreqentemente nos motores de alta rotao homo polares [33], onde o rotor extremamente irregular e em motoresdealtarotaocommspermanentes,ondeosmspedemumasustentao adicionalemvirtudedaforacentrfugaexercidasobreeles[24].Emoutroscasosesta proteocilndricasobreorotortambmpossuiafunodeaumentararesistncia mecnicadorotor,principalmentequandoomotoriroperaremaltssimavelocidade,o que ir submeter o rotor a altas foras centrfugas, correndo o risco de sofrer desintegrao por fadiga do material das chapas.39 Paraseevitaratcnicadesulcarasuperfcierotrica,outrosmtodosforam estudados. Pode-se dizer que os sulcos conduzem a componente fundamental do fluxo no rotor,jqueascomponentesharmnicasdofluxoeascorrentesparasitasqueviajamna superfciedorotorencontramumaumentodaimpedncia.Estemesmoefeitopodeser conseguidocomautilizaodediferentesmateriais.PYRHNENeKURRONEN[18] revestiramumrotorslidocomumaligadeferro-alumnio,comistoconseguiram aumentaraimpednciasuperficial,reduzindoasperdasporcorrentesparasitas.Um resultadoaindamelhorfoiconseguidocomainclusodeumacamadadecobreentrea superfciedorotoreumcilindrodeligaFe-Al.Istopodeserexplicadopelofatodequecom a camada de cobre a resistncia vista pelas correntes fundamentais reduzida. Isto se traduz em um menor escorregamento em relao ao torque produzido, que essencial em umamquinadealtarotaoparaseterumaoperaono-saturadaeeficiente.Este resultadotambmfoialcanadoporSHARMAetal.[38],quandotestaramcamadasde cobre, ferro-cobalto e ferro-nquel em um rotor de ao slido. Do que foi escrito, pode-se concluirqueosrotoreslaminadoscomgaioladeesquilo,paraosmotoresdeinduode altarotao,sopreferidosemfunodesuasmelhorescaractersticaseletromagnticas. Com a utilizao de rotores slidos, a eficincia tende a ser menor e as mquinas, alm de um maior volume, necessitam de um sistema de refrigerao mais eficiente. Entretanto, em aplicaesdealtssimavelocidade,aspropriedadesmecnicasapresentadasporumrotor de material slido se impem sobre as suas deficincias. Em certas aplicaes, dependendo davelocidadenominalnaqualomotoriroperarouentoemfunodeseutamanho,o conceito de rotor no laminado pode ser a nica soluo possvel. A Tabela 4.2 mostra que os rotores de ao slido tm extensa aplicao em mquinas de elevada potncia com alta velocidade. 5.1Restries para o rotor de alta rotao As principais restries que limitam o projeto de um rotor de alta velocidade podem serdivididasemmecnicasetrmicas.Aimposiodestascondies afeta a escolha dos materiaisusadosnosrotoresearelaodireitadocomprimento/dimetro.Asrestries trmicasrelacionam-seascomponentesdasperdasdentrodorotorenoentreferro. Relacionam-setambmcomaescolhadosistemaefluidoderefrigeraoqueser utilizado. As restries mecnicas sofreqentemente as dominantes na determinao das 40 caractersticasdoprojeto.Soestasquedefinemoslimitesquantoaotamanhodorotor, afetam a escolha de materiais e de exigncias da qualidade e tcnicas de fabricao. 1 Fora centrfuga 2 Perdas por atrito 3 - 1 rotao crtica de flexo do eixo 4 Densidades de perdas Figura 5.2 Restries impostas ao projeto do rotor. Estes requisitos mecnicos e trmicos podem ser afetados pela aplicao. Um bom compressor ou um projeto de eixo ferramenta podem modificar a maneira como se verifica as restries impostas, j que diferentes condies de aplicao causam diferentes nveis de restries,freqentementecontraditriasequeinteragementresi.Assimdevemser consideradassimultaneamentenaetapadeprojetodomotor.AFigura5.2ilustracomo restries diferentes interferem na definio do rotor. 5.1.1Foras centrfugas As foras centrfugas aumentam quando um rotor est girando em torno de seu eixo e estas foras induzem tenses nos materiais que compem este rotor. Em uma velocidade particular, estas tenses alcanam um nvel ondeas deformaes mecnicas no so maisreversveis. Para evitar esta situao, o projeto do rotor deve ser tal que garanta que estas tensesestaroabaixodonvelcrticoemcadapontodaestrutura,ouseja,queas deformaesmecnicassejamreversveis.Algunsvaloresdeprojetoconhecidocomo margemdesegurana,devemserajustados,poisosmateriaissempreapresentamno homogeneidades e irregularidades. REICHERT ePASQUARELLA [40] indicam equaes que podem ser utilizadas para calcular o dimetro mximo para os r