RETROSPECTIVA DOS MÉTODOS DE LEVITAÇÃO E O … · retrospectiva dos mÉtodos de levitaÇÃo e o estado da arte da tecnologia de levitaÇÃo magnÉtica hugo pelle ferreira projeto

Universidade Federal do Rio de Janeiro

RETROSPECTIVA DOS MÉTODOS DE LEVITAÇÃO E O ESTADO DA ARTE DA

TECNOLOGIA DE LEVITAÇÃO MAGNÉTICA

Hugo Pelle Ferreira

2017



Hugo Pelle Ferreira

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

título de Engenheiro.

Orientador: Richard Magdalena Stephan

Rio de Janeiro

Abril de 2017



Hugo Pelle Ferreira

PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE

ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO

ELETRICISTA.

Examinada por:

________________________________________

Prof. Richard Magdalena Stephan, Dr.-Ing.

(Orientador)

________________________________________

Prof. Antonio Carlos Ferreira, Ph.D.

________________________________________

Prof. Rubens de Andrade Jr., D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

ABRIL de 2017

iv



Ferreira, Hugo Pelle

Retrospectiva dos Métodos de Levitação e o Estado da

Arte da Tecnologia de Levitação Magnética/ Hugo Pelle

Ferreira. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2017.

XVIII, 165 p.: il.; 29,7 cm.


Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de

Engenharia Elétrica, 2017.

Referências Bibliográficas: p. 108 – 165.

1. Introdução. 2. Princípios de Levitação e Aplicações. 3.

Levitação Magnética e Aplicações. 4. Conclusões. I. Stephan,

Richard Magdalena. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro,

Escola Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica. III.

Retrospectiva dos Métodos de Levitação e o Estado da Arte da

Tecnologia de Levitação Magnética.

v

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, por sua infinita misericórdia e força que me

ajudaram a chegar até aqui e enfrentar todos os desafios.

Agradeço ao Professor Richard Magdalena Stephan por ter me selecionado como

aluno de inciação científica do Laboratório de Aplicações de Supercondutores (LASUP)

e do Laboratório de Máquinas (LabMaq), o que me permitiu ter a primeira oportunidade

de colocar em prática os conhecimentos vistos ao longo do curso, ampliar os horizontes

e ter acesso ao estado da arte da tecnologia de levitação magnética, com os mancais

magnéticos e o projeto MagLev-Cobra, além de participar de duas conferências

internacionais sobre o tema. Agradeço também por sua paciência, confiança e didática

para a orientação deste trabalho e ao longo do curso, que contribuíram muito para minha

formação como engeheiro.

Agradeço ao Professor Antonio Carlos Ferreira e ao Professor Rubens de Andrade

Jr. por aceitarem o convite para participar da banca de avaliação deste trabalho.

Agradeço ao CNPq pelo apoio financeiro como aluno bolsista de iniciação

científica.

Agradeço à minha mãe, Lenita, pelo imenso apoio, amor, carinho e incentivo para

alcançar meus objetivos e cumprir mais uma etapa de minha vida. Agradeço ao meu

pai, José Manuel, por me ensinar a importância da matemática e estímulo para as

ciências exatas. Agradeço à minha irmã, Carolina, por sua ajuda nesta caminhada.

Agradeço aos demais familiares que sempre torceram por mim.

Agradeço a todos os amigos que tive a oportunidade de encontrar ao longo dos

anos e compartilhar vários momentos que tornaram esta caminhada mais leve, em

especial Andrei, Bruno, Carlos Augusto, Carolina, Fábio, Leonardo, Marcello, Paola,

Rafaela, Rodrigo, Samuel e Yuri. Agradeço também aos engenheiros Alan Endalécio,

Marcelo Lopes e Vinícius Rodrigues, que além de serem grandes amigos, muito me

auxiliaram nas atividades do laboratório.

Agradeço à toda a equipe do LASUP e do LabMaq por me darem todas as

condições e suporte para a realização deste trabalho em um excelente ambiente, em

especial ao Professor Elkin Rodríguez, Sérgio Ferreira, Vina Guedes e aos engenheiros

Felipe Costa, Felipe Sass e Marcos Dantas.

Agradeço aos Professores que me motivaram e demonstraram a importância do

conhecimento e do estudo, ao longo de toda minha vida, e cujos esforços se traduzem

neste trabalho, em especial, Adriana Benazzi, Antonio Ribeiro, Almir Nogueira, Djalma

Falcão, Glauco Taranto, Leila Schiesari, Miguel Bastos, Paulo Mendes, Rafael Pinheiro,

Rosa Maria, Valmar Carneiro e Walter Suemitsu.

vi

Agradeço ao pesquisador da USP, Marcos Andrade, e as empresas, por ordem

alfabética, Bytronic Educational Technology, crazybaby, Inc., Crealev B. V., Elivatix,

INTECO, IQDEMY, Levitronix, LG Electronics, Inc., LTI Motion, Mecos AG, Thoratec

Corporation, e Waukesha Bearings, pela permissão para utilizar a imagem de suas

pesquisas e seus produtos neste trabalho e, assim, enriquecer o seu conteúdo.

vii

Resumo do Projeto de Graduação apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica

da Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do

grau de Engenheiro Eletricista.



Hugo Pelle Ferreira

Abril/2017


Curso: Engenharia Elétrica

Ao longo da história, o fenômeno da suspensão ou da levitação de objetos sempre

atraiu a atenção e o imáginário da humanidade para a possibilidade surpreendente de

reproduzir o comportamento das aves e desafiar a ação gravitacional, que nos mantinham

limitados ao solo.

Dentre todos os métodos de levitação de objetos, a técnica de levitação magnética

é a que atrai mais interesse atualmente e que possui maior capacidade de apresentar

tecnologias promissoras ao mercado, sobretudo no setor de transporte de passageiros e na

área industrial, e impactar de maneira positiva grande parte da sociedade, contribuindo

para o seu bem-estar.

Sob este cenário favorável para a levitação magnética, este trabalho se propõe a

primeiramente analisar em detalhes todas as formas de suspensão de objetos

anteriormente desenvolvidas, realizando uma retrospectiva sobre as técnicas acústica,

óptica, aeroestática, aerodinâmica e eletrostática, descrevendo o princípio de

funcionamento de cada uma delas, as suas vantagens e desvantagens e as aplicações em

que são frequentemente encontradas.

Em seguida, este trabalho apresenta todas as possíveis variações da levitação

magnética, com as respectivas formulações matemáticas de seus sistemas de levitação,

ressaltando o estado da arte das suas aplicações acadêmicas, industriais, de meios de

transporte ou de bens de consumo, indicando os projetos de trens MagLev, e fabricantes

de máquinas e equipamentos dotados desta tecnologia.

Palavras-chave: EDL, EML, Hovercraft, MagLev, Mancais Magnéticos, SML, TACV

viii

Abstract of Undergraduate Project presented to the Department of Electrical Engineering

of POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.

LEVITATION METHODS RETROSPECTIVE AND MAGNETIC LEVITATION

TECHNOLOGY STATE OF THE ART

Hugo Pelle Ferreira

April/2017

Advisor: Richard Magdalena Stephan

Course: Electrical Engineering

Througout history, the suspension or levitation phenomenon have always attracted

the humanity’s imaginary to the astonishing possibility of reproduce the birds’ behavior

and defy gravity, that had maintained us limited to the ground.

In addition to all the levitation methods, the magnetic levitation technique is the one

that has attracted more interest currently and has the most promising technologies to the

market, mainly to the passengers’ transportation and at the industry level, to impact in a

positive way the whole society, contributing to their wellbeing.

Under this favorable scenarium to the magnetic levitation, this work will first

analize in details all the suspension methods previously developed, doing a retrospective

of the acoustic, optical, aerostatic, aerodynamic and electrostatic’s techniques, describing

the each one’s operating principle, their advantages and disadvantages, and their main

applications.

After, this undergraduate project will present all the possible magnetic levitation

schemes, with their respective mathematical analysis, highlighting the academic,

industrial, transportation, and consumer goods state of the art, indicating the MagLev

trains’ projects, and the machinery manufacturers with this technology.

Keywords: EDL, EML, Hovercraft, MagLev, Magnetic Bearings, SML, TACV

ix

Sumário

Sumário ...................................................................................................................... ix

Lista de Símbolos ...................................................................................................... xi

Listas de Abreviaturas e Siglas ............................................................................... xii

Listas de Figuras ..................................................................................................... xvi

Listas de Tabelas ................................................................................................... xviii

1. Introdução ............................................................................................................ 1

1.1. Motivação e Tema ......................................................................................................... 1

1.2. Objetivos e Metodologia ............................................................................................... 2

1.3. Descrição ....................................................................................................................... 4

2. Princípios de Levitação e Aplicações ................................................................ 5

2.1. Introdução ..................................................................................................................... 5

2.2. Levitação Acústica ......................................................................................................... 5

2.3. Levitação Óptica ............................................................................................................ 6

2.4. Levitação Aerostática .................................................................................................... 7

2.4.1. Balão e Dirigível ..................................................................................................... 7

2.4.2. Transporte Marítimo (Hovercraft) e Terrestre (Hovertrain) ................................. 9

2.4.3. Aplicações Médicas e de Bens de Consumo ....................................................... 20

2.4.4. Aplicações Industriais .......................................................................................... 21

2.5. Levitação Aerodinâmica .............................................................................................. 22

2.5.1. Aviação ................................................................................................................ 22

2.5.2. Forças fundamentais para o voo de uma aeronave ............................................ 25

2.5.3. Helicóptero .......................................................................................................... 26

2.5.4. Ground Effect Vehicle (GEV) ............................................................................... 27

2.5.5. Aplicações Comerciais, Industriais e Científicas .................................................. 28

2.6. Levitação Eletrostática (ESL) ....................................................................................... 30

2.7. Conclusão .................................................................................................................... 32

3. Levitação Magnética e Aplicações ................................................................... 35

3.1. Introdução ................................................................................................................... 35

3.2. Levitação de Ímãs Permanentes ................................................................................. 36

3.2.1. Modo Atrativo e Repulsivo de Levitação Magnética .......................................... 37

3.2.2. Materiais Magnéticos e o Arranjo de Halbach .................................................... 39

3.2.3. Aplicações nos Transportes ................................................................................. 41

3.2.4. Mancais Magnéticos Passivos (PMB) .................................................................. 43

3.2.5. Levitação Estável por Rotação de Ímãs Permanentes......................................... 44

x

3.3. Levitação Diamagnética .............................................................................................. 45

3.4. Levitação Eletromagnética (EML ou EMS) .................................................................. 46

3.4.1. Princípio de Funcionamento da Levitação Eletromagnética Tradicional ............ 46

3.4.2. Primeiras Aplicações ........................................................................................... 51

3.4.3. Mancais Magnéticos............................................................................................ 52

3.4.4. Aplicações Educacionais ...................................................................................... 57

3.4.5. Levitação Eletromagnética com Circuito Ressonante e em Corrente Alternada 65


3.4.7. Aplicações Industriais Recentes .......................................................................... 71

3.4.8. Aplicações de Consumo e Entretenimento ......................................................... 72

3.5. Levitação Supercondutora (SML ou SQL) .................................................................... 76

3.5.1. Teoria da Supercondutividade ............................................................................ 76

3.5.2. Aplicações da Levitação Supercondutora ........................................................... 78

3.5.3. Mancais Magnéticos............................................................................................ 79

3.5.4. Trens de Levitação Magnética ............................................................................. 81

3.5.5. Entretenimento ................................................................................................... 82

3.6. Levitação Eletrodinâmica (EDL ou EDS)....................................................................... 82

3.6.1. Princípio de Funcionamento da Levitação Eletrodinâmica Tradicional .............. 82

3.6.2. Levitação Eletrodinâmica por Corrente Alternada.............................................. 85

3.6.3. Aplicações da Levitação Eletrodinâmica por Corrente Alternada ....................... 87

3.6.4. Aplicações Educacionais ...................................................................................... 89

3.6.5. Mancal Eletrodinâmico ....................................................................................... 92


3.7. Levitação Mixed-µ ..................................................................................................... 100

3.8. Conclusão .................................................................................................................. 101

4. Conclusões ...................................................................................................... 102

Referências Bibliográficas ..................................................................................... 108

xi

Lista de Símbolos

𝐴 Área da seção transversal do circuito magnético (m²)

�̂�𝑥 , �̂�𝑦, �̂�𝑧 Vetores unitários nas coordenadas cartesianas 𝑥, 𝑦, 𝑧

�⃗� Vetor densidade de fluxo magnético (T)

�⃗� 𝑔 Vetor densidade de fluxo magnético no entreferro (T)

�⃗� 𝑖𝑛𝑑 Vetor densidade de fluxo magnético induzida (T)

�⃗� Vetor campo elétrico (V/m)

𝑒 Tensão sobre o eletroímã (V)

𝐹 𝑎𝑟𝑟 Vetor força de arraste (N)

𝐹 𝑙𝑒𝑣 Vetor força de levitação (N)

𝐹 𝑀 Vetor força de atração eletromagnética entre o eletroímã e o ímã (N)

𝑓 Vetor força eletromagnética (N)

𝑔 Vetor aceleração da gravidade (m/s²)

�⃗⃗� Vetor campo magnético (A.m)

�⃗⃗� 𝑐 Vetor campo magnético crítico (A.m)

�⃗⃗� 𝑔 Vetor campo magnético no entreferro (A.m)

𝑖 Corrente elétrica (A)

𝑖𝑖𝑛𝑑 Corrente elétrica induzida (A)

𝐽 Vetor densidade de corrente elétrica (A/m²)

𝐽𝑐⃗⃗ Vetor densidade de corrente elétrica crítica (A/m²)

�⃗⃗� Vetor momento de dipolo magnético do ímã permanente (A.m²)

𝑚 Massa do objeto que levita (kg)

𝑁 Número de espiras

𝑃𝑒 Potência elétrica (W)

𝑃𝑚 Potência mecânica (W)

𝑇 Temperatura (K)

𝑇𝑐 Temperatura crítica (K)

𝑉 Volume (m³)

𝑣 Vetor velocidade de deslocamento (m/s)

𝑊𝑎𝑟𝑚 Energia magnética armazenada (J)

𝑧 Distância de entreferro (m)

𝜆 Fluxo magnético enlaçado (Wb.espira)

𝜇0 Permeabilidade magnética do vácuo (H/m)

𝜎 Condutividade elétrica (S)

xii

Listas de Abreviaturas e Siglas

ACV – Air-Cushion Vehicle

Al-Ni-Co – Alumínio-Níquel-Cobalto (material magnético)

AMB – Active Magnetic Bearing

APM – Automated People Mover

AVE – Alta Velocidad Española

CES – Consumer Electronics Show

CI – Circuito Integrado

COPPE – Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia

CVD – Chemical-Vapor-Deposited

DEE – Departamento de Engenharia Elétrica

DEL – Departamento de Engenharia Eletrônica e de Computação

DoT – Department of Transportation

DSP – Digital Signal Processor

d.C. – Depois de Cristo

EAU – Emirados Árabes Unidos

EDB – Electrodynamic Bearing

EDL – Electrodynamic Levitation

EDS – Electrodynamic Suspension

EESC – Escola de Engenharia de São Carlos

EML – Electromagnetic Levitation

EMS – Electromagnetic Suspension

EPUSP – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

ESIM – Electrostatically Suspended Induction Motor

ESL – Electrostatic Levitation

EUA – Estados Unidos da América

EUV – Extreme Ultraviolet

FAI – Fédération Aéronautique Internationale

FEI – Centro Universitário da Fundação Educacional Inaciana (Faculdade de Engenharia Industrial)

FEM – Finite Element Method

xiii

Fem – Força Eletromotriz

FPGA – Field-Programmable Gate Array

Fultrace® – Fast Ultra-Light Tracked Air Cushion Equipment

GEV – Ground Effect Vehicles

HIL – Hardware-in-the-Loop

H-LSM – Homopolar Linear Synchronous Motor

HSST – High Speed Surface Transport

HTS – High Temperature Superconducting

HTT – Hyperloop Transportation Technologies

IAI – Israel Aerospace Industries

IAP – Istituto d’Aeronautica dell’Universitá di Palermo

ICE – Inter City Express

IDPC – Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia

IGBT – Insulated-Gate Bipolar Transistor

KIMM – Korea Institute of Machinery and Materials

LabMaq – Laboratório de Máquinas Elétricas

LADIF – Laboratório Didático do Instituto de Física da UFRJ

LASUP – Laboratório de Aplicações de Supercondutores

LCD – Liquid Crystal Display

LED – Light Emitting Diode

LIM – Linear Induction Motor

LIMRV – Linear Induction Motor Research Vehicle

LN2 – Nitrogênio Líquido

LQR – Linear Quadratic Regulator

LRC – Indutivo, Resistivo e Capacitivo

LSM – Linear Synchronous Motor

MagLev – Magnetic Levitation

MEMS – Micro-electro-mechanical Systems

MIT – Massachusetts Institute of Technology

MOSFET – Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor

NASA – National Aeronautics and Space Administration

xiv

Nd-Fe-B – Neodímio-Ferro-Boro (material magnético)

NEDO – New Energy and Industrial Technology Development Organization

PCI – Placa de Circuito Impresso

PID – Proporcional-Integral-Derivativo

PMB – Passive Magnetic Bearing

PRT – Personal Rapid Transit

PWM – Pulse-Width Modulation

RTRI – Railway Technical Research Institute

RTV – Research Test Vehicle

SMDTC – Shanghai Maglev Transportation Development Co., Ltd.

SMB – Superconducting Magnetic Bearing

SML – Superconducting Magnetic Levitation

Sm-Co – Samário-Cobalto (material magnético)

SQL – Superconducting Quantum Levitation

TACV – Tracked Air Cushion Vehicle

TACRV – Tracked Air Cushion Research Vehicle

TALAV – Trem Aerodinâmico Leve de Alta Velocidade

TAV – Trem de Alta Velocidade

TLRV – Tracked Levitated Research Vehicle

TE – Modo Transversal Elétrico

TEM – Modo Transversal Eletromagnético

TFM – Transverse Flux Machine

TM – Modo Transversal Magnético

TTC – Transportation Test Center

TTI – Transportation Technology Inc.

TGV – Train à Grande Vitesse

UAQ – Università degli Studi dell’Aquila

UEL – Universidade Estadual de Londrina

UFABC – Universidade Federal do ABC

UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro

UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte

xv

UnB – Universidade de Brasília

UNICAMP – Universidade Estadual de Campinas

UNIJUÍ – Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul

URSS – União das Repúblicas Socialistas Soviéticas

USP – Universidade de São Paulo

UTACV – Urban Tracked Air Cushion Vehicle

U-Trace® – Urban Tracked Air Cushion Equipment

VAD – Ventricular Assist Device

VANT – Veículo Aéreo Não-Tripulado

VTOL – Vertical Take-off and Landing

WIG – Wing in Ground

Y-Ba-Cu-O – Ítrio-Bário-Cobre-Oxigênio (material supercondutor)

xvi

Listas de Figuras

Figura 2.1. Levitação acústica de esferas de isopor. ........................................................ 6

Figura 2.2. Ilustração do primeiro balão tripulado (1783). .............................................. 8

Figura 2.3. Dirigível nº 6 de Santos-Dumont (1901). ...................................................... 9

Figura 2.4. Hovercraft sobre o Canal da Mancha. .......................................................... 10

Figura 2.5. Mock-up do Hovertrain RTV 31. ................................................................. 11

Figura 2.6. Aérotrain I80-HV em operação. ................................................................... 12

Figura 2.7. Mock-up do protótipo TACRV. ................................................................... 14

Figura 2.8. Transporte Rápido de Passageiros na Universidade de Duke. ..................... 17

Figura 2.9. Transporte Rápido de Passageiros no Aeroporto de Narita. ........................ 17

Figura 2.10. ExpressTram no Aeroporto Metropolitano de Detroit. .............................. 19

Figura 2.11. Sistema de Transporte Automático do Hospital de Huntsville. ................. 19

Figura 2.12. Cortador de grama Flymo. ......................................................................... 20

Figura 2.13. Mancal aerostático. .................................................................................... 21

Figura 2.14. 14-bis de Alberto Santos-Dumont. ............................................................. 23

Figura 2.15. Perfil das forças que atuam em uma aeronave. .......................................... 26

Figura 2.16. Veículo por efeito de solo (GEV). ............................................................. 27

Figura 2.17. Malha de Controle da Levitação Eletrostática. .......................................... 31

Figura 2.18. Levitação Eletrostática (ESL) de uma liga metálica. ................................. 33

Figura 3.1. Pseudo-levitação de Ímãs Permanentes. ...................................................... 36

Figura 3.2. Vista Frontal do "Revolution". ..................................................................... 37

Figura 3.3. Modo Atrativo de Suspensão de Ímãs Permanentes. ................................... 38

Figura 3.4. Modo Repulsivo de Suspensão de Ímãs Permanentes. ................................ 38

Figura 3.5. Arranjo de Halbach. ..................................................................................... 40

Figura 3.6. Veículo M-Bahn. .......................................................................................... 42

Figura 3.7. Levitação estável pela rotação de um ímã permanente. ............................... 44

Figura 3.8. Levitação diamagnética do carbono pirolítico. ............................................ 45

Figura 3.9. Diagrama esquemático de um sistema de levitação eletromagnética. ......... 47

Figura 3.10. Malha de controle tradicional em um sistema de levitação EML. ............. 50

Figura 3.11. Mancal magnético ativo radial da Waukesha Bearings. ............................ 53

Figura 3.12. Detalhe construtivo de um mancal magnético radial da Mecos. ................ 53

Figura 3.13. Componentes mecânicos e magnéticos de um mancal magnético. ............ 54

Figura 3.14. Sistema de um mancal magnético ativo completo da LTI Motion. ........... 55

xvii

Figura 3.15. Bomba com levitação magnética para o coração artificial......................... 56

Figura 3.16. LVAD HeartMate 3™. ................................................................................ 56

Figura 3.17. Levitação eletromagnética de um ímã permanente. ................................... 59

Figura 3.18. Levitação de uma esfera ferromagnética.................................................... 62

Figura 3.19. Levitação de um disco ferromagnético. ..................................................... 62

Figura 3.20. Levitação de um ímã permanente. ............................................................. 63

Figura 3.21. Sistema de Levitação Magnética da Bytronic. ........................................... 64

Figura 3.22. Sistema de Levitação Magnética da INTECO. .......................................... 64

Figura 3.23. MagLev em Xangai (China)....................................................................... 69

Figura 3.24. HSST em Nagoia (Japão). .......................................................................... 70

Figura 3.25. ECOBEE em Incheon (Coreia do Sul). ...................................................... 71

Figura 3.26. Impressora IQDEMY Maglev .................................................................... 72

Figura 3.27. Luminária Lunaluxx. .................................................................................. 73

Figura 3.28. Luminária Eclipse. ..................................................................................... 74

Figura 3.29. Caixa de som PJ9 da LG. ........................................................................... 75

Figura 3.30. Vista explodida da base (esq.) e do alto falante (dir.) do Mars (centro). ... 76

Figura 3.31. Efeito Meissner-Ochsenfeld. ...................................................................... 77

Figura 3.32. Estado misto em supercondutores do tipo II. ............................................. 78

Figura 3.33. Levitação de um ímã permanente sobre um bloco supercondutor. ............ 80

Figura 3.34. Linha de testes do MagLev-Cobra. ............................................................ 82

Figura 3.35. Sistema de Levitação Eletrodinâmica Tradicional. .................................... 84

Figura 3.36. Forças de Levitação e de Arrasto em um Sistema Eletrodinâmico. ........... 85

Figura 3.37. Levitação Eletrodinâmica por Corrente Alternada. ................................... 86

Figura 3.38. Levitação Eletrodinâmica de um anel de alumínio. ................................... 87

Figura 3.39. Modelo didático da levitação eletrodinâmica no espaço COPPE. ............. 91

Figura 3.40. Rotor e estator do mancal eletrodinâmico homopolar. .............................. 93

Figura 3.41. Protótipo L0 na linha de testes em Yamanashi (Japão). ............................ 98

Figura 4.1. Curvas S de adoção de novas tecnologias exemplificando os TAV´s. ...... 107

xviii

Listas de Tabelas

Tabela 4.1. Comparação entre as técnicas de levitação. ............................................... 103

Tabela 4.2. Comparação entre as técnicas de levitação magnética. ............................. 105

Tabela 4.3. Comparação entre o trem MagLev e o convencional Roda-Trilho. .......... 106

1

1. Introdução

1.1. Motivação e Tema

Ao longo da história, o fenômeno da suspensão ou da levitação de objetos sempre

atraiu a atenção e o imaginário da humanidade para a possibilidade surpreendente de

reproduzir o comportamento das aves e desafiar a ação gravitacional, que nos

mantinham limitados ao solo. Dentre alguns exemplos emblemáticos deste desejo do

ser humano, podem-se destacar o conto da mitologia grega do voo de Ícaro, os estudos

incipientes de Leonardo da Vinci, as obras de ficção científica de Júlio Verne ou de

Johnathan Swift, e os truques de ilusionismo de mágicos ao redor do mundo.

Com a evolução do método científico e o estabelecimento dos fundamentos das

ciências físicas da Mecânica e do Eletromagnetismo, foi possível compreender a

natureza que nos cerca, as leis que a regem e construir aparatos e dispositivos que

tornaram o antigo sonho de sair do solo possível, seguro e fácil de ser replicado para

fins militares ou comerciais.

Assim, surgiram os balões, dirigíveis e aeronaves, que em um curto espaço de

tempo revolucionaram a história da humanidade, reduzindo tempos de deslocamento

de pessoas, mercadorias e comunicações.

Do ponto de vista industrial, após a consolidação do funcionamento de

equipamentos e máquinas rotativas para os mais variados setores, o contato mecânico

entre os elementos fixos e móveis de mancais mecânicos passou a restringir a sua

operação à uma faixa de velocidades, acarretando em aumento das perdas mecânicas,

reduzindo a sua eficiência e limitando a sua vida útil, por ação do desgaste. Além disso,

a exigência de uma manutenção exaustiva e de lubrificação destes mancais inviabilizava

a sua utilização em ambientes extremamente limpos, em operação remota, sem

contaminação, ou com atmosfera explosiva, como as áreas de óleo e gás, de alimentos,

de fármacos, de biomedicina, de nanotecnologia, de fabricação de semicondutores ou

aeroespacial.

Desta forma, despontaram os mancais sem atrito mecânico para eliminar este

inconveniente, como os fluidoestáticos, os fluidodinâmicos e, mais recentemente, os

mancais magnéticos que ampliaram a faixa de operação destes equipamentos,

melhorando a sua precisão e aumentando a sua confiabilidade e a sua performance.

Os mancais magnéticos já podem ser encontrados em equipamentos para o setor

de alimentos e de óleo e gás onshore e offshore, centrífugas de enriquecimento de

urânio, bombeamento de coração artificial [1] e turbo máquinas diversas [2, 3], contando

com um nível de confiabilidade elevado.

2

Aliado ao conceito de aumento de eficiência e redução de ruído provocados pela

ausência de contato, a busca por um menor impacto ambiental, evitando a dependência

dos combustíveis fósseis e do modelo rodoviário, e de infraestrutura, com obras civis de

menor custo, provocou, em meados do século XX, o surgimento de meios de transporte

não convencionais para deslocamentos marítimos, com os hovercrafts, ou terrestres,

com os hovertrains (ACV) e os trens de levitação magnética (MagLev) para trajetos

urbanos ou em altas-velocidades.

A evolução tecnológica dos materiais, dos motores elétricos lineares, da

microeletrônica, da eletrônica de potência, da instrumentação e da capacidade de

processamento de sinais permitiu que os trens de levitação magnética adquirissem um

grau de amadurecimento e hoje possam competir satisfatoriamente com os modelos

convencionais roda-trilho, contando com quatro trens em operação comercial e diversos

em fase experimental, como o MagLev-Cobra [4], no mundo.

Atualmente, além dos setores tradicionais em que a levitação magnética é

empregada, como na indústria e nos transportes, esta técnica tem expandido sua esfera

de atuação para áreas até então pouco exploradas, como a dos bens de consumo para

sistemas educacionais [5], a decoração [6], a iluminação [7], e o entretenimento [8].

Em face deste cenário favorável, o Laboratório de Máquinas Elétricas (LabMaq)

[9] do DEE/UFRJ e o Laboratório de Aplicações de Supercondutores (LASUP) [10] da

COPPE/UFRJ desenvolvem importantes pesquisas nas áreas de levitação magnética e

supercondutividade, sempre observando o grau de relevância de seus trabalhos, com

perspectivas para futuras soluções inovadoras, entre outros, nos setores de transporte,

industrial e de consumo.

1.2. Objetivos e Metodologia

Para o desenvolvimento de novas aplicações é importante e necessário

primeiramente se conhecer o processo e o contexto histórico em que as técnicas de

levitação surgiram, os seus principais projetos, a localização geográfica em que foram

planejadas e implementadas, além do posicionamento estratégico delas em relação a

área de concentração em que foram inseridas, observando as suas motivações e as

razões pelas quais as suas soluções comerciais prosperaram ou não.

O estado da arte da tecnologia da levitação magnética também apresenta

detalhes relevantes para a identificação das perspectivas futuras em que esta possa ser

encontrada, sobretudo no setor de bens de consumo, no qual ela se expande.

3

Este trabalho analisa em detalhes todas as formas de suspensão de objetos

anteriormente desenvolvidas, como as técnicas acústica, óptica, aeroestática,

aerodinâmica e eletrostática, descrevendo o princípio de funcionamento de cada uma

delas, as suas vantagens e desvantagens e as aplicações em que são frequentemente

encontradas.

Em seguida, o trabalho apresenta todas as possíveis variações da levitação

magnética, com as respectivas formulações matemáticas de seus sistemas de levitação,

ressaltando as suas aplicações acadêmicas, industriais, de meios de transporte ou de

bens de consumo, indicando os projetos de trens MagLev e fabricantes de máquinas e

equipamentos dotados desta tecnologia.

Para atingir estes objetivos, deve-se recorrer aos trabalhos históricos e originais

realizados anteriormente e documentá-los. Dentre os trabalhos que se constituem como

fontes fundamentais para este projeto de graduação, pode-se destacar o artigo de

BRANDT [11], que reúne os estudos científicos e princípio de funcionamento dos

principais métodos de levitação aqui apresentados, e indica as referências originais em

que foram desenvolvidos. Deve-se ressaltar também, os livros de SCHWEITZER et al

[12], CHIBA et al [13] e STEPHAN et al [14], que descrevem o processo histórico, as

vantagens e desvantagens e a importância dos mancais magnéticos no setor industrial.

Os trabalhos de JAYAWANT [15,16] e LAITHWAITE [17, 18] também apresentam

um panorama completo das técnicas de levitação magnética e dos principais projetos e

aplicações relacionados a este tema. Os livros de SINHA [19], MOON [20], e mais

recentemente, de BOLDEA [21], HAN e KIM [22] e LIU et al [23] atualizam o cenário e

as perspectivas para a adoção de trens de levitação magnética, descrevendo os projetos

já desenvolvidos e os detalhes técnicos e construtivos destes sistemas, como os

princípios de levitação, propulsão e guiamento, os motores elétricos lineares e

estratégias de controle de posição e de vibrações.

Além destes, foi feita uma grande revisão bibliográfica de outros artigos em

conferências e periódicos, revistas técnicas, livros, enciclopédias, teses, monografias,

relatórios técnicos, material jornalístico, legislações, patentes e fabricantes de

equipamentos baseados nestes sistemas de levitação, de forma a obter uma

perspectiva histórica das técnicas de levitação e reconhecer o estado da arte da

levitação magnética.

Assim, foi possível elaborar um trabalho pioneiro que apresenta de forma concisa

em único texto todos os métodos de suspensão de objetos, suas aplicações históricas

e atuais, o princípio de funcionamento de cada uma delas e os fabricantes de máquinas

e equipamentos baseados nesta tecnologia e o setor em que elas se inserem.

4

1.3. Descrição

Este capítulo apresentou a motivação, o tema, os objetivos e a metodologia a ser

adotada neste trabalho, com especial destaque para os trabalhos anteriores que

constam como referências fundamentais para este projeto. Uma breve descrição dos

próximos capítulos será apresentada a seguir.

O capítulo 2 descreverá os princípios físicos de levitação de objetos, do tipo

acústica, óptica, aerostática, aerodinâmica e eletrostática (ESL), incluindo as suas

respectivas aplicações.

O capítulo 3 apresentará a levitação magnética em todas as suas formas, com

ímãs permanentes, diamagnética, eletromagnética (EML), supercondutora (SML),

eletrodinâmica (EDL) e mixed-µ, introduzindo o seu princípio de funcionamento e o

modelo matemático equivalente, todas as suas aplicações acadêmicas, educacionais,

industriais, de transporte e ou de bens de consumo, ressaltando os projetos realizados

e os fabricantes de produtos baseados nesta tecnologia.

Concluindo, o capítulo 4 apresentará um panorama comparativo entre todos os

métodos de levitação vistos ao longo do texto, indicando o estado atual da tecnologia

da levitação magnética e as perspectivas futuras nas quais ela possa ser aproveitada.

5

2. Princípios de Levitação e Aplicações

2.1. Introdução

Há muito tempo, a levitação deixou de ser um mero desejo do ser humano ou um

simples truque de ilusionismo, para se tornar um importante advento da humanidade,

combinando o surpreendente fenômeno de “desafio” à ação gravitacional com

importantes aplicações.

Assim, foi possível desenvolver tecnologias em áreas tão diversas como, por

exemplo, medicina, estudos de materiais, de micro gravidade ou de biologia, tecnologia

industrial e transportes, aproveitando as suas vantagens de aumento de eficiência, altas

velocidades de rotação, não necessidade de lubrificação, não contaminação com

recipientes, entre outros.

O dicionário da Língua Portuguesa Michaelis [24] define levitar como o ato de

“erguer-se alguém ou alguma coisa no espaço sem apoio visível”. Esta definição, como

se encontra, leva em consideração truques de mágica e de ilusão de óptica, pela

ausência de elementos de apoio visíveis.

Este capítulo é dedicado a descrever os métodos pelos quais é possível erguer

objetos no espaço sem que haja necessidade de qualquer forma de apoio,

acrescentando uma precisão científica para a definição acima e atendo-se apenas aos

princípios físicos para contrabalançar a aceleração da gravidade [11]. Deste modo, são

incluídos itens nem sempre considerados, como aeronaves e balões, em função de sua

relevância histórica e aplicações comerciais que revolucionaram a humanidade.

Assim, serão apresentadas as técnicas de levitação acústica, óptica, aerostática,

aerodinâmica e eletrostática. A levitação magnética e as suas múltiplas variações

merecem atenção especial e serão objeto de estudo do próximo capítulo.

2.2. Levitação Acústica

A suspensão de objetos por ação do som é possível devido a força de pressão

acústica produzida por ondas acústicas estacionárias. Este padrão de onda estacionária

pode ser obtido com um arranjo vertical básico, de eixo simples, formado por um

transdutor, que gera os sinais acústicos, e um receptor que reflete estes sinais [25].

Com a emissão de sinais acústicos cria-se uma onda estacionária de alta

intensidade, com frequência, em geral, na faixa do ultrassom. A força de ondas

acústicas por ela criada é capaz de mover objetos para os nós de pressão da onda, ou

a sua posição de mínima energia, mantendo-os flutuando no ar de forma estável [26].

6

A levitação acústica pode ser observada na Figura 2.1, em pesquisa realizada na

USP por ANDRADE et al [27], na qual pequenas esferas de isopor flutuam em um

levitador acústico de eixo simples.

Figura 2.1. Levitação acústica de esferas de isopor.

(Fonte: ANDRADE et al [27], com permissão)

A suspensão de partículas pode ser obtida de forma tradicional através de

sistemas que utilizam o princípio da ressonância, na qual a distância entre o emissor e

refletor é fixa, proporcional a meio comprimento de onda [28], ou através de levitadores

não ressonantes, em que a posição do refletor pode ser deslocada e inclinada [29].

Outras configurações possíveis, como os sistemas em mais dimensões [30, 31] e

utilizadas em conjunto com a levitação magnética [32] também são objeto de estudo.

As aplicações da levitação acústica compreendem a fabricação de novos

medicamentos com rápida ativação [33], estudos biológicos, como a suspensão de

insetos [34, 35], pesquisas de materiais em diferentes fases, de tensão superficial, de

partículas líquidas ou gases e o processamento de materiais sem recipientes [36 – 38].

2.3. Levitação Óptica

A pressão de radiação exercida pela emissão de energia eletromagnética também

é capaz de produzir forças suficientes para a suspensão de pequenos objetos e

partículas.

7

Nesta técnica, a radiação emitida por fontes luminosas baseadas por feixes a laser

de alta intensidade e focalizadas na direção do objeto é capaz de aprisionar partículas

microscópicas em uma região estável, inclusive um arranjo de diversas partículas. A

força produzida pela pressão de radiação sobre o objeto torna possível a sua levitação

ao contrabalançar a ação gravitacional [25].

Deve-se ressaltar que, para que este efeito ocorra são levados em consideração

inúmeros aspectos, como, o formato e as dimensões das partículas, o arranjo para

focalizar os feixes, o modo de propagação de onda dos feixes de fótons (TE, TM ou

TEM), o índice de refração, o tipo de material do objeto (transparente, opaco ou

translúcido) e a temperatura de resfriamento para desaceleração dos átomos [39].

Dentre as aplicações da levitação óptica estão o estudo de átomos para

espectroscopia [40, 41], manipulação de partículas a partir de pinças ópticas [42, 43],

estudo de bactérias na Medicina [44] e de micropartículas na Química [45, 46].

2.4. Levitação Aerostática

Talvez a mais conhecida das técnicas de suspensão de objetos, a levitação

aerostática foi a primeira a sugerir importantes aplicações e a conseguir flutuar grandes

quantidades de massa, reduzindo tempos de deslocamento e revolucionando a forma

como a humanidade interagia com o planeta, agora sem estar limitada ao solo.

2.4.1. Balão e Dirigível

2.4.1.1 Balão

Os primeiros registros da utilização com sucesso de balões de ar quente,

remontam ao século III d.C., pelos chineses, para fins de sinalização e de inteligência

militar, e posteriormente, em festividades. Apenas em 1709, o padre brasileiro

Bartolomeu de Gusmão, realizou experiências com um aeróstato semelhante,

apresentando a idealização do balão tripulado, porém em escala reduzida. Em 1783,

em Paris, o aeróstato elaborado pelos irmãos Jacques-Étienne e Joseph-Michel

Montgolfier elevou-se no ar proporcionando o primeiro voo tripulado em um balão de ar

quente, ilustrado pela Figura 2.2. No mesmo ano, Jacques Charles e Nicolas-Louis

Robert realizaram o primeiro voo tripulado em balão a gás [47].

A ascensão dos balões de ar quente baseia-se no princípio de Arquimedes, no

qual o ar aquecido no interior do invólucro reduz sua densidade, tornando-se mais leve

que o ar no exterior. O volume de ar aquecido deslocado no seu interior produz o

empuxo aerostático necessário para elevar o balão. De forma análoga, o mesmo

princípio se aplica aos balões a gás, porém neste caso, o gás utilizado, em geral,

Hidrogênio ou Hélio, já possui densidade naturalmente menor que o ar [48, 49].

8

As aplicações dos balões se alteraram muito ao longo do tempo, sendo

empregados inicialmente para o transporte de passageiros, comunicações entre

localidades distantes e fins bélicos e, atualmente para festividades, o turismo, o

balonismo, estudos meteorológicos e atmosféricos e atividades de vigilância e

monitoramento aéreo [50].

Figura 2.2. Ilustração do primeiro balão tripulado (1783).

(Fonte: Wikimedia, Claude-Louis Desrais, Domínio Público [51])

Após a consolidação do seu uso, a questão da navegação dos aeróstatos tornou-

se vital para futuras aplicações sobre longas distâncias, de modo que a rota não ficasse

subordinada à direção dos ventos. Assim, máquinas a vapor e motores movidos, por

exemplo, a diesel, a gás, a gasolina e a eletricidade foram acoplados aos balões para

conferir-lhe dirigibilidade.

2.4.1.2 Dirigível

O avanço das técnicas de ascensão e propulsão deu origem a novos modelos de

aeróstatos a gás navegáveis, conhecidos como dirigíveis. Nesta situação, o dirigível

assumiu um formato aerodinâmico mais alongado, semelhante a uma elipsoide, com o

gás armazenado no interior de seu invólucro, com a propulsão de motores e dotados de

lemes na popa [52].

9

Os dirigíveis foram classificados como flexíveis, semi-flexíveis e rígidos, de acordo

com o formato ser influenciado ou não pela pressão interna do gás. No seu

aperfeiçoamento, destacaram-se as personalidades do brasileiro Alberto Santos-

Dumont [53], no estudo das melhores formas de dirigibilidade, e do alemão Ferdinand

von Zeppelin [54], na consolidação dos dirigíveis rígidos, conhecidos como Zepelim [55],

e na sua comercialização. A Figura 2.3 ilustra o premiado dirigível nº 6 de Santos-

Dumont em 1901 [56, 57].

Logo em seguida, as aplicações dos dirigíveis se concentraram majoritariamente

no setor de transporte transatlântico de passageiros, atingindo velocidades próximas a

130 km/h e com grande autonomia de voo, além da formação de uma força aérea militar.

A utilização do Hidrogênio como gás armazenado para a flutuação da aeronave foi

abandonada após o desastre com o zepelim Hindenburg, em 1937, sendo substituído

pelo gás Hélio. Atualmente, os dirigíveis são empregados no turismo aéreo, na geração

e transmissão de imagens aéreas para eventos esportivos e monitoramento de tráfego

ou regiões afetadas por calamidades, ou na publicidade.

Figura 2.3. Dirigível nº 6 de Santos-Dumont (1901).

(Fonte: Centro Contemporâneo de Tecnologia, Domínio Público [58])

2.4.2. Transporte Marítimo (Hovercraft) e Terrestre (Hovertrain)

2.4.2.1 Hovercraft

Um outro tipo de veículo aproveitando a suspensão aerostática idealizado no

século XIX, e desenvolvido em meados do século XX, pelo britânico Christopher

Cockerell [59], foi proposto para flutuar sobre diferentes tipos de superfícies, como a

água e terra, em um comportamento semelhante ao dos anfíbios. Este veículo,

conhecido como hovercraft, é capaz de deslizar sobre superfícies aquáticas e terrestres,

atingindo velocidades superiores a 100 km/h [60].

10

Nos hovercrafts do tipo ACV (air-cushion vehicle), turbinas acopladas à

embarcação direcionam o ar para uma cavidade flexível situada entre o seu casco e a

parte deslizante, formando um colchão de ar. Uma saia de borracha envolvendo toda a

lateral da embarcação mantém o ar retido em seu interior, produzindo forças

pneumáticas capazes de sustentar todo o seu peso, eliminando o contato com a

superfície. Motores posicionados na parte posterior são responsáveis pela sua

propulsão e lemes auxiliam na sua direção [61, 62].

As aplicações dos hovercrafts, que foram adotados por vários países [63],

compreendem a sua utilização como veículo militar e de salvamento versátil [64], no

transporte de passageiros e carga, sobretudo no Canal da Mancha, como visto na Figura

2.4, e nas ilhas britânicas [65], além de atividades esportivas.

Uma embarcação híbrida concebida nos anos 60, permitia a operação de navios

como hovercrafts ou com cascos de catamarãs para redução do atrito e alcançar

maiores velocidades. O desenvolvimento destes veículos foi conduzido com atenção

pelos Estados Unidos, União Soviética, Reino Unido e Noruega, incialmente para fins

militares, logo seguido por interesses comerciais [66].

Figura 2.4. Hovercraft sobre o Canal da Mancha.

(Fonte: Wikimedia, Andrew Berridge, CC BY-SA 2.5 [67])

11

2.4.2.2 Hovertrain de Alta Velocidade

Outras propostas semelhantes desta técnica foram sugeridas para outros modais,

como os hovercars, sugeridos pela Ford Motor Company (Glideair) [68, 69], ou o Curtis-

Wright GEM 2500 Air Car [70], os hovertrucks para atividades agrícolas, propostos pela

Land Rover [71], e os hovertrains, ou aerotrens [72], especialmente nos anos 60 e 70.

Este último, foi incialmente idealizado para o transporte de passageiros em alta

velocidade sem contato com o solo, flutuando sobre um colchão de ar, dotado de uma

fina camada de alguns milímetros. Foram realizados estudos para a propulsão do trem

utilizando turbinas convencionais e a jato, além do motor de indução linear (LIM), recém

elaborado de forma operacional pelo engenheiro britânico Eric Laithwaite [73, 74].

2.4.2.2.1 Reino Unido

Os principais projetos dos hovertrains de alta-velocidade foram conduzidos na

Europa e na América do Norte. O mesmo grupo de pesquisa dos hovercrafts no Reino

Unido elaborou estudos, a partir de 1967, acerca de trens flutuando por colchão de ar

(ACV) [75] ou a gás [76], chamados de Tracked Hovercraft. Uma linha de testes de 32

km foi construída, em 1971, em um formato de T invertido, com a propulsão por um

motor de indução linear (LIM) [77] e suspensão por colchão de ar, com o trem RTV 31

atingindo velocidade máxima de 150 km/h. O projeto teve suas atividades encerradas,

em 1973, por falta de financiamento [17, 78]. O mock-up do protótipo RTV 31 pode ser

visto na Figura 2.5, onde está exposto em um museu ferroviário.

Figura 2.5. Mock-up do Hovertrain RTV 31.

(Fonte: Wikimedia, Domínio Público [79])

12

2.4.2.2.2 França

De maneira paralela aos britânicos, a França desenvolveu trabalho semelhante, a

partir de 1965, conhecido como Aérotrain, com suspensão ACV [80 – 82]. Os primeiros

protótipos, Aérotrains 01 e 02, foram testados em uma linha em formato de T invertido

de 6,7 km, com propulsão de turbo geradores, turbinas a jato ou foguetes, com o

primeiro alcançando velocidades de 345 km/h.

Em 1969, o protótipo em escala real para fins urbanos Aérotrain S44 passou a

utilizar o motor de indução linear (LIM) como propulsão atingindo velocidade máxima de

200 km/h, em um trecho de 3 km. No mesmo ano, uma linha de 18 km foi construída

para testes dos trens de alta velocidade Aérotrain I80 e I80-HV, ambos para 80

passageiros, dotados com motores Turbofan atingindo velocidades máximas próximas

a 430 km/h. As pesquisas seguiram até 1977, quando cessaram por falta de incentivo

[83, 84]. A Figura 2.6 ilustra o Aérotrain I80-HV em funcionamento.

Figura 2.6. Aérotrain I80-HV em operação.

(Fonte: Wikimedia, CC BY-SA 3.0 [85])

2.4.2.2.3 Itália

Em 1967, o Instituto Aeronáutico de Engenharia da Universidade de Palermo, na

Itália, iniciou pesquisas com o Aerotreno IAP-1, em escala reduzida. Em seguida, o IAP-

2, movido por turbinas a hélice, foi testado numa linha de 200 m, no campus da

universidade [86]. Em 1972, o veículo IAP-3, com capacidade para 20 passageiros e

propulsão por LIM, foi avaliado na pista de 600 m, com formato em U, no aeroporto de

Trapani-Milo, com velocidade projetada de 250 km/h [87]. A partir de 1973, a instituição

alterou o seu foco para trens de levitação magnética [88].

13

2.4.2.2.4 Alemanha Ocidental

Em 1972, a companhia Krauss-Maffei AG, da Alemanha, considerou a proposta

de um trem suspenso por colchão de ar (ACV) para o protótipo Transrapid 03, de forma

a comparar os seus resultados com o Transrapid 02, um protótipo com levitação

magnética (MagLev) [88]. O Transrapid 03 alcançou velocidades de 140 km/h, com

propulsão LIM em uma linha de 930 m permanecendo em estudo até 1974, quando foi

preterido pelo MagLev [89].

2.4.2.2.5 Estados Unidos da América

Nos Estados Unidos da América (EUA), o desenvolvimento dos hovertrains se

beneficiou dos altos incentivos do governo americano no estabelecimento de trens de

alta velocidade, a partir de 1965 [90]. Em 1969, o departamento de transportes

americano (DoT) iniciou a construção de um complexo para testes de trens urbanos e

de alta velocidade (TTC) em Pueblo, no Colorado, e inaugurou o programa Tracked Air

Cushion Vehicle (TACV) [91].

O primeiro veículo LIMRV, fabricado pela Garrett Corporation AiResearch

Manufacturing Division, concentrava-se apenas no estudo da propulsão dos trens, com

motor de indução LIM [92], ou a jato, permanecendo no convencional roda-trilho, em

uma pista de 10 km com o formato de T invertido [93]. Em paralelo, na Califórnia, o

veículo TLRV, com suspensão por colchão de ar (ACV), feito pela mesma companhia,

planejava solucionar a alimentação do primário do LIM com coletores especiais para

suportar velocidades de 480 km/h [17].

Em 1972, o protótipo TACRV, visto na Figura 2.7, construído pela Grumman

Aerospace Corporation, apresentava a característica de trens de alta velocidade,

suspensão (ACV) e contando com propulsão por turbinas a jato. Em uma linha de testes

de 35 km, os resultados indicaram velocidades próximas a 150 km/h [94]. A partir de

1974, o hovertrain UTACV para 60 passageiros, com propulsão LIM e destinado para o

transporte urbano foi fabricado pela Rohr Industries e testado em uma linha de 5 km,

onde atingiu até 240 km/h. O programa foi finalizado em 1975 devido à falta de recursos

financeiros, que passaram a ser destinados às pesquisas como o MagLev e o transporte

automático de pessoas (APM) [95].

14

Figura 2.7. Mock-up do protótipo TACRV.

(Fonte: Wikimedia, Bruce McAllister, Domínio Público [96])

2.4.2.2.6 Brasil

A Faculdade de Engenharia Industrial (FEI), em São Bernardo do Campo,

desenvolveu o projeto de um trem de alta-velocidade suportado por colchão de ar

(TALAV), a partir de 1970, adotando mão-de-obra, materiais e tecnologias totalmente

nacionais, como resultado da longa experiência adquirida pela instituição em trabalhos

no setor da indústria automobilística.

A primeira etapa do programa envolveu o estudo de um protótipo funcional em

escala reduzida para avaliação dos sistemas de suspensão ACV e propulsão a jato ou

por turbo-hélice. Após a verificação da sua viabilidade técnica, o projeto avançou para

a construção de um veículo em escala real, com capacidade para vinte passageiros,

velocidade planejada de 200 km/h e propulsão por duas turbinas a jato, que foi

demonstrado com sucesso na exposição Brazil Export, em 1972, na cidade de São

Paulo, e no ano seguinte, em Bruxelas, na Bélgica.

Os principais diferenciais deste modelo em relação aos demais concorrentes eram

a possibilidade de o trem trafegar ao longo de uma canaleta, permitindo mudanças de

via, a porta frontal do tipo telescópica para embarque e desembarque de pessoas,

reduzindo o tamanho das estações, além do seu aspecto versátil e modular, que

facilitava o engate de diversos vagões de acordo com a demanda e a retirada do

habitáculo de passageiros para o transporte de carga em containers.

15

Apesar do êxito na apresentação do veículo e do interesse de algumas cidades

brasileiras na sua adoção, a linha de testes necessária para a consolidação do projeto

nunca foi construída, provocando o encerramento de suas atividades por falta de

financiamento governamental [97].

2.4.2.2.7 Outros Projetos

Outras propostas levantadas para trens de alta velocidade utilizando o método

ACV incluem [93] o Tracked Air Cushion Research Vehicle da General Electric Co. [98],

com propulsão por LIM ou motor de aeronaves, além dos veículos envoltos por tubos a

vácuo, como o Tubeflight, sugerido pela Rensselaer Polytechnic Institute [99].

Recentemente, em 2013, o interesse no desenvolvimento de trens de alta-

velocidade dotados desta tecnologia foi renovado com o estabelecimento do projeto

Fultrace® (TACV), fruto de uma parceria franco-brasileira, do TACV Engineering France

com o Departamento de Engenharia Aeronáutica (EESC) da USP, que ressurge com a

mesma concepção do Aérotrain, inicialmente idealizado pelo engenheiro francês Jean

Bertin. Este projeto utiliza um arranjo híbrido em que a suspensão e o guiamento do

veículo é realizada pelo conceito do colchão de ar (ACV) e um motor linear de indução

(LIM) contribui para a propulsão e para parte do guiamento

O motor apresenta um formato especial em U, o que aliado ao sistema de levitação

permitiria a construção de uma via elevada, que possui o formato da pista em T invertido,

em uma obra civil mais leve do que os trens de levitação magnética de alta velocidade

existentes. O planejamento consiste em um veículo com operação nominal entre 250 e

400 km/h, flutuando a 10 mm do solo, além de contar com um sistema de microrredes

para garantir a alimentação do trem, aumentando a distância entre subestações e

contando com uma fonte de energia alternativa [100]. Além deste, o projeto U-Trace®

apresenta tecnologia semelhante, sendo destinado ao transporte urbano com

velocidades de operação entre 50 e 100 km/h [101].

2.4.2.2.8 Inviabilidade do Hovertrain de Alta Velocidade

Uma série de fatores inviabilizou a implantação desta tecnologia no transporte de

alta-velocidade. Primeiramente, as modernas gerações de trens de alta-velocidade

convencionais foram contemporâneas deste novo veículo, apresentando estágios mais

avançados da técnica que o último. Desta forma, se consolidaram os trens de alta-

velocidade sobre rodas no Japão (Tokaido Shinkansen), na França (TGV), na Alemanha

(ICE), na Espanha (AVE) e na Itália (Pendolino) [102]. Além disso, os custos de

modificação de infraestrutura ferroviária já existente contribuíram para o insucesso.

16

Nos aspectos técnicos, os altos níveis de ruído e de consumo de energia para a

reposição das perdas de ar no veículo, também o tornaram desvantajoso. E por fim, os

projetos dos trens de levitação magnética (MagLev) de alta velocidade na década de

70, que se tornaram viáveis pelo avanço da eletrônica, da criogenia e dos materiais

magnéticos e supercondutores, apresentaram perspectivas futuras melhores, conforme

indica a escolha do projeto Transrapid pelo MagLev [87].

2.4.2.3 Hovertrain Urbano

Na modalidade de hovertrains urbanos rápidos destacou-se o projeto URBA em

Lyon, na França. Em 1968, se iniciou a construção de um monotrilho experimental, de

forma suspensa em via elevada leve, com linha de 3 km de extensão, propulsão por LIM

e velocidade prevista de 55 km/h. Pelo fato de ser suspenso, a levitação é alcançada

por um processo de sucção do ar [103]. Ao todo utilizou-se dois veículos, URBA 4 e

URBA 8, para 4 e 8 passageiros, respectivamente [104, 105].

Em seguida, o desenvolvimento dos hovertrains se direcionou para o transporte

urbano automatizado, com especial interesse no transporte pessoal de passageiros

(APM), em que pequenos veículos automatizados são utilizados para o transporte de

poucos passageiros sobre uma trajetória definida. O seu surgimento tem origem nos

incentivos do governo americano para novos modelos para o transporte urbano

ferroviário, especialmente os não poluentes, a partir de 1964 [106]. Esta aplicação se

concentra para situações com deslocamentos reduzidos, como o transporte entre

terminais em aeroportos, campus de universidades ou atrações turísticas.

Neste setor, destacaram-se duas propostas de ACV para o transporte pessoal

rápido (PRT). O Uniflo [107, 108], de 1967, caracterizava-se por um sistema

automatizado para 8 passageiros, percorrido em uma via fechada, com a levitação e a

propulsão do veículo produzidas por jatos de ar oriundos de um duto na via [109].

O veículo “Otis Hovair®” [110, 111], desenvolvido inicialmente pela Transportation

Technology Inc. (TTI) [112], foi incorporado em seguida pela Otis Elevator Company, na

qual a movimentação dos veículos seria feita por motores lineares de indução (LIM). O

sistema foi apresentado com sucesso na feira de transportes Transpo72, em

Washington D.C., seguido por uma linha de testes, em Denver. Ao final, a maioria dos

projetos utilizou propulsão por cabos, em um formato de um “elevador” horizontal [113].

O primeiro aerotrem de baixas velocidades para passageiros, ilustrado na Figura

2.8, entrou em operação em 1979, para o transporte de pacientes no centro médico da

Universidade de Duke (EUA), em uma linha de 400 m, permanecendo em

funcionamento até o fim de 2008, sendo o único com propulsão a motor linear LIM [114].

17

Figura 2.8. Transporte Rápido de Passageiros na Universidade de Duke.

(Fonte: Wikimedia, Ildar Sagdejev, CC BY-SA 4.0 [115])

Entre 1985 e 1999, outro “Otis Hovair” transportou passageiros na Flórida (EUA),

em uma via de 760 m [116]. No Japão, o trem flutuante sobre o colchão de ar operou,

em um dos terminais do Aeroporto de Narita [117], em Tóquio, entre 1992 e 2013, em

uma linha de 280 m de extensão, e que pode ser visto na Figura 2.9.

Figura 2.9. Transporte Rápido de Passageiros no Aeroporto de Narita.


18

2.4.2.3.1 Hovertrains em Operação

Atualmente, os seguintes projetos, todos movimentados por cabos e de transporte

automático de pessoas (APM), construídos pela Otis e Poma, permanecem em

funcionamento. Dentre as suas características principais, destacam-se o baixo custo e

o tamanho reduzido da obra civil, além da sustentabilidade, por não serem poluentes

[119 – 121].

i) Dorfbahn Serfaus [122]: Linha subterrânea com quatro estações e 1,3 km,

inaugurada em 1985, na localidade de Serfaus, na Áustria. Possui capacidade para

135 passageiros, velocidade de 40 km/h, e flutua a 1 mm do solo conectando a cidade

a uma estação de esqui.

ii) Sun City Resort [120, 123]: Trecho de 1,7 km de extensão, inaugurado em 1986,

na cidade de Sun City, na África do Sul, fazendo a conexão de um complexo turístico.

iii) Cincinnati Airport People Mover [119, 123]: Linha de 472 m e três estações,

inaugurada em 1994, em Cincinnati, nos Estados Unidos. Apresenta capacidade para

210 passageiros, conectando o terminal principal do aeroporto à dois portões.

iv) Paul Getty Center [120, 124]: Linha de 1,2 km, inaugurada em 1998 localizada

em um complexo de arte e arquitetura na cidade de Los Angeles, nos Estados Unidos,

com capacidade para 100 passageiros e velocidade de 15 km/h.

v) HubTram [125]: Linha com duas estações e 340 m, inaugurada em 2001, em

Minneapolis, nos Estados Unidos, conectando o terminal do aeroporto ao transporte

local.

vi) ExpressTram [125, 126]: Linha com três estações e 1,1 km de extensão,

inaugurada em 2002, em Detroit, nos Estados Unidos. Possui capacidade para 208

passageiros, operando seis metros acima do nível do saguão e conectando duas

extremidades do terminal do aeroporto e está ilustrado na Figura 2.10.

vii) Huntsville Hospital Tram System [126]: Linha com quatro estações e 580 m,

aberta em 2002, em Huntsville, Alabama, nos Estados Unidos. Apresenta capacidade

para quarenta passageiros, em uma via elevada, conectando médicos e pacientes

entre duas alas do hospital. Este sistema de transporte rápido pode ser visto na Figura

2.11.

viii) Skymetro [127, 128]: Linha subterrânea com 1,1 km de extensão e duas

estações, inaugurada em 2003, em Zurique, na Suíça. É capaz de transportar 150

passageiros, flutuando a uma distância de 0,2 mm do solo e velocidade de 50 km/h,

ligando duas partes do aeroporto internacional.

19

ix) Aeroporto Internacional do Cairo [129]: Linha com 1,8 km e quatro estações, no

Egito, inaugurada em 2013. Transporta 340 pessoas por vez, com velocidade de 50

km/h, conectando os terminais do aeroporto a um centro comercial.

Figura 2.10. ExpressTram no Aeroporto Metropolitano de Detroit.


Figura 2.11. Sistema de Transporte Automático do Hospital de Huntsville.

(Fonte: Wikimedia, Larry Wilbourn, CC BY-SA 3.0 [131])

20

2.4.3. Aplicações Médicas e de Bens de Consumo

No setor de bens de consumo, a flutuação de objetos por ação do ar foi explorada

a partir de meados dos anos 50 para aplicação em aspiradores de pó [132]. O Hoover

Constellation utilizava o princípio do hovercraft, flutuando sobre o próprio peso, com o

ar extraído do aparelho direcionado para o piso, proporcionando uma limpeza mais fácil

dos ambientes [133]. Nos últimos anos, novos modelos deste eletrodoméstico foram

sugeridos [134].

Do mesmo modo, após o sucesso inicial do hovercraft, concebeu-se nos anos 60

um cortador de grama dotado desta tecnologia [135, 136], conhecido como Flymo [137],

apresentando maior praticidade e agilidade como diferencial, permitindo movimentos

em qualquer direção e um corte mais rente à grama. Este modelo permanece sendo

comercializado até hoje, conforme ilustra a Figura 2.12.

Figura 2.12. Cortador de grama Flymo.


Durante a mesma década, no Reino Unido, a levitação por colchão de ar foi

proposta para auxiliar o tratamento médico de pacientes que sofreram queimaduras

graves. O hoverbed mantinha o tronco do paciente afastado da cama, através de saias

flexíveis, evitando a formação de escaras, além de controlar a temperatura corporal

através dos jatos de ar esterilizado, secando os ferimentos e reduzindo o risco de

infecções bacterianas na pele [139 – 141].

21

No mercado de entretenimento, a levitação aerostática se destacou com a criação

do jogo conhecido como Air Hockey, na década de 70. Nele, pequenos furos injetam ar

pressurizado sob a mesa, mantendo um disco flutuando, que é disputado entre dois

adversários, produzindo uma partida muito dinâmica [142]. Além dele, a flutuação de

objetos, como bonecos de ação, foi explorada em novos brinquedos, dotados de um

colchão de ar [143].

2.4.4. Aplicações Industriais

Na área industrial, mancais aerostáticos e hidrostáticos, baseados em filmes

fluidos, são utilizados para suportar rotores de máquinas sem nenhum tipo de contato

com a parte fixa, reduzindo o atrito mecânico [144]. Nos mancais aerostáticos de escora,

um gás pressurizado é mantido entre as partes fixas e rotativas, produzindo uma força

capaz de sustentar o peso do rotor. Nos mancais hidrostáticos, líquidos viscosos são

bombeados de modo a manter uma fina camada, de ordem micrométrica, entre o rotor

e a parte fixa, sendo utilizados em dispositivos com velocidades de rotação não muito

elevadas [145]. Um mancal aerostático pode ser visto na Figura 2.13.

Algumas de suas características são a ausência de lubrificação, atrito, baixa

vibração, além de alta vida útil e são empregados em equipamentos que envolvem

atividades de alta precisão ou em ambientes extremamente limpos, como na manufatura

de semicondutores e fabricação de sistemas médicos, ópticos e aeroespaciais.

Atualmente, vários fabricantes atuam apresentando soluções para estes mercados [146

– 149].

Figura 2.13. Mancal aerostático.

(Fonte: Wikimedia, AeroLas GmbH, com permissão CC BY-SA 3.0 DE [150])

A técnica aerostática também é explorada na agricultura, com o desenvolvimento

de colheitadeiras automáticas, com capacidade de operação, transporte e

armazenamento para terrenos acidentados [151].

22

Ainda no setor industrial, um modelo de suspensão de objetos foi desenvolvido

com o intuito de mover com facilidade, e em qualquer direção, cargas pesadas, acima

de 100 toneladas, como máquinas e equipamentos [152]. Este conceito, conhecido

como Air Caster, utiliza compartimentos, localizados abaixo de uma base, onde o ar

pressurizado é inserido, produzindo forças pneumáticas suficientes para a flutuação de

grandes massas, que podem deslizar sobre superfícies lisas [153, 154], reduzindo o

atrito e custos de manutenção. Atualmente, diversas empresas fabricam estes módulos

para o transporte de equipamentos variados, como transformadores, centrífugas e

vagões de locomotivas [155 – 161].

2.5. Levitação Aerodinâmica

Sob o ponto de vista histórico, é importante notar que a levitação aerostática, com

seus conceitos mais elementares, foi a precursora da levitação aerodinâmica, que se

baseia sobre fundamentos técnicos mais complexos, como a dinâmica dos fluidos e

seus fenômenos, como a turbulência e o efeito Magnus [162].

2.5.1. Aviação

Inicialmente, os primeiros protótipos que utilizavam os princípios da aerodinâmica

para suspender objetos, como os de Leonardo da Vinci, se limitavam a tentar reproduzir

o comportamento das aves ou de morcegos, mas falhavam ao simular o ato de abrir e

fechar das asas.

Os primeiros registros do emprego com sucesso desta técnica se originam dos

trabalhos do inglês George Cayley, com planadores, e do alemão Otto Lilienthal,

utilizando asas acopladas ao próprio corpo, ambos na segunda metade do século XIX.

Estes experimentos pioneiros deram origem ao modelo de voos de asas-deltas.

Paralelamente, estudos tratavam da utilização de mecanismos de propulsão de

aeronaves mais pesadas que o ar, através de máquinas a vapor, com o francês Clément

Ader e da controlabilidade do voo [163].

Nos Estados Unidos, os irmãos Wilbur e Orville Wright [164] iniciaram pesquisas

acerca de diferentes configurações de asas, primeiro com planadores, e de sistemas de

propulsão para aeronaves motorizadas. Baseados em estudos científicos que incluíram

um túnel de vento em escala reduzida, construíram o biplano Flyer 1 [165], com um

motor de 12 cv, proporcionando o primeiro voo sustentado e controlado de uma

aeronave motorizada com um piloto a bordo, em 17 de dezembro de 1903, na Carolina

do Norte, partindo do alto de uma colina em um voo descendente [166].

23

Após o sucesso com a suspensão de balões, o brasileiro Santos-Dumont, de

forma simultânea aos irmãos Wright, conduziu experiências para a construção de uma

aeronave capaz de sair do solo e se manter no ar de modo autônomo [167, 168]. Em

1905, concebeu a decolagem da aeronave, movida por motor a explosão e sustentada

no ar por um balão. Em 23 de outubro de 1906, em Paris, realizou o primeiro voo de um

avião capaz de decolar, pousar e se manter flutuando no ar por meios próprios, de forma

controlada com um piloto, e testemunhado por um grande número de pessoas com o

premiado 14-bis, ilustrado na Figura 2.14, dotado de um motor com potência de 50 hp,

percorrendo uma distância de 60 metros no campo de Bagatelle e a 30 metros do solo

[169, 170]. Este foi o primeiro voo da história a ser homologado e a preencher os cinco

requisitos fundamentais estabelecidos pela Federação Aeronáutica Internacional (FAI)

[171].

Santos-Dumont prosseguiu com o projeto de outras aeronaves para aprimorar o

voo nos aspectos de navegabilidade, controlabilidade e redução do seu peso, tendo

como sucesso o Demoiselle, trazendo como inovação o posicionamento da hélice à

frente da aeronave e dos lemes em sua cauda, sendo capaz de atingir velocidades da

ordem de 90 km/h. O aviador utilizou ainda deslizadores aquáticos, para os hidroaviões

[172].

Figura 2.14. 14-bis de Alberto Santos-Dumont.

(Fonte: Centro Contemporâneo de Tecnologia, Domínio Público [173])

Dentre outros avanços notáveis destacam-se os voos de Louis Blériot sobre o

canal da mancha, em 1909, e do primeiro hidroavião, com Henri Fabre, no ano seguinte

[174].

24

Com o rápido progresso tecnológico, as aeronaves logo encontraram aplicações

nas comunicações, encurtando o tempo de mensagens, e na força bélica, incorporando

armamentos. Assim, surgiram o serviço postal aéreo, em 1918, com a francesa

Aéropostale e a formação da força aérea de diversos países com atuação relevante na

Primeira Guerra Mundial, em combates aéreos e bombardeios.

Após este período, grandes aprimoramentos surgiram tornando a aviação cada

vez mais confiável e difundida em todo o mundo. A construção de aviões com o

revestimento inteiramente metálico, o piloto automático, a comunicação via rádio, o

aumento da capacidade de combustível e de passageiros, além da possibilidade de

atingir maiores altitudes e velocidades com motores mais potentes revolucionaram o

transporte aéreo, reduzindo cada vez mais o tempo de deslocamento de pessoas,

comunicações e produtos.

Sobressaem-se como símbolos desta evolução o primeiro voo transatlântico sem

escalas, entre Nova York e Paris, realizado em 33 horas e meia por Charles Lindbergh

a bordo do Spirit of Saint Louis, em 1927, e a primeira circunavegação aérea do planeta,

em pouco mais de oito dias, por Harold Gatty e Wiley Post, em 1931 [174].

Durante a Segunda Guerra Mundial, a aviação experimentou enormes inovações,

especialmente na aerodinâmica de aeronaves de combate, que se tornaram capazes

de atingir velocidades superiores a 400 km/h e efetuar manobras táticas. O conflito

também proporcionou a produção de aeronaves cada vez maiores e mais pesadas,

aumentando a capacidade de transporte de pessoas, cargas e armamentos. Ao final da

guerra, a propulsão a jato de aviões propiciou velocidades superiores a 900 km/h em

caças [175].

Após a Segunda Guerra Mundial, o avanço na operação de aeronaves de grande

porte proporcionou a formação de um mercado de companhias aéreas e fabricantes de

aeronaves para a crescente aviação comercial, atingindo cada vez mais rotas

comerciais ao redor do planeta e reduzindo substancialmente o tempo de

deslocamentos, antes efetuados por navios. Os aviões eram capazes de transportar

mais passageiros a cada ano, com velocidades superiores a 1000 km/h e altitude de

10000 m. Surgiram também preocupações com a segurança e estabilidade das

aeronaves, a pressurização do seu interior, a utilização do radar e do controle de tráfego,

além da infraestrutura aeronáutica.

O Concorde representou uma novidade na aviação comercial, ao final da década

de 60, ao introduzir a propulsão a jato para o transporte comercial de passageiros. Este

avião era capaz de alcançar velocidades supersônicas, próximas a 2300 km/h,

reduzindo ainda mais o tempo de deslocamento transatlântico.

25

A consolidação do conhecimento técnico da aviação, dos mecanismos de

propulsão e da estabilidade do voo auxiliou ainda no estudo do lançamento de foguetes

com aplicações em mísseis balísticos e na exploração espacial, no envio de sondas,

satélites e tripulações ao espaço [176].

Atualmente, o mercado da fabricação de aeronaves comerciais se divide,

majoritariamente, entre a francesa Airbus, a americana Boeing, a brasileira Embraer, a

canadense Bombardier, a russa Tupolev e a ucraniana Antonov. No setor da aviação

militar, excetuando-se a Airbus, destacam-se, além dos citados acima, a francesa

Dassault e a sueca SAAB.

2.5.2. Forças fundamentais para o voo de uma aeronave

Para o funcionamento de aviões, quatro forças estão presentes: tração, arrasto,

sustentação e gravidade. A resultante entre estas forças é capaz de produzir a

decolagem, a aterrisagem, o voo estabilizado e a mudança de direção da aeronave.

A força de tração é produzida pelos motores, de modo a imprimir velocidade à

aeronave e superar a força de arrasto, que se opõe ao movimento. Para superar o

arrasto são geralmente empregados hélices ou turbinas a jato. As turbinas aspiram o ar

e o expelem comprimido e acelerado, após os diversos estágios em seu interior,

gerando a propulsão necessária para mover o avião. A força de arrasto aerodinâmica é

a componente horizontal, devido ao deslocamento de ar, que se opõe ao movimento da

aeronave.

A força de sustentação do avião deve ser suficientemente superior que a da

gravidade no momento de decolagem e igual a força da gravidade durante um voo

horizontal. A diferença de pressão do ar ao passar pelas asas é responsável por gerar

esta força. Este diferencial de pressão pode ser entendido pelo princípio de Bernoulli.

As asas possuem um perfil aerodinâmico distinto para as faces superior e inferior.

A face superior apresenta um aspecto curvo, de modo que o ar faça um percurso mais

longo, com maior velocidade e menor pressão. A face inferior, no entanto, possui um

perfil reto, permitindo que o ar se desloque com um percurso mais curto, com menor

velocidade e maior pressão.

Este padrão médio de pressão na face superior frente a pressão na face inferior

produz uma força aerodinâmica no sentindo oposto à da gravidade, capaz de levantar

a aeronave do chão e manter levitando no ar em pleno voo [177]. A Figura 2.15 ilustra

as quatro forças fundamentais em ação em uma aeronave.

26

Figura 2.15. Perfil das forças que atuam em uma aeronave.

2.5.3. Helicóptero

Um outro tipo de aeronave estudada e desenvolvida no início do século XX foi a

que possuía a capacidade de decolagem e aterrisagem vertical (VTOL), da qual se

destacou o helicóptero.

Nas pesquisas e experimentos que levaram à consolidação da navegabilidade e

estabilidade desta aeronave, destacaram-se os trabalhos dos franceses Paul Cornu e

Louis-Charles Bréguet, do espanhol Juan de la Cierva, do italiano Corradino d’Ascanio

e do russo Igor Sikorski, alcançando a maturidade tecnológica após a Segunda Guerra

Mundial [178].

Além da possibilidade de decolagem e aterrisagem verticais, os helicópteros são

capazes de se manter imóveis no ar e realizar manobras laterais com extrema

flexibilidade, em comparação com os aviões. O movimento de rotação produzido pelas

pás, acionadas por um motor, geram um empuxo suficiente para manter o helicóptero

flutuando no ar da maneira desejada. Os controles do passo e do ângulo de inclinação

das pás são responsáveis, respectivamente, pelo movimento vertical e horizontal da

aeronave [179].

As aplicações dos helicópteros se concentram principalmente em operações

militares, como inteligência, vigilância e deslocamento tático, atividades de salvamento

e combate à incêndios, transporte de pessoas, cargas e equipamentos em localidades

remotas, como instalações de linhas de transmissão ou plataformas de petróleo

offshore, além do transporte de passageiros em curta distância, conhecido como táxi

aéreo.

27

2.5.4. Ground Effect Vehicle (GEV)

Além do transporte aéreo, a técnica aerodinâmica também foi explorada no

transporte marítimo e terrestre, com os chamados Ground effect vehicles (GEV), ou

veículos de efeito de solo, que são veículos semelhantes aos hovercrafts e hovertrains

aerostáticos vistos na seção anterior, porém utilizando o princípio aerodinâmico do

deslocamento de ar sobre as asas do veículo em movimento próximo à superfície para

produzir o empuxo necessário para uma flutuação com uma camada de ar sobre a água,

para os GEV, ou sobre o solo, no caso dos Ground effect trains, reduzindo o atrito

aerodinâmico [180].

O desenvolvimento de veículos utilizando este conceito, também conhecido como

Wing in Ground (WIG), atingiu o seu ápice nos anos 60, especialmente com pesquisas

militares conduzidas por EUA e URSS, no âmbito da Guerra Fria. Nesta esfera, ganhou

destaque os estudos conduzidos pelo russo Rostislav Alexeyev, que conduziram a

produção dos veículos anfíbios chamados ecranoplanos, que contam com um perfil

aerodinâmico semelhante ao dos aviões, capazes de flutuar a uma altitude de cinco a

dez metros do solo e atingir velocidades superiores a 400 km/h [181]. A Figura 2.16

ilustra um veículo por efeito de solo com asas de envergadura reduzida, porém com um

aerofólio traseiro, contribuindo para a produção da sustentação.

Atualmente, o estudo desta técnica se concentra na fabricação de veículos

particulares para fins de turismo e entretenimento, como os hoverwings [182], ou de

transporte marítimo de passageiros na Coreia do Sul [183] e em Cingapura [184], além

de novos projetos que despontam na China, no Irã e na Rússia [185, 186].

Figura 2.16. Veículo por efeito de solo (GEV).

(Fonte: Wikimedia, Stefan Richter, CC BY 2.0 DE [187])

28

No transporte terrestre, os projetos que exploram o efeito de solo para flutuar

sobre uma camada de ar não encontraram o mesmo cenário favorável para sua adoção

que o apresentado aos hovertrains e aos MagLevs. O fato de ser necessário atingir uma

determinada velocidade para suspender o veículo, e a inerente complexidade

aerodinâmica, além da influência climática no seu desempenho justificam esta

resistência.

Dentre os raros projetos previstos para trens utilizando este princípio, encontram-

se o trabalho do mesmo grupo responsável pelo Aérotrain [188 – 191], na França, e

mais recentemente, o estudo para um trem bala utilizando o efeito WIG, conduzido pela

Universidade de Tohuku, no Japão. As estimativas iniciais previam a construção de um

veículo com capacidade para 335 passageiros e velocidade de 500 km/h em 2020 [192].

A partir de 2003, o protótipo japonês ART002 com dimensões de 8,5 m de

comprimento e 3,4 m de envergadura, com asas em L, contando com propulsão por

motores elétricos foi testado em uma linha de testes de 2 km com formato em U,

atingindo 100 km/h, flutuando a uma altura de 5 a 10 cm do solo [193, 194]. Em 2011, o

protótipo ART003R com capacidade para dois passageiros iniciou seus testes sobre o

mesmo trecho, utilizando uma malha com realimentação controlando o ângulo dos

aerofólios conforme o aumento de velocidade do veículo e o acionamento dos motores,

alcançando a levitação a partir de 160 km/h [195, 196]. Atualmente, os testes seguem

em andamento.

2.5.5. Aplicações Comerciais, Industriais e Científicas

As aplicações comerciais da levitação utilizando técnicas aerodinâmicas, se

concentram na área de entretenimento, com o aproveitamento de jatos de ar ou de água

em direção ao solo para flutuar um objeto, como nos flyboards ou hoverboards [197]. O

lazer também é explorado com as atividades de aeromodelismo e aerodesign, que

envolvem modelos em escala reduzida de aeronaves, acionadas por motores elétricos

ou a combustão e controladas à distância por sinais de radiofrequência, e que se

popularizaram no final do século XX [198].

Após a sua larga adoção em ações militares diversas, os drones ou veículos

aéreos não tripulados (VANT) ampliaram o horizonte de possibilidades neste mesmo

setor, com a sua utilização e construção como um hobby, assim como os

quadricópteros. A incorporação de câmeras de alta resolução integradas ao voo e

controle via smartphones popularizou estes modelos, levantando questões sobre a sua

regulamentação [199, 200].

29

Além destas aplicações relacionadas ao divertimento, os drones encontram

oportunidades nas áreas de resgate ou inspeção de locais remotos ou de difícil acesso,

segurança e vigilância, no controle de pragas na agricultura, no transporte automatizado

de entregas [201] e, inclusive, de passageiros [202]. Um outro veículo, atualmente em

desenvolvimento, utiliza o princípio de decolagem e aterrisagem vertical, destinado para

o transporte individual e com aplicações agrícolas, de inspeção de dutos ou pontes e

até entretenimento [203].

A suspensão e flutuação de objetos por ação aerodinâmica também foi explorada

utilizando o chamado efeito Coandă, que estabelece a tendência de um fluido, ao sair

de um orifício, de seguir o contorno de uma superfície curva ao qual foi direcionado, em

função de sua viscosidade. Estudos militares sugeriam a sua aplicação em aeronaves

como discos voadores, capazes de decolar e aterrissar verticalmente, no qual a

suspensão e propulsão do veículo seriam proporcionadas apenas por este fenômeno

[204]. Atualmente, seu interesse se encontra reduzido a pesquisas acadêmicas [205,

206].

Na área industrial, a levitação aerodinâmica é encontrada nos mancais

fluidodinâmicos, que são mancais de escorregamento sem contato, no qual o fluido,

líquido ou gás, como, respectivamente, um óleo ou o ar, impede o contato entre a parte

móvel e fixa do equipamento, devido à rotação entre estas partes, que produz uma

diferença de pressão no fluido responsável por sustentar e posicionar o rotor da

máquina, chamado de efeito cunha.

Desta forma, a sustentação não depende da alimentação externa de fluido, como

nos mancais aerostáticos, necessitando, porém de uma operação em regime

permanente para um funcionamento satisfatório. Estes mancais de filme-fluido também

podem envolver a combinação de mancais fluidostáticos e fluidodinâmicos, dando

origem aos mancais híbridos, capazes de suportar maiores cargas [145, 207].

A levitação aerodinâmica também é aplicada no estudo de materiais, que são

suportados sem contato no ar pela ação de jatos de um fluido pressurizado. Ao atingir

o objeto fora de seu centro de gravidade, o jato é responsável por produzir uma força

de sustentação e de arrasto capaz mantê-lo flutuando de modo estável e girando ao

redor de seu eixo, de acordo com o efeito Magnus [11].

A utilização desta técnica é empregada em pesquisas envolvendo o aquecimento

de materiais sem a presença de recipientes, evitando a contaminação e possíveis

impurezas, com a aplicação de jatos subsônicos ou supersônicos.

30

Experimentos envolvendo o comportamento de amostras em condições de micro

gravidade também são investigados com o auxílio desta técnica. Nela, objetos esféricos

são inseridos no interior de um tubo estrangulado, de diâmetro um pouco maior,

percorrido por ar a uma certa vazão, de modo que o objeto flutua em equilíbrio estável

próximo ao ponto de estrangulamento [208, 209].

As demais aplicações envolvem o resfriamento de partículas, novos processos de

fabricação de materiais vítreos [210], auxílio nos processos de medida de parâmetros

físicos e experimentos envolvendo fusão a laser [211, 212].

2.6. Levitação Eletrostática (ESL)

Em seu artigo no ano de 1842 [213], o matemático inglês Samuel Earnshaw

demonstrou a impossibilidade de ocorrer equilíbrio estável em um sistema estático

descrito por interações de forças baseadas pela lei do inverso do quadrado da distância.

Assim, a princípio, sistemas envolvendo interações eletrostáticas, como grupos de

cargas elétricas, arranjos estáticos de ímãs permanentes ou ainda a combinação de

materiais ferromagnéticos e ímãs permanentes são naturalmente instáveis e quaisquer

técnicas de levitação empregadas nestes casos deve modificar a dinâmica original para

estabilizá-los.

A levitação eletrostática se baseia nos processos de indução eletrostática, no qual

as cargas elétricas de um objeto se polarizam por ação à distância de um campo elétrico

externo. No caso de materiais condutores, esta polarização ocorre de forma intensa,

devido à maior mobilidade dos elétrons, de forma que o objeto apresenta maior

concentração de cargas de polaridade oposta ao campo elétrico externo nas regiões de

fronteira. Nos materiais dielétricos, entretanto, esta polarização é mais lenta e ocorre

apenas uma reorientação de dipolos elétricos, em todo o material, oposta ao campo

elétrico externo [214].

Neste sistema de levitação, um conjunto de eletrodos induz no material a formação

de polaridades opostas às dos respectivos eletrodos na região de fronteira próxima a

eles. Esta indução de polaridades produz forças eletrostáticas no objeto, pela Lei de

Coulomb, no sentido de atraí-lo em direção aos eletrodos e assim suspendendo-o.

Como visto no teorema de Earnshaw, esta interação é naturalmente instável,

sendo necessário um controle ativo com malha fechada para manter o objeto flutuando.

Um sensor é responsável por medir a posição do objeto e compará-lo com um nível de

referência, gerando um sinal de erro. O controlador produz um sinal de controle

relacionado com erro, sendo em seguida amplificado para produzir a tensão em cada

eletrodo que mantém o objeto suspenso. Este esquema de controle está ilustrado de

forma simplificada na Figura 2.17.

31

Esta técnica de levitação é vantajosa em aplicações envolvendo o manuseio de

objetos delicados, sem que haja contaminação ou contato com outros materiais, em

ambientes extremamente limpos ou com operação no vácuo. Ela também é indicada em

sistemas micro-eletro-mecânicos (MEMS), em dispositivos livres de lubrificação e

contato, como micro mancais e micro bombas e é empregada em sistemas biológicos

que utilizam a nanotecnologia [215]. Além disso é capaz de suspender qualquer tipo de

material e, não apenas condutores ou materiais ferromagnéticos como na levitação

magnética.

Figura 2.17. Malha de Controle da Levitação Eletrostática.

Dentre as aplicações principais da levitação eletrostática estão a operação de

micro atuadores em sistemas MEMS [216, 217], no manuseio de materiais delicados

como semicondutores [218], disco-rígidos [219] e telas de vidro de LCD [220], em micro

mancais [221, 222], micromotores [223, 224] e giroscópios elétricos em alto-vácuo [225,

226]. O processo de fabricação das telas de LCD, por exemplo, pode ser realizado

inteiramente sem contato, uma vez que além da suspensão do material ainda faz o seu

transporte e deslocamento a partir de um motor de indução (ESIM) constituído pelas

mesmas forças de natureza eletrostática [227, 228].

Para reduzir um dos inconvenientes deste método, que é a produção de altas

tensões nos eletrodos utilizando amplificadores rápidos e de alta tensão, novas técnicas

surgiram, substituindo os custosos amplificadores por capacitores variáveis,

apresentando bons resultados [229 – 232].

32

As pesquisas envolvendo a ciência de materiais também utilizam a levitação

eletrostática para se beneficiar da ausência de um reservatório e, assim realizar

experiências com amostras envolvendo, por exemplo, super-resfriamento de líquidos,

fases sólidas metaestáveis, nucleação e solidificação, a síntese de materiais, além de

realizar medidas de propriedades térmicas e elétricas com maior precisão [233 – 236].

Além do interesse da ciência dos materiais, esta técnica é aplicada em estudos do

comportamento dos materiais no espaço [237, 238] e na área da bionanotecnologia, em

dieletroforese [239]. A Figura 2.18 ilustra a flutuação de uma amostra de uma liga de

titânio-zircônio-níquel em um levitador eletrostático em uma câmara de vácuo para

estudos sobre esta liga em um centro de pesquisas da NASA.

Uma outra técnica de levitação eletrostática utiliza um arranjo de circuito LRC

oscilador. Nela, o objeto suspenso e um eletrodo fixo formam a capacitância deste

circuito, que encontra aplicações em giroscópios a vácuo [240] e dispositivos micro

eletromecânicos [241, 242].

A utilização de campos elétricos quase estacionários em um arranjo de eletrodos

com geometrias pré-definidas também proporciona uma levitação estável de cargas

elétricas [11]. Esta técnica é empregada em estudos de materiais, como o

aprisionamento de elétrons e íons [243], manipulação de átomos [244] e foto emissão

de partículas [245 – 247].

A flutuação de objetos por este método é possível ainda, com o fenômeno de

descargas elétricas produzidas por circuitos eletrônicos de alta tensão, como o efeito

Corona [248]. Nesta proposta, o objeto (“lifter”) se comporta como um capacitor e é

capaz de sustentar o próprio peso a partir da alta tensão imposta a ele, em função da

assimetria entre os seus dois terminais [249]. Após investigações científicas com

objetivos meramente acadêmicos [250], conforme a proposta apresentada pelo

professor do DEL/UFRJ Antônio Carlos Moreirão [251], esta técnica passou a atrair a

atenção como possível meio de propulsão de dispositivos e veículos [252, 253].

2.7. Conclusão

Este capítulo apresentou os aspectos históricos e tecnológicos do

desenvolvimento da levitação de objetos através das técnicas acústica, óptica,

aerostática, aerodinâmica e eletrostática e as suas mais importantes aplicações.

Foi possível observar que as levitações do tipo acústica ou óptica apresentam uma

capacidade de sustentação de força muito reduzidas, o que as inviabilizam para a

flutuação de grandes objetos, e as mantêm restritas para aplicações científicas e

biológicas de pequenas amostras, evitando a contaminação com recipientes.

33

Figura 2.18. Levitação Eletrostática (ESL) de uma liga metálica.

(Fonte: NASA, Domínio Público [254]).

A levitação aerostática surgiu com a possibilidade de se flutuar objetos através do

conceito da utilização de elementos mais leves que o ar. Assim, foram concebidos os

balões de ar quente e a gás, que permitiram pela primeira vez alcançar um antigo desejo

da humanidade, não permanecendo limitados ao solo. Em seguida, a necessidade de

conferir maior controle sobre o voo introduziu o uso dos dirigíveis que, a partir do final

do século XIX, revolucionaram o mundo moderno, com o seu uso adequado para fins

militares e meio de transporte.

De forma subsequente, a suspensão de objetos mais pesados que o ar iniciou a

era da levitação aerodinâmica, com a introdução dos aviões que eram capazes de

decolar por seus próprios meios e garantido extremo controle sobre a rota determinada

pelo piloto. Em ambas as técnicas de suspensão, deve-se destacar a participação

decisiva do brasileiro Santos-Dumont na consolidação da aviação, que se tornou um

meio de transporte seguro e que encurtou significativamente o tempo de deslocamento

de passageiros, mercadorias e comunicações.

Em meados do século XX, estas duas técnicas foram aplicadas no ambiente

industrial como forma de eliminar o contato mecânico entre a parte móvel e fixa de

equipamentos, reduzindo suas perdas. Assim, surgiram os mancais de filmes fluidos,

em que um fluido pressurizado mantém estes elementos afastados sob uma fina

camada. Enquanto os mancais fluidostáticos necessitam de uma malha de

pressurização constante externa, os mancais fluidodinâmicos utilizam o próprio

movimento relativo do rotor para manter o funcionamento sem contato.

34

No mesmo período, necessidades semelhantes, como o aumento da eficiência, e

o apelo pela sustentabilidade incentivaram o aparecimento de novos meios de

transporte alternativos sem contato de forma aerostática (ACV) marítimos, com os

hovercrafts, e terrestres, com os hovertrains para curtas ou longas distâncias, em

trajetos urbanos ou entre cidades, respectivamente. O modelo de altas velocidades

fracassou ao competir com os trens de levitação magnética, entretanto este tipo de

transporte encontrou um nicho de mercado vantajoso nos veículos para rotas curtas nos

sistemas conhecidos como Automated People Mover (APM).

Por fim, a levitação eletrostática tradicional, conforme previsto pelo teorema de

Earnshaw, é naturalmente instável e precisa de uma malha de controle fechada para o

seu funcionamento. A sua principal vantagem é a possibilidade de efetuar a suspensão

de qualquer material, e não apenas magnéticos ou condutores como na maioria das

aplicações da levitação magnética. A baixa relação de capacidade de força por área,

entretanto demonstra que ele é indicado para ser utilizado em situações específicas,

como micromancais, microatuadores, ou a levitação de dispositivos semicondutores.

Conforme será visto no próximo capítulo, a evolução tecnólogica dos materiais

magnéticos, supercondutores e semicondutores, a partir da segunda metade do século

XX, tornou a levitação magnética atrativa e viável no desenvolvimento de aplicações

industriais, com os mancais magnéticos, que podem substituir os mancais

convencionais, os aerostáticos e os aerodinâmicos, além de se inserir com sucesso no

transporte de passageiros em altas velocidades e urbano, com os trens de levitação

magnética.

35

3. Levitação Magnética e Aplicações

3.1. Introdução

Dentre todos os métodos de levitação de objetos, a técnica de levitação magnética

é a que atrai mais interesse atualmente e que possui maior capacidade de apresentar

tecnologias promissoras ao mercado, sobretudo no setor de transporte de passageiros

e na área industrial, e impactar de maneira positiva grande parte da sociedade,

contribuindo para o seu bem-estar.

A levitação magnética, além de seu aspecto fascinante da suspensão de objetos,

tem atraído grande interesse de pesquisadores da academia e da indústria devido às

suas inúmeras vantagens, como a eliminação de atrito mecânico, contaminação e

desgaste de elementos de contato e o consequente aumento da eficiência de

equipamentos, aliada a capacidade de sustentar cargas elevadas, rotativas ou lineares.

Estas características têm levado empresas a apresentar produtos para as mais

variadas aplicações, como as indústrias de alimentos, de óleo e gás, centrífugas para

enriquecimento de urânio, bombeamento para corações artificiais, turbo máquinas e

muitas outras.

Além destas, o desenvolvimento de trens de levitação magnética, como o MagLev-

Cobra, apresenta tecnologia promissora para o transporte urbano ou de longas

distâncias de passageiros, aliando o baixo consumo de energia e de produção de ruído

ao custo reduzido de construção, além da possibilidade de atingir altas velocidades.

Recentemente, a evolução dos materiais magnéticos, dos dispositivos

semicondutores e dos sensores tornou viável e acessível a confecção de produtos

destinados ao mercado de bens de consumo, notadamente para os setores de

decoração, de iluminação, de entretenimento e educacionais, explorando o apelo

estético da flutuação de objetos e o conhecimento tecnológico por trás do fenômeno.

De modo geral, a levitação magnética se caracteriza pela suspensão de objetos

por ação de campos magnéticos, pela interação entre correntes elétricas em condutores

e campos magnéticos em materiais ferromagnéticos ou diamagnéticos.

A seguir, as diferentes formas de levitação magnética, do tipo ímãs permanentes,

eletromagnética (EML), supercondutora (SML), eletrodinâmica (EDL) e mixed-µ, em

conjunto com as suas respectivas aplicações serão apresentadas em detalhes [15, 255].

36

3.2. Levitação de Ímãs Permanentes

Conforme verificado no teorema de Earnshaw, não é possível uma levitação em

equilíbrio estável utilizando apenas um arranjo estático de ímãs permanentes. Desta

forma, uma combinação estática de ímãs permanentes dá origem ao que é chamado

pseudo-levitação, onde não é possível atingir um equilíbrio estável do sistema em todos

os seis graus de liberdade simultaneamente. Este mecanismo é bem conhecido pela

experiência de aproximação de ímãs com faces de mesma polaridade, que só se

equilibram com alguma restrição de movimento em uma direção, como ilustrado na

Figura 3.1.

Figura 3.1. Pseudo-levitação de Ímãs Permanentes.

Apesar do inerente contato imposto por esse arranjo estático de ímãs, esta técnica

encontra aplicações em diversas áreas, como brinquedos científicos e transportes.

O brinquedo conhecido como “Revolution” baseia-se na força de repulsão entre

grupos de ímãs permanentes posicionados na base e no objeto. Esta força de repulsão

é capaz de suspender o objeto equilibrando o seu próprio peso, porém de maneira

instável. Uma película de vidro colocada na lateral da base restringe o movimento

horizontal do objeto em uma direção paralela à base, permitindo a estabilidade nos

demais cinco graus de liberdade. O contato entre a película e o objeto é feito por uma

fina ponta metálica, reduzindo o atrito e mantendo-o girando por um longo tempo [256].

37

A Figura 3.2 apresenta a vista frontal deste dispositivo com destaque para a

polaridade dos ímãs. Os ímãs da base e do objeto possuem, respectivamente, um

formato de tetraedro e de um cilindro, e magnetização com orientação axial. Ao todo, o

sistema utiliza quatro ímãs em sua base e dois no objeto.

O arranjo estático de ímãs permanentes também foi aplicado em projetos

envolvendo trens de levitação magnética (MagLev). Estes projetos se dividiram em duas

vertentes: os modos atrativos ou os repulsivos [22], conforme será visto a seguir.

Figura 3.2. Vista Frontal do "Revolution".

3.2.1. Modo Atrativo e Repulsivo de Levitação Magnética

No modo atrativo, ímãs permanentes localizados no veículo são atraídos por uma

guia de aço situada na via, ilustrada na Figura 3.3. Nesta situação, rolamentos de nylon,

em amarelo, são necessários entre o aço e os ímãs para conferir estabilidade ao

sistema. O exemplo de transporte mais destacado utilizando este modo foi o trem

urbano M-Bahn, implementado em Berlim, nos anos 80 [257].

Da mesma forma, um grupo de pesquisas do Japão propôs um modo atrativo

semelhante ao M-Bahn, que contava com o controle mecânico da distância de levitação

[258, 259]. Apesar de ser considerado um trem de levitação, o protótipo alemão operava

sobre rodas e se beneficiava do arranjo magnético apenas para redução do peso

suportado e do atrito, enquanto o japonês necessitava apenas de rolamentos para

separar o ímã permanente no veículo do trilho ferromagnético na via.

38

Figura 3.3. Modo Atrativo de Suspensão de Ímãs Permanentes.

No modo repulsivo, ímãs permanentes na via e no veículo são posicionados com

as faces de mesma polaridade frente a frente, acarretando em uma força de repulsão

capaz de suspender o veículo, conforme apresenta a Figura 3.4. Para evitar os

inevitáveis deslocamentos laterais, os rolamentos de nylon também são necessários.

Entre os exemplos da adoção deste sistema pode-se citar a proposta do engenheiro

britânico Geoffrey Polgreen [260] e do projeto americano MagTube [261].

Figura 3.4. Modo Repulsivo de Suspensão de Ímãs Permanentes.

39

A principal vantagem desta técnica sobre as demais que utilizam a levitação

magnética é o fato dela não requerer consumo de energia para proporcionar a

suspensão do veículo, além de utilizar o campo magnético para produção de fluxo

magnético no motor linear síncrono ou de corrente contínua que traciona o trem. Os

seus inconvenientes são o atrito produzido pelos rolamentos existentes, a ausência de

algum tipo de amortecimento natural para sistemas de transporte e o alto custo destes

ímãs.

3.2.2. Materiais Magnéticos e o Arranjo de Halbach

É importante ressaltar que, ao longo do século XX, novos materiais magnéticos

foram desenvolvidos, aumentando o interesse da indústria na comercialização de

componentes e produtos utilizando ímãs permanentes. Assim, a produção das ligas

metálicas de materiais ferromagnéticos conhecidas por Al-Ni-Co, a partir de 1931, dos

ímãs de cerâmica, ou de ferrite, nos anos 50, e dos ímãs de terras-raras, a partir da

década seguinte com o samário-cobalto (Sm-Co) e na década de 80 com o neodímio-

ferro-boro (Nd-Fe-B), apresentaram novas possibilidades para diversas áreas do

conhecimento, como motores elétricos, atuadores, dispositivos móveis e também em

sistemas de levitação magnética [262 – 264].

Cada um destes materiais possui propriedades distintas como, a curva de

magnetização, a saturação, a densidade de fluxo magnético remanente, o campo

magnético coercitivo e a máxima densidade de energia magnética, que os caracterizam

para determinada aplicação [265]. No tocante à densidade máxima de energia

magnética, sabe-se que quanto maior é o seu valor para um dado material magnético,

menor é o volume do ímã permanente, reduzindo substancialmente o volume de

máquinas e equipamentos em que estes são utilizados [266].

Os ímãs cerâmicos de ferrite foram os primeiros a serem indicados para projetos

envolvendo levitação magnética no modo repulsivo, nos anos 60, em função de um valor

mais alto de força coercitiva em comparação ao Al-Ni-Co. Exemplos desta aplicação,

foram as propostas de trens de levitação da Westinghouse Electric Company [267] e do

britânico Magnarail [268, 269], que se baseavam na repulsão entre blocos de ferrite,

contando com apoio nas laterais para o guiamento.

Ambos construíram apenas modelos em escala reduzida para demonstração do

funcionamento. O mais famoso deles foi o último, idealizado pelo engenheiro Geoffrey

Polgreen, que construiu um trilho de 3,5 metros e uma plataforma para a flutuação de

uma pessoa deitada. A forma de propulsão planejada considerava o uso de um motor

linear, no qual os ímãs do veículo atuariam como o campo. Apesar de estudos para a

sua aplicação em trens de alta velocidade, as suas pesquisas não avançaram.

40

Após a sua fabricação, em 1982, os ímãs de terras-raras de neodímio-ferro-boro

(Nd-Fe-B) ganharam destaque para diversas aplicações com ímãs permanentes, devido

à suas características superiores aos demais, como densidade de energia magnética e

força coercitiva [270]. Assim, a sua introdução em sistemas de levitação magnética em

trens e equipamentos percorreu o mesmo caminho, destacando-se principalmente na

levitação eletrodinâmica (EDL) e supercondutora (SML), conforme será visto adiante.

Em muitas situações, os ímãs permanentes são utilizados em conjunto para

produzir um aumento no campo magnético de um determinado sistema e em uma

determinada região preferencial. Para contornar eventuais problemas de combinação

de ímãs permanentes e reforçar a densidade de fluxo magnético em uma região,

concebeu-se em 1973 o arranjo de Halbach [271, 272]. Com este arranjo, uma

combinação de ímãs permanentes é capaz de reforçar substancialmente o campo

magnético de um lado, anulando-o de outro lado. A Figura 3.5 ilustra o princípio do

arranjo de Halbach, destacando a orientação magnética de cada bloco de ímãs que

reforçam as linhas de campo na parte superior e anulam na parte inferior do arranjo.

Além das várias aplicações, como em ímãs de geladeira, e de diferentes

geometrias possíveis [273], o arranjo de Halbach encontrou um forte campo de atuação

nos trens de levitação magnética, na combinação dos ímãs de neodímio-ferro-boro. A

levitação supercondutora e a eletrodinâmica também se beneficiaram deste arranjo na

concepção de trens de levitação magnética, conforme será visto adiante.

Figura 3.5. Arranjo de Halbach.

41

3.2.3. Aplicações nos Transportes

3.2.3.1 M-Bahn

Após a construção do Muro de Berlim, as malhas ferroviárias que antes

atravessavam os limites entre o lado ocidental e oriental da cidade tiveram seus serviços

descontinuados, deixando estações construídas abandonadas e não atendendo a

demanda nestas regiões. Para corrigir este problema, nos anos 70, a Alemanha

Ocidental apoiou a construção de uma linha alternativa de transportes para Berlim

Ocidental.

O M-Bahn se caracteriza por ser um sistema atrativo entre ímãs permanentes no

veículo e um material ferromagnético na via. Apesar de ser considerado um trem de

levitação magnética, este tipo de atração era capaz de suportar até 85% do seu peso,

com o restante sendo equilibrado sobre rodas mecânicas, e contando com rolamentos

laterais para o guiamento. A sua propulsão era devida a um motor síncrono linear (LSM)

de estator longo, que utilizava o campo magnético dos ímãs permanentes para o campo

e enrolamentos trifásicos na via como armadura. O veículo, visto na Figura 3.6, possuía

capacidade de até 130 passageiros e pesava 9 toneladas, produzindo um baixo nível

de ruído, pouco consumo de energia e com uma estrutura leve.

O projeto do M-Bahn (Magnetbahn) foi desenvolvido pela companhia AEG, que

iniciou a construção de uma linha de testes em 1976, em Braunschweig. Em 1983, um

trecho experimental de 600 metros foi iniciado em Berlim, com uma expansão para uma

linha dupla de 1,6 km de extensão em via elevada e contendo três estações, a partir de

1986, com velocidade planejada entre 40 e 80 km/h. O M-Bahn entrou em operação em

1988, com quatro veículos, permanecendo em serviço comercial até 1991 quando, após

a reunificação de Berlim, o sistema metroviário voltou a ser integrado na cidade e o trem

de superfície se tornou redundante [257, 274].

Após a sua demonstração com sucesso em Berlim, novos projetos indicaram o

interesse em adotar este sistema no aeroporto de Frankfurt, na Alemanha, e na cidade

de Las Vegas, nos EUA, porém não se concretizaram [20, 275].

3.2.3.2 Transporte de Carga

O projeto americano Magtube, em desenvolvimento pela empresa LaunchPoint

Technologies em conjunto com Magnovate e Applied Levitation [277 – 279], utiliza

arranjos Halbach de ímãs permanentes de Nd-Fe-B ao longo da via e no veículo,

operando em um modo repulsivo de suspensão de ímãs permanentes, semelhante à

Figura 3.4.

42

A inerente instabilidade lateral, no entanto, é corrigida utilizando uma malha de

controle realimentada com eletroímãs, permitindo uma levitação totalmente sem

contato, com um entreferro de três a oito centímetros. A sua propulsão seria produzida

por um motor síncrono linear (LSM) [22, 261].

Figura 3.6. Veículo M-Bahn.


Em 2006, um veículo em escala real foi construído para demonstrar o

funcionamento do sistema de levitação, sem o controle lateral, que foi efetuado de forma

mecânica, em um pequeno trecho experimental. Um protótipo e um trilho em escala

reduzida foram elaborados, em 2008, para testes com o sistema de propulsão,

guiamento lateral com os eletroímãs, o amortecimento e a tecnologia de mudança de

via [280].

Os estudos iniciais sugeriam a sua aplicação principalmente no setor de transporte

de cargas, com corredores específicos para a movimentação de contêineres de navios

ou tanques de materiais líquidos em tubos fechados sob vácuo, capazes de atingir

velocidades de 800 km/h. Um modelo equivalente para o transporte pessoal de

passageiros (PRT), o Magway, também foi apresentado para trajetos urbanos, mas

ambos, até o momento não prosperaram [281].

43

Um sistema semelhante utilizando esta tecnologia também surgiu recentemente

nos EUA, sendo indicado principalmente para o transporte de cargas. O Levx® se baseia

no mesmo princípio de levitação por repulsão de ímãs permanentes posicionados na via

e no veículo.

Diferentemente do Magtube, a sua estabilidade lateral é garantida por rolamentos

mecânicos nas laterais do veículo. O seu sistema de propulsão é formado por uma roda

magnética na extremidade do trem que ao girar induz correntes parasitas em lâminas

condutoras na via, produzindo uma força de tração capaz de mover o veículo e controlar

o seu movimento de acordo com a intensidade e o sentido da velocidade angular da

roda. Além do transporte de cargas em portos e atividades de mineração, ele também

é sugerido como alternativa para o transporte de passageiros [282].

3.2.4. Mancais Magnéticos Passivos (PMB)

Além de sua utilização como brinquedos didáticos ou nos transportes, este mesmo

princípio está presente na concepção de mancais para máquinas e ferramentas com

atrito reduzido [283, 284]. As suas primeiras aplicações se concentraram em discos de

medidores de energia elétrica eletrodinâmicos das fabricantes Philips [285, 286] e

General Electric [287 – 289] e circuladores de refrigeradores [290], reduzindo a

necessidade de lubrificação e auxiliando no posicionamento de rotores.

Com a evolução dos materiais magnéticos e o surgimento dos ímãs de terras-

raras, este tipo de levitação encontrou espaço para aplicações industriais, através dos

mancais magnéticos passivos (PMB), que ao utilizarem ímãs permanentes, não

necessitam de um consumo de energia para o seu funcionamento. Assim, diversos tipos

de configurações de mancais magnéticos passivos foram concebidos para atender

necessidades específicas, como o tipo radial ou axial, com o modo atrativo ou repulsivo

entre os ímãs do rotor e do estator, com diferentes geometrias possíveis para os ímãs,

como o anel ou disco, ou ainda, a sua orientação de magnetização [291 – 295].

A simplicidade construtiva, sem os complexos sistemas de controle também tem

atraído aplicações que exigem confiabilidade. Deve-se ressaltar, entretanto, que a

impossibilidade de garantir estabilidade simultânea em todos os graus de liberdade

exige a presença de outros tipos de mancais para a sua operação completa. Deste

modo, vários projetos têm empregado mancais hidrodinâmicos, mancais magnéticos

ativos (AMB), ou passivos supercondutores (SMB) ou eletrodinâmicos (EDB) para

corrigir este inconveniente, evitando qualquer tipo de contato mecânico.

44

Os mancais magnéticos passivos com ímãs permanentes têm sido estudados

para aplicações envolvendo giroscópios para sistemas espaciais [296], turbinas eólicas

[297, 298], armazenadores cinéticos de energia [299 – 303], compressores, bombas

turbo moleculares e turbinas [304, 305], atuadores lineares [306], motor mancal

magnético [307], além de dispositivos de auxílio ventricular (VAD) para o coração

artificial, que será visto em conjunto com os mancais magnéticos ativos.

3.2.5. Levitação Estável por Rotação de Ímãs Permanentes

Uma outra técnica de levitação envolvendo apenas ímãs permanentes, se baseia

no seu próprio movimento de rotação, de modo a obter uma flutuação estável e sem

nenhum tipo de restrição. O seu mais famoso exemplo é o brinquedo conhecido como

Levitron® [308, 309], que consiste em uma base com ímãs permanentes com orientação

vertical, e com geometria retangular ou cilíndrica, além de um pequeno ímã, de

orientação magnética oposta à base, que é posicionado e rotacionado a uma certa

altura, conforme ilustrado na Figura 3.7.

Figura 3.7. Levitação estável pela rotação de um ímã permanente.

Para permanecer levitando, este ímã utiliza o efeito giroscópico, no sentido de se

manter inclinado em uma direção paralela às linhas de campo magnético produzidas

pelos ímãs na base, em um movimento de precessão. Fatores externos como a

resistência do ar e a temperatura afetam o seu desempenho, reduzindo a velocidade

angular e o tornando instável, acabando com a flutuação em alguns minutos [310 – 314].

45

3.3. Levitação Diamagnética

Em 1939, o físico alemão Werner Braunbeck demonstrou que o teorema de

Earnshaw não se aplicava aos materiais diamagnéticos [315], sendo assim possível

obter uma levitação com equilíbrio estável em sistemas envolvendo estes materiais.

Os materiais diamagnéticos são caracterizados por se opor ao campo magnético

externo, no sentido de evitar a penetração de fluxo magnético no seu interior, com

permeabilidade magnética relativa inferior a um. Dentre os materiais que apresentam

esta característica estão a água, o bismuto, o grafite, o diamante, além de moléculas

presentes na composição de seres vivos [316].

A levitação diamagnética pode ser obtida utilizando um arranjo de ímãs

permanentes, conforme ilustrado na Figura 3.8. Nela, o carbono pirolítico CVD, o

material diamagnético sólido de menor permeabilidade magnética em temperatura

ambiente, flutua alguns milímetros sobre um arranjo de ímãs de Nd-Fe-B com orientação

magnética vertical e polaridades idênticas nas diagonais. O carbono repele o campo

magnético produzido pelos ímãs proporcionando uma força de repulsão capaz de

sustentar o seu próprio peso. Além disto, por possuir características anisotrópicas, este

material é capaz de flutuar de forma estável apenas na configuração apresentada [317].

Figura 3.8. Levitação diamagnética do carbono pirolítico.

(Fonte: Wikimedia, Domínio Público [318])

Conforme visto acima, mesmo para materiais diamagnéticos fortes, as forças de

repulsão presenciadas são muito pequenas, capazes de levitar apenas pequenos

objetos. Para obter a suspensão de objetos mais pesados, torna-se necessário a

aplicação de campos magnéticos intensos, produzidos por eletroímãs, com densidades

de fluxo magnético da ordem de 10 T. Nestas situações, é possível flutuar objetos

maiores, como seres vivos, incluindo plantas e um sapo [319, 320]. A sua principal

vantagem, assim como em arranjos de ímãs permanentes, é a possibilidade de atingir

a levitação sem a necessidade de consumo de energia.

46

Os materiais diamagnéticos podem ser utilizados ainda, para estabilizar sistemas

de levitação envolvendo ímãs permanentes. Nestes arranjos, eletroímãs ou ímãs

permanentes produzem campos magnéticos intensos de modo a atrair um outro ímã

permanente, com pelo menos um grau de liberdade instável. A presença de um material

diamagnético é capaz de auxiliar a estabilizar o sistema em todas as direções [321].

Esta proposta encontra espaço em aplicações comerciais envolvendo instrumentos de

medição, em pequenos mancais [322], ou em kits educacionais [323, 324],

permanecendo atualmente como mero interesse acadêmico.

Novas perspectivas para esta técnica surgem com a produção de ímãs

monolíticos com perfis magnéticos sob medida para aplicações envolvendo mancais

magnéticos [325, 326], em armazenadores cinéticos de energia, dispositivos ópticos e

lineares, além de equipamentos aeroespaciais [327 – 333].

3.4. Levitação Eletromagnética (EML ou EMS)

A levitação eletromagnética é, dentre os métodos de levitação magnética, aquela

que apresenta um elevado grau de maturidade tecnológica, com o maior número de

aplicações industriais e comerciais em atividade.

3.4.1. Princípio de Funcionamento da Levitação Eletromagnética Tradicional

Do ponto de vista técnico, esta levitação consiste na força de atração exercida por

um eletroímã sobre um material ferromagnético, que possui a tendência de se

magnetizar facilmente. Esta interação entre objetos magnetizados, de maneira estática,

é naturalmente instável, pois a tendência é que eles se atraiam, tal qual ímãs com faces

de diferentes polaridades posicionados um frente ao outro. Para contornar este efeito,

emprega-se um sistema de controle em malha fechada, utilizando circuitos eletrônicos

e sensores, que mantêm o objeto ferromagnético afastado do eletroímã e suspenso no

ar, sob uma altura de referência desejada.

Uma representação simplificada de um circuito esquemático tradicional desta

técnica pode ser vista na Figura 3.9. Ela apresenta os elementos básicos que constituem

a levitação eletromagnética: um atuador, representado pelo eletroímã e seu circuito

magnético, um objeto ferromagnético atraído por ele, um sensor para medir a posição

deste objeto, um controlador e um amplificador de potência, responsável por transmitir

os sinais de controle em um nível adequado para a atuação do eletroímã [12 – 14].

47

Figura 3.9. Diagrama esquemático de um sistema de levitação eletromagnética.

O eletroímã consiste em um fio enrolado, no qual circula uma corrente elétrica

𝑖(𝑡), em volta de um núcleo ferromagnético. Esta, por sua vez, produz um campo

magnético, cujas linhas de campo e seu fluxo magnético 𝜑(𝑡) se concentram e circulam

pelo material magnético, em um caminho de menor relutância, representado pela linha

amarela tracejada na Figura 3.9, que desconsidera efeitos de saturação, dispersão e

espraiamento. A corrente elétrica exerce uma força de atração no material

ferromagnético ilustrado em azul, no sentido de eliminar o entreferro 𝑧(𝑡) e reduzir a

relutância total do circuito magnético.

Para manter o objeto flutuando sob um entreferro desejado, no entanto, é

necessário controlar a corrente elétrica que circula na bobina, de modo a reduzir ou

aumentar sua magnitude quando necessário. Na Figura 3.9 isto é feito empregando uma

malha de controle fechada simplificada, dotada de um sensor que registra e envia para

o controlador a posição do objeto flutuante. Esta informação é processada e

implementada em um método de controle com realimentação negativa, de modo a

corrigir o valor da corrente elétrica necessária para a levitação desejada, sob a forma

de sinais de controle, que são amplificados em um circuito de potência, produzindo a

corrente elétrica no nível desejado.

48

A análise matemática do sistema de levitação da Figura 3.9 pode ser considerada

a partir do princípio de conversão eletromecânica de energia, em que a energia elétrica

produzida pelo eletroímã é convertida em energia mecânica, energia armazenada no

campo magnético e em perdas por aquecimento. Desprezando este último componente,

esta relação pode ser expressa por [334]:

𝑃𝑒 =

𝑑𝑊𝑎𝑟𝑚

𝑑𝑡+ 𝑃𝑚

(3.1)

A potência elétrica, desconsiderando as perdas na resistência, é equivalente a:

𝑃𝑒 = 𝑒𝑖 = 𝑖

𝑑𝜆

𝑑𝑡

(3.2)

E a potência mecânica é equivalente a:

𝑃𝑚 = 𝑓𝑣 = 𝑓

𝑑𝑧

𝑑𝑡

(3.3)

Combinando as equações (3.2) e (3.3) em (3.1), tem-se:

𝑑𝑊𝑎𝑟𝑚 = 𝑖𝑑𝜆 − 𝑓𝑑𝑧 (3.4)

Considerando que a energia armazenada pode ser considerada como uma função

de duas variáveis, o fluxo enlaçado e o entreferro, pode-se estabelecer que:

𝑑𝑊𝑎𝑟𝑚(𝜆, 𝑧) =

𝜕𝑊𝑎𝑟𝑚

𝜕𝜆𝑑𝜆 +


𝜕𝑧𝑑𝑧

(3.5)

Comparando-se as equações (3.4) e (3.5) pode-se determinar que:

𝑖 =


𝜕𝜆

(3.6a)

e

𝑓 = −


𝜕𝑧

(3.6b)

Assim, a força de levitação exercida pelo eletroímã sobre o objeto ferromagnético

pode ser determinada a partir da equação (3.6b). Sabe-se que a energia magnética é

expressa por:

49

𝑊𝑎𝑟𝑚 =

1

2∫ �⃗� . �⃗⃗� 𝑑𝑉

(3.7)

Considerando o material magnético do núcleo com permeabilidade magnética

muito alta, e desprezando efeitos de espraiamento das linhas de fluxo magnético no

entreferro, ou seja, operando com um entreferro pequeno, a energia magnética

armazenada no circuito magnético da Figura 3.9 é:

𝑊𝑎𝑟𝑚 =

1

2𝐵𝑔𝐻𝑔𝑉 =

1

2𝐵𝑔𝐻𝑔𝐴(2𝑧)

(3.8)

Sabendo-se que a relação entre o campo magnético e a densidade de fluxo

magnético no entreferro é �⃗� 𝑔 = 𝜇0�⃗⃗� 𝑔, tem-se que:

𝑊𝑎𝑟𝑚 =𝐵𝑔

2𝐴𝑧

𝜇0

(3.9)

Substituindo-se (3.9) em (3.6b), tem-se:

𝑓 = −

𝐵𝑔2𝐴

𝜇0

(3.10)

A análise do circuito magnético da Figura 3.9 permite obter a seguinte relação pela

Lei de Ampère:

𝐻𝑔(2𝑧) = 𝑁𝑖 (3.11)

A expressão (3.11) pode ser reescrita da seguinte maneira

𝐵𝑔 =

𝜇0𝑁𝑖

2𝑧

(3.12)

Substituindo (3.12) em (3.10), obtém-se a expressão da força de levitação em um

sistema eletromagnético

𝑓 = −

𝜇0𝑁2𝐴

4(𝑖

𝑧)2

= 𝑘 (𝑖

𝑧)2

(3.13)

50

Assim, observa-se que a força de levitação em um sistema eletromagnético é

proporcional ao quadrado da corrente elétrica que circula na bobina e inversamente

proporcional ao quadrado da distância de entreferro. Desta forma, este é um sistema

não-linear e, de acordo com o teorema de Earnshaw, é naturalmente instável.

A Figura 3.10, apresenta um diagrama de blocos de uma malha de controle

tradicional para sistemas de levitação eletromagnética, que emprega uma malha interna

de controle da corrente elétrica na bobina e uma malha externa de controle da posição

do objeto ferromagnético, de forma a manter o mesmo em uma posição de referência

𝑧𝑟𝑒𝑓, sob uma corrente de referência 𝑖𝑟𝑒𝑓.

Figura 3.10. Malha de controle tradicional em um sistema de levitação EML.

O controle destes sistemas é executado em controladores implementados de

maneira analógica ou digital, considerando o custo, a complexidade e os requisitos do

projeto. A utilização de dois ou mais tipos de sensoriamento, como de velocidade,

quando necessária, também implica em aumento de custos e da sua robustez. O

acionamento do eletroímã é geralmente realizado por circuitos de eletrônica de potência,

que demandam uma fonte de energia externa, no qual dispositivos semicondutores

operam no sentido de alterar a magnitude da corrente elétrica na bobina, sendo possível

sua realização em operação linear ou em modo chaveado. Além disto, em geral,

sistemas deste tipo apresentam entreferros da ordem de alguns milímetros.

51

3.4.2. Primeiras Aplicações

Sob a ótica histórica, os primeiros experimentos envolvendo esta técnica, datam

do início do século XX. Em 1937, o grupo de pesquisa da Universidade da Virgínia (EUA)

realizou a construção de elementos rotativos suportados sem contato com atuação de

eletroímãs, com os sinais de controle amplificados por válvulas, alcançando altas

velocidades em uma câmara de vácuo [335 – 338]. Estes trabalhos culminaram,

posteriormente, no desenvolvimento de ultra centrífugas para enriquecimento de urânio

no âmbito da corrida nuclear, durante a Guerra Fria [339 – 342].

Anteriormente, em 1912, o suíço Benjamin Graemiger idealizou o primeiro modelo

de trem de levitação magnética por esta técnica [343, 344], seguido, em 1937, pelo

engenheiro alemão Hermann Kemper, que obteve a concessão de duas patentes [345,

346], que tratavam de outra proposta relativa ao transporte de passageiros por ação

eletromagnética, tornando-se referência nos projetos de trens MagLevs EML

subsequentes, como o Transrapid [347].

Estes dois exemplos, envolvendo máquinas rotativas e meios de transporte

constituem os dois pilares no qual estão baseadas as aplicações de sucesso desta

técnica: os mancais magnéticos ativos (AMB) e os trens de levitação magnética

(MagLev), baseados, respectivamente, no movimento rotativo e linear sem contato

mecânico.

Os avanços da microeletrônica e da eletrônica de potência, a partir dos anos 60 e

70, com a introdução de dispositivos semicondutores com maior capacidade de

chaveamento e de potência, e microprocessadores de maior confiabilidade e qualidade

de processamento, além de aprimoramentos em sistemas de sensoriamento, tornaram

a levitação eletromagnética viável e adequada para uma vasta gama de aplicações,

onde o alto rendimento, a ausência de contato ou de lubrificação são imprescindíveis,

aumentando a confiabilidade e robustez destes sistemas em situações críticas, como

altas velocidades de rotação e no transporte de passageiros.

Assim, inicialmente, surgiram as primeiras aplicações envolvendo estudos

aerodinâmicos em túneis de vento, onde a força de levitação exercia o papel da força

de suspensão de aeronaves em escala reduzida [348 – 351], e novos instrumentos de

medição e giroscópios também foram sugeridos como alternativas às tecnologias

convencionais de contato mecânico [352, 353].

52

3.4.3. Mancais Magnéticos

Em seguida, os mancais magnéticos ativos foram aprimorados para atender a

soluções industriais, inicialmente, envolvendo bombas de turbo máquinas operando em

alto vácuo, e com o progresso tecnológico, abarcaram um número cada vez maior de

áreas de atuação, desfrutando das suas vantagens como ausência de contato e

lubrificação, manutenção reduzida, aumento da vida útil e da confiabilidade, redução de

perdas, alta precisão, capacidade de controle da dinâmica de operação em tempo real

e atingir altas velocidades [12 – 14, 20, 354 – 357].

Dentre alguns exemplos, estão os equipamentos para a indústria petroquímica,

na exploração de campos de petróleo ou gás, que constituem ambientes perigosos,

onde a ausência de lubrificação ou contato dos rotores pode reduzir a possibilidade de

falhas e de explosões [358 – 363]. Estes mancais magnéticos também encontram

destaque em outros setores, como o de alimentos, medicamentos e têxtil, onde a

ausência de contaminação é vital e prolonga a vida útil de seus componentes [364, 365].

Com a adoção de mancais magnéticos, máquinas operando com maior eficiência

e alcançando altas velocidades de rotação passaram a ser utilizadas em outros setores,

como em turbinas a gás e refrigeração, desempenhando a função de compressores,

bombas turbo moleculares, centrífugas e armazenadores cinéticos de energia

(flywheel), reduzindo custos com manutenção [366 – 375].

Estes mancais também auxiliaram servomecanismos e dispositivos inteligentes,

como máquinas de corte e fabricação de semicondutores, com o aumento da precisão

e do desempenho em suas funções [2, 3, 376, 377]. A operação conjunta com mancais

tradicionais, como os hidrodinâmicos, permite aliar, ainda, as vantagens dos dois

sistemas apresentando perspectivas de funcionamento, por exemplo, em discos rígidos

[378, 379].

Assim, com o estado da arte da tecnologia dos mancais magnéticos ativos em alto

nível, dezenas de fabricantes produzem e distribuem seus produtos para os segmentos

de mercado descritos acima, atuando em máquinas e equipamentos diversos,

agregando valor com soluções mecatrônicas e atendendo as necessidades de seus

clientes.

Atualmente, os maiores fabricantes destes mancais ativos dos tipos axiais ou

radiais são a americana Waukesha Bearings Corporation [380], ilustrada na Figura 3.11,

as suíças Mecos [381], apresentada na Figura 3.12, e Levitronix [382], vista na Figura

3.13., e a alemã LTI Motion [383], encontrada na Figura 3.14.

53

Além destas, se destacam neste mercado a sueco-francesa SKF/S2M [384], as

americanas Calnetix [385] e Synchrony [386], as alemãs Schaeffler [387] e Siemens

[388], a chinesa Emaging [389] e a sul-coreana Foshan Genesis AMB [390].

Figura 3.11. Mancal magnético ativo radial da Waukesha Bearings.

(Imagem cedida por cortesia pela Waukesha Bearings [380])

Figura 3.12. Detalhe construtivo de um mancal magnético radial da Mecos.

(Imagem cedida por cortesia pela Mecos AG [381])

54

Figura 3.13. Componentes mecânicos e magnéticos de um mancal magnético.

(Imagem cedida por cortesia pela Levitronix [382])

Nos sistemas biomédicos, os mancais magnéticos ativos auxiliam o

funcionamento correto do bombeamento de sangue, em dispositivos de auxílio

ventricular (VAD) de 3ª geração, conhecidos popularmente como coração artificial. A

ausência de lubrificação, contaminação e de contato permite a produção de VADs

implantados de forma intracorpórea em pacientes, que aguardam um transplante ou

podem permanecer com sua utilização por longo tempo nas situações em que a cirurgia

não é recomendada, e evita a hemólise prematura das hemácias [391 – 400].

A maioria destes dispositivos utilizam um arranjo híbrido entre eletroímãs e ímãs

permanentes, com o primeiro e o último desempenhando, respectivamente, o

posicionamento axial e radial do rotor. Esta configuração é a mais investigada nesta

área ao redor do mundo, incluindo um grupo de trabalho conjunto no Brasil, entre a

Escola Politécnica da USP (EPUSP) e o Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia

(IDPC), além das Universidades Federais do Rio Grande do Norte (UFRN) e do ABC

(UFABC) [401 – 406].

Atualmente, já existem alguns destes dispositivos de auxílio disponíveis no

mercado, melhorando a qualidade de vida de pacientes [407 – 422]. A americana

Thoratec Corporation [423 – 425] fornece soluções para assistentes dos ventrículos

direito e esquerdo, com implantes intracorpóreos e paracorpóreos se baseando no

princípio da levitação magnética.

55

Para o último, o dispositivo de bombeamento de sangue é externo, e é posicionado

acima do motor que aciona a bomba, conforme visto na Figura 3.15, e pode ser

facilmente limpa e transportada. Para o primeiro caso, o implante é interno e destinado

para o funcionamento por longos períodos de tempo. O VAD HeartMate 3™ pertence a

essa categoria, permitindo a operação em uma longa faixa de fluxo sanguíneo, e com

aspecto compacto, como ilustrado na Figura 3.16.

Além desta, a alemã Berlin Heart [426], com o INCOR®, e as americanas Terumo

Heart [1], com o Dura Heart LVAS, e LaunchPoint Tecnologies [427], com o Streamliner

VAD, desenvolvem produtos semelhantes com mancais magnéticos.

Figura 3.14. Sistema de um mancal magnético ativo completo da LTI Motion.

(Imagem cedida por cortesia pela LTI Motion [383])

56

Figura 3.15. Bomba com levitação magnética para o coração artificial.

(Imagem cedida por cortesia pela Thoratec Corporation)

Figura 3.16. LVAD HeartMate 3™.

(Imagem cedida por cortesia pela Thoratec Corporation)

57

3.4.4. Aplicações Educacionais

Experimentos acadêmicos, que demonstram de maneira didática esta técnica de

levitação, têm sido desenvolvidos com sucesso em várias universidades e centros de

pesquisa, em diferentes configurações e particularidades.

3.4.4.1 Aplicações no Mundo

As primeiras grandes contribuições nesta área foram propostas por ROBERGE

[428] e WONG [429], em disciplinas de Teoria de Controle, com a suspensão de um

pequeno globo ferromagnético, em um sistema de controle linearizado, implementado

de forma analógica, com regulador PD e um fotoresitor dedicado ao sensoriamento da

posição. Os resultados apontaram uma preferência majoritária dos estudantes de

graduação por esta disciplina ao longo do currículo profissional por conta desta

aplicação.

Na mesma década de 80, surgiram os primeiros trabalhos para a levitação de

esferas ferromagnéticas utilizando o controle digital, com sensoriamento óptico [430 –

432].

O artigo de HURLEY e WÖLFLE [433] apresenta em detalhes o projeto de um

eletroímã para a levitação de uma esfera ferromagnética, admitindo um modelo

exponencial para a expressão de sua indutância que tem o intuito de otimizar as

dimensões da bobina. Este projeto leva em consideração ainda, a dissipação de calor

da bobina por convecção. Ao final, é concebida uma malha de controle linearizada com

compensador em avanço, um amplificador de potência com MOSFETs em operação

linear e sensoriamento óptico.

De forma complementar ao trabalho anterior, o artigo destes autores e HYNES

[434] introduz, além da malha de controle de posição, uma malha de controle de

corrente, de maneira analógica, e um circuito de potência em operação chaveada, com

controle do tipo modulação por largura de pulso (PWM), elaborando uma série de

experiências práticas aos alunos.

De modo semelhante, diversos institutos de pesquisa e universidades construíram

protótipos deste modelo tradicional, incluindo-os em disciplinas de sistemas de controle,

explorando o seu caráter pedagógico e estimulante para estudantes de graduação [435

– 439]. Com eles, é possível compreender tópicos de diferentes disciplinas como, por

exemplo, Eletromagnetismo, Circuitos Elétricos, Instrumentação, Programação de

Microcontroladores e Projeto de Sistemas de Controle Analógicos e Digitais.

58

Além das técnicas de controle tradicionais, envolvendo sistemas lineares e projeto

de controladores clássicos, estes experimentos trazem a possibilidade de explorar

outras formas de controle [440]. Assim, foram elaborados sistemas analisados via

espaço de estados, utilizando realimentação e observadores de estados [441 – 444],

controle digital implementado em um DSP [445], controle de sistemas não-lineares [446

– 449], estratégia de controle em tempo real com Hardware-in-the-Loop (HIL) e redes

neurais [450 – 452], controle por lógica Fuzzy [453, 454], controle por modo deslizante

[455, 456], utilizando algoritmos genéticos [457], controle ótimo com regulador linear

quadrático (LQR) [458] e robusto por controlador H∞ [459, 460] ou síntese µ [461, 462].

Dentre as propostas não convencionais ou alternativas de experimentos e

protótipos relacionados à levitação eletromagnética, destacam-se os trabalhos

realizados por PIŁAT [463 – 466], envolvendo a suspensão de um globo ferromagnético

posicionado entre dois eletroímãs, e diversos projetos conduzidos por MIZUNO et al,

que apresentaram inovações sobre este sistema. Entre as novas abordagens sugeridas

encontram-se um arranjo de vários sistemas de levitação conectados em paralelo, com

capacidade de medição de força [467, 468], um modelo de túnel de vento para análise

de objetos em rotação, baseados em levitação EML [469], um método de controle

através da concentração ou interrupção do fluxo magnético enlaçado pelo material

ferromagnético [470], e a utilização de energia solar fotovoltaica como fonte de

alimentação de seu sistema de levitação de um ímã [471].

Além destes, os trabalhos de LILIENKAMP, LUNDBERG et al [472, 473]

apresentaram a construção de protótipos de baixo custo de um sistema de levitação

magnética, em torno de vinte dólares, que consiste na atração de um eletroímã por um

ímã atrelado à um material qualquer.

Este sistema e seus componentes, como amplificadores e sensores, foram

transformados em um kit disponibilizado à cada um dos alunos da disciplina de Sistemas

de Controle, do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do

Massachusetts Institute of Technology (MIT). Cabe aos estudantes, ao longo do curso,

o aprimoramento do controle do sistema, melhorando sua estabilidade e rejeitando

perturbações, além de reforçar aspectos práticos, como o aperfeiçoamento da

instrumentação. O seu grande diferencial foi a introdução de um sensor por efeito Hall

de baixo custo [474], responsável por medir o campo magnético do ímã e inferir a

posição do objeto. A saída do sensor é enviada a um circuito integrado (CI), que produz

um sinal de controle PWM, que aciona o CI de eletrônica de potência, alterando a

corrente que circula na bobina.

59

Este mesmo espírito educacional e princípio de funcionamento também foi

explorado por ARTIGAS et al [475], que concebeu um sistema de baixo custo

semelhante, incluindo o sensoriamento por efeito Hall. Nele, é apresentada uma mesma

metodologia de ensino, propondo uma redução ainda maior no custo total do sistema e

delegando aos alunos todas as etapas de projeto e de execução, como simulações e

estudos preliminares, desenho e fabricação da placa de circuito impresso (PCI),

soldagem e montagem de componentes e a realização de testes, submetidas a atender

especificações gerais, como o peso do objeto a ser suspenso e a capacidade de

potência de alimentação do circuito. Ao todo, três formas de controle foram propostas:

controle analógico para estudantes de Graduação, e controle digital com

microcontroladores ou FPGAs para a Pós-Graduação, resultando em um maior

engajamento e motivação dos alunos ao longo da disciplina.

Conforme apresentado em [472 – 475], o sistema de levitação eletromagnética

utilizado se baseia no processo de atração entre um eletroímã e um ímã permanente.

Esta técnica pode ser ilustrada na Figura 3.17, em que o ímã em amarelo está atrelado

ao objeto em azul, que não exerce qualquer influência por não ser ferromagnético. Da

mesma forma que qualquer sistema eletromagnético, este é naturalmente instável e

requer uma malha de controle realimentada para o seu funcionamento, de modo que a

força de atração produzida pelo eletroímã sobre ele seja suficiente para equilibrar a ação

gravitacional.

Figura 3.17. Levitação eletromagnética de um ímã permanente.

60

A força magnética entre um ímã permanente e uma fonte de campo magnético �⃗� ,

como um eletroímã, é expressa de forma geral por [334]:

𝐹 𝑀 = ∇⃗⃗ (�⃗⃗� . �⃗� ) (3.14)

Como o ímã permanente possui orientação magnética axial, na mesma direção

do campo magnético do eletroímã, a expressão para o seu vetor momento de dipolo

magnético é igual a �⃗⃗� = 𝑀�̂�𝑧. Assim, a força magnética deste sistema é dada por:

𝐹 𝑀 = 𝑀

𝜕𝐵

𝜕𝑧�̂�𝑧

(3.15)

3.4.4.2 Aplicações no Brasil

No Brasil, a construção de protótipos destes sistemas tem sido objeto de estudo

há algum tempo. Em 1999, OLIVEIRA, COSTA e VARGAS [476] propuseram um

controle ótimo do tipo LQR, implementado em um DSP, para o controle de uma esfera

ferromagnética. Em 2006, OLIVEIRA, TOGNETTI e SIQUEIRA [477] sugeriram técnicas

de controle robusto para o mesmo sistema. Em 2000, ROSADO FILHO, MUNARO et al

[478 – 480] elaboraram um controle não-linear baseado em espaço de estados para um

protótipo semelhante.

Em 2003, GALVÃO et al [481] desenvolveram técnicas simples de identificação

dos parâmetros da função de transferência do sistema de levitação via a análise da

resposta em frequência, ao invés da tradicional medida dos parâmetros físicos. Em

todos estes trabalhos, o sistema de sensoriamento se baseava no arranjo entre um

fotoemissor e um fotodetector. Outros trabalhos significativos na área empregam

modelos de otimização de tempo de execução de controladores [482] e a construção de

uma bancada didática demonstrando este fenômeno [483].

Conforme visto no capítulo 1, o Laboratório de Aplicações de Supercondutores

(LASUP) se notabiliza pela concepção de diversos protótipos e projetos envolvendo os

principais métodos de levitação magnética. Na área educacional, envolvendo um

sistema de levitação eletromagnética, destacam-se os trabalhos abaixo, identificando

seus pontos mais importantes.

Em 2002, STEPHAN et al [484] elaboraram um sistema de levitação de uma esfera

ferromagnética, de modo a produzir um campo magnético fixo na posição de equilíbrio

promovida por um ímã permanente, e utilizando o eletroímã apenas para manter uma

corrente de controle, reduzindo o consumo de energia.

61

O sistema de controle consistia em um compensador PD, implementado de forma

digital em um microprocessador, com sensoriamento óptico e circuito de potência do

eletroímã em meia-ponte com IGBTs operando em modo chaveado.

Em 2003, GOMES et al [485] realizaram um projeto de controle da posição de uma

esfera ferromagnética em um esquema semelhante ao anterior, mantendo o

sensoriamento óptico, e utilizando apenas o eletroímã. Nele, realizou-se um sistema de

controle em tempo real com o Real-Time Control Toolbox do MATLAB/SIMULINK para

um controlador PD.

Em 2004, GOMES e STEPHAN [486 – 489] desenvolveram experimento

semelhante, mantendo a suspensão de uma esfera e o sensor de posição óptico. Neste

protótipo, entretanto, utilizou-se apenas um eletroímã, com controle de posição PD e de

corrente com banda de histerese, produzidos de maneira analógica, com amplificadores

operacionais, temporizadores e flip-flops, e circuito de acionamento em meia-ponte com

operação chaveada de MOSFETs. As forças eletromagnéticas neste sistema foram

analisadas empregando uma análise por elementos finitos (FEM).

Em 2008, MOTA [490] aprimorou os trabalhos anteriores, ao realizar o projeto de

um sistema de levitação eletromagnética capaz de suspender uma esfera

ferromagnética mais pesada, em torno de 350 gramas, seguindo um modelo linearizado

em torno de um ponto de equilíbrio. Este sistema utiliza uma malha de controle de

posição, com sensor ultrassônico, e uma de controle de corrente, implementadas de

forma digital em tempo real pelo mesmo Toolbox do MATLAB. O circuito de acionamento

também consiste de um arranjo em meia ponte com MOSFETs em chaveamento. A

Figura 3.18 ilustra a levitação da esfera ferromagnética, com um entreferro de poucos

milímetros.

Em 2010, VALLE [491, 492] apresentou a proposta de levitação de um disco

ferromagnético e uma haste metálica, de aproximadamente 1,5 kg, empregando um

sistema de controle muito próximo do trabalho anterior, via MATLAB. Um aspecto

diferencial desta abordagem está na colocação de uma haste de alumínio, de forma a

manter o equilíbrio angular e se contrapor ao momento eletromagnético produzido pelo

sistema.

Este trabalho tem sido demonstrado na disciplina de Introdução à Engenharia

Elétrica do DEE/UFRJ [493] como exemplo de projeto que aplica diversos conceitos

vistos em outras disciplinas ao longo do curso de Engenharia Elétrica, como, por

exemplo, Eletromagnetismo, Conversão Eletromecânica de Energia, Circuitos Elétricos,

Eletrônica de Potência e Sistemas de Controle, afim de motivar os alunos e ilustrar a

relevância destes conhecimentos. A Figura 3.19 demonstra a levitação deste sistema.

62

Figura 3.18. Levitação de uma esfera ferromagnética.

(Fonte: MOTA [490], com permissão)

Em seguida, NEVES continuou estes trabalhos, e introduziu técnicas de controle

adaptativo e rejeição de distúrbios constantes e senoidais para a levitação de uma

esfera [494] e, posteriormente, o disco ferromagnético [495]. Os distúrbios constantes

foram eliminados com o projeto de um regulador com parcela integral, enquanto que os

distúrbios senoidais, presentes nos mancais magnéticos, foi atenuada com um

controlador anti-distúrbio senoidal, em torno da frequência de oscilação da perturbação.

Figura 3.19. Levitação de um disco ferromagnético.

(Fonte: VALLE [492], com permissão)

63

O projeto de graduação de ENDALÉCIO [496, 497], introduziu um sistema de

levitação eletromagnética de baixo custo, visto na Figura 3.20 e inspirado em [472 –

475], baseado na suspensão de um objeto atrelado à um ímã permanente atraído por

um eletroímã. Este sistema utiliza apenas um sensor de efeito Hall, de baixo custo, que

mede o campo magnético produzido por um outro ímã, situado na parte inferior, e assim,

estima a sua posição. O sistema de controle foi implementado utilizando a plataforma

digital do Arduino, que possui uma fácil linguagem de programação e uma interface

amigável, além de um custo reduzido, quando comparado aos anteriores. Assim, foi

definido um regulador PD e um acionamento do eletroímã composto por um CI de

potência formado por um arranjo em ponte completa de MOSFETs em operação

chaveada.

Figura 3.20. Levitação de um ímã permanente.

3.4.4.3 Aplicações Comerciais

Atualmente, uma série de empresas apresenta em seu portfólio de equipamentos

didáticos, sistemas de levitação de objetos ferromagnéticos disponibilizados para

disciplinas de cursos de engenharia. Entre os seus diferenciais, se destacam a

possibilidade de integração com softwares como MATLAB e LabView para aquisição de

dados e realização do método de controle. Entre estes fabricantes, pode-se destacar as

britânicas Feedback Instruments [5], Bytronic [498], ilustrada na Figura 3.21, e

TecQuipment [499], a polonesa INTECO [500], apresentada na Figura 3.22, e a

canadense Quanser [501].

64

Figura 3.21. Sistema de Levitação Magnética da Bytronic. (Imagem cedida por cortesia pela Bytronic Educational Technology [498])

Figura 3.22. Sistema de Levitação Magnética da INTECO. (Imagem cedida por cortesia pela INTECO [500])

65

3.4.5. Levitação Eletromagnética com Circuito Ressonante e em Corrente Alternada

Além do modelo clássico de sistemas de levitação eletromagnética, também são

empregados circuitos LRC, com alimentação em corrente alternada, na suspensão de

objetos ferromagnéticos. Neles, o circuito magnético formado pelo eletroímã e o objeto

que se deseja levitar compõem a parte indutiva do circuito LRC ressonante, sintonizado

em torno da posição de equilíbrio [502, 503].

Ao se afastar do eletroímã, o circuito diminui sua indutância, aumentando a

frequência de ressonância e, respectivamente, a corrente na bobina e a força de atração

sobre o objeto, atuando de modo inverso no caso de diminuição do entreferro. As altas

constantes de tempo exigem uma malha de controle para reduzir oscilações provocadas

por perturbações, uma vez que há pouco amortecimento [504 – 509].

Com a evolução tecnológica, a levitação eletromagnética por controle ativo

superou esta técnica de circuito ressonante, ao possibilitar a sua operação de forma

mais simples e a um custo baixo, além de não enfrentar problemas com o

amortecimento [510, 511].

Dessa forma, a maioria dos estudos envolvendo este método de levitação estão

restritos ao ambiente acadêmico, introduzindo várias propostas para o aumento do

amortecimento, como o controle eletrônico, magnético, com correntes parasitas, ou

mecânico, através de óleos viscosos [512 – 516].

Nos últimos anos, novas propostas para esta técnica têm sido alvo de

investigação, incluindo estratégias de controle com ausência de sensores [517, 518],

acoplamento ressonante entre dois conjuntos de eletroímãs em corrente alternada [519,

520], além de métodos caóticos para redução das oscilações [521 – 524].

As aplicações se concentram em poucas áreas, como na movimentação sem

contato de superfícies, como tintas metálicas, e ambientes extremamente limpos,

mancais para tecelagem e instrumentos de medição [525, 526], sistemas micro-eletro-

mecânicos, como micro atuadores e motores [527], mancais híbridos, que combinam as

vantagens dos mancais magnéticos e dos convencionais, reduzindo a complexidade de

hardware presente nos mancais ativos (AMB), ou na presença de filmes fluidos em

bombas [528, 529], no coração artificial [530] ou ainda em giroscópios para dispositivos

aeroespaciais [531, 532].

66


3.4.6.1 Trens de Levitação Magnética

Conforme visto anteriormente, as primeiras propostas envolvendo transportes

para este tipo de levitação magnética datam do início do século XX [345, 346, 533]. O

avanço tecnológico da eletrônica, nos microprocessadores e dispositivos

semicondutores, dos sensores, dos motores elétricos lineares e dos materiais, permitiu

ao final da década de 60, o efetivo início de estudos de viabilidade em escala real de

trens de levitação magnética (MagLev) por meio eletromagnético (EML), cujos aspectos

teóricos já se encontravam em estado avançado em comparação aos demais. Não sem

razão, os veículos de levitação EML foram os primeiros a apresentar uma prova de

conceito e tecnologia consolidadas, tornando-se os primeiros a operar comercialmente

com sucesso no mundo.

Sob o ponto de vista dos transportes, os grupos de pesquisa foram divididos em

análises relativas aos trens de altas velocidades, destinados para viagens de longas

distâncias, e trens urbanos, para integrar a malha ferroviária ou metroviária de cidades

em baixas velocidades. Assim, foram conduzidos estudos na América, Europa e Ásia,

de forma paralela, para avaliar estas tecnologias inovadoras, que atendiam suas

necessidades. A seguir são apresentados alguns destes projetos com base na levitação

eletromagnética.

3.4.6.1.1 Magnibus

O Magnibus é um projeto conduzido pelo Instituto Politécnico de Timisoara, na

Romênia, que utiliza o princípio de levitação eletromagnética para sustentar o veículo.

O seu principal diferencial em relação aos demais é o fato de que a suspensão e

propulsão do veículo estão integradas por meio de um motor síncrono linear homopolar

(H-LSM) que desempenha as duas funções.

Além disto, ele utiliza o conceito de via passiva, no qual os enrolamentos trifásicos

e os de corrente contínua são posicionados no veículo atuando na tração e na levitação,

respectivamente, e interagem com um trilho sólido de aço na via para a sua operação.

Assim, são necessários quatro conjuntos deste motor, um para cada vértice do veículo.

Eletroímãs adicionais atuam nas laterais para efetuar o guiamento de forma

independente.

67

De acordo com BOLDEA et al [534], a construção deste tipo de motor, do tipo fluxo

transversal, permite obter uma tração elevada para um motor leve, e com perdas

elétricas reduzidas, alegando uma performance superior aos motores lineares de

indução (LIM) encontrados em outros projetos de MagLevs urbanos, contando também

com a menor complexidade tecnológica na estrutura da via. O seu principal

inconveniente é a existência de contato para a alimentação dos enrolamentos no

veículo, assim como a presença dos conversores de eletrônica de potência no seu

interior.

Ao final dos anos 80, o protótipo destinado para o transporte urbano Magnibus-

01, de quatro toneladas e quatro metros de comprimento, foi objeto de estudo em uma

linha de testes de 150 metros de extensão, com velocidade de operação entre 15 a 20

m/s, e entreferro de 10 milímetros. Recentemente, BOLDEA [21] apresentou uma

proposta de aprimoramento do sistema, o Magnibus 02, que inclui de forma integrada a

propulsão, a levitação e o guiamento pela ação do motor síncrono linear homopolar,

empregando ímãs permanentes para produzir a força de sustentação do veículo, com

correntes de controle proporcionando estabilidade na flutuação do veículo, e

aumentando a eficiência teórica do motor para 90%, permitindo o seu funcionamento

tanto para o transporte urbano como em altas velocidades.

3.4.6.1.2 ROMAG®/Mag-Transit

Ao final da década de 60, a companhia americana Rohr Industries iniciou o projeto

ROMAG®, que se tratava de um veículo de levitação magnética dedicado para o

transporte pessoal rápido de passageiros (PRT), como parte do programa de incentivos

do governo norte-americano para o estabelecimento de novos meios de transporte

urbanos [105]. Dentre os modelos alternativos de transporte estudados nos EUA na

época, este era um dos que apresentavam um baixo nível de ruído, alto conforto e menor

interferência do clima em sua operação, além de ser não poluente.

De forma semelhante ao Magnibus, este projeto também integrava a levitação, a

propulsão e o guiamento do veículo pela ação de um motor, porém de indução linear

(LIM), em que os enrolamentos trifásicos do primário eram posicionados no veículo e o

secundário ficava em um trilho passivo de alumínio e material ferromagnético nas

extremidades da via, sendo necessária a utilização de um motor para cada um dos dois

trilhos. Uma malha de controle realimentado da posição do entreferro era responsável

pela estabilização da levitação, produzindo uma força de suspensão constante para

diferentes velocidades de operação [535 – 537].

68

No início da década de 70, duas linhas de testes foram construídas na cidade de

Chula Vista, na Califórnia. Na primeira, com 360 metros de extensão, o veículo era

suspenso sobre o trilho, enquanto na segunda, ele era suspenso abaixo do trilho, em

uma via elevada, verificando o seu funcionamento com sucesso em 1971, o que

significou no primeiro MagLev a operar nos EUA. No ano seguinte, a sua tecnologia foi

apresentada na feira de transportes Transpo72, em Washington D.C.

Este MagLev participou da licitação para o projeto de transporte de massa GO-

Urban da cidade de Toronto, no Canadá, porém foi preterido em detrimento de um outro

trem de levitação magnética alemão, o Transurban. Após dificuldades para obtenção de

financiamento para o projeto, a tecnologia foi adquirida pela americana Boeing, em

1978, rebatizando-o de Mag-Transit, que alguns anos depois não deu prosseguimento

às pesquisas, por falta de apoio financeiro governamental [538].

3.4.6.1.3 Transrapid

O primeiro projeto alemão, conhecido como Transrapid, teve início em 1969, na

Alemanha Ocidental, com base no trabalho pioneiro do alemão Hermann Kemper,

contando com o apoio governamental. Em 1977, após a construção de protótipos com

diversas combinações de levitação e propulsão, avaliou-se favoravelmente na

continuação de pesquisas de um trem de levitação eletromagnética de alta velocidade

com propulsão por motor síncrono linear (LSM), no centro de testes em Emsland. Em

1979, em caráter experimental, o protótipo Transrapid 05 foi apresentado aos

passageiros em uma feira internacional de transportes em Hamburgo. A linha de testes

de 31,5 km foi concluída no ano de 1987 e quatro anos depois, o protótipo Transrapid

09 foi considerado tecnicamente apto para operar comercialmente [347].

Após algumas tentativas frustradas de estabelecer uma rota comercial na

Alemanha, o projeto atraiu a atenção do governo Chinês, no final do século XX. Em

2001, foi firmado um contrato entre as partes, determinando a construção de uma linha

MagLev de 30,5 km conectando o Aeroporto Internacional ao distrito financeiro de

Pudong, na cidade de Xangai. Em 1º de janeiro de 2004, o Transrapid entrou em

operação comercial, ilustrado na Figura 3.23, sob a responsabilidade da companhia

Shanghai Maglev Transportation Development Corp. (SMDTC), atingindo uma

velocidade de 430 km/h, permanecendo desde então como o único trem de levitação

magnética em alta velocidade transportando passageiros no mundo [539].

69

3.4.6.1.4 MagLev Urbano

Apesar de sua história notável, o Transrapid, no entanto, não foi o primeiro trem

MagLev a atingir o estágio de operação comercial no mundo. Entre 1984 e 1995, um

MagLev de baixa velocidade entrou em operação na cidade de Birmingham, no Reino

Unido, conectando o seu aeroporto internacional à estação ferroviária local, percorrendo

um trajeto de 600 m de extensão, com levitação EML e propulsão por um motor linear

de indução (LIM). Esta proposta consistia em veículos automatizados de passageiros

(APM), com capacidade de até 12 pessoas, em um monotrilho em via elevada, flutuando

em um entreferro de 15 mm [540].

Além destes exemplos, deve-se destacar, atualmente, a operação comercial de

outros três veículos de levitação magnética urbanos, com levitação EML e propulsão

LIM. Em 2005, o MagLev HSST Linimo passou a operar em uma linha de 8,9 km,

apresentado na Figura 3.24, em Nagoia, no Japão, durante a celebração da feira

mundial Expo 05, onde permanece atendendo mais de 17 mil passageiros por dia em

nove estações [23, 541].

Figura 3.23. MagLev em Xangai (China).

(Fonte: Wikimedia, CC BY 2.5 [542])

70

O ano de 2016 apresentou o início da operação de mais dois trens MagLev. Em

fevereiro, o ECOBEE, ilustrado na Figura 3.25, entrou em funcionamento conectando o

Aeroporto Internacional de Incheon ao sistema metroviário, em um trecho de 6,1 km,

próximo a Seul, na Coreia do Sul, operando a uma velocidade de 110 km/h [22].

Em maio, o Changsha Maglev Express iniciou suas operações em uma linha de

18,55 km, contando com três estações e ligando o Aeroporto Internacional de Changsha

à estação de trens de alta velocidade da cidade chinesa, onde atinge uma velocidade

de 100 km/h [543].

Figura 3.24. HSST em Nagoia (Japão).


3.4.6.2 Elevadores

Além do transporte de passageiros sob trens, a levitação eletromagnética abriu a

possibilidade para a sua aplicação no transporte vertical de pessoas em elevadores,

particularmente vantajosos em edifícios do tipo arranha-céus, onde o tempo de espera

se torna inviável, além da dificuldade técnica de utilização de cabos muito longos. Com

o auxílio da levitação eletromagnética, os elevadores não permanecem confinados no

movimento vertical, sendo capaz de percorrer trajetos horizontais ou em loop, além do

funcionamento de múltiplas cabines ao mesmo tempo [545].

Atualmente, a companhia alemã ThyssenKrupp coordena o projeto MULTI com o

intuito de desenvolver esta tecnologia. Para isto, está sendo construída uma torre de

testes (Testturm) de 246 metros de altura, na cidade alemã de Rottweil para fins de

pesquisa e desenvolvimento de soluções para elevadores [546].

71

Figura 3.25. ECOBEE em Incheon (Coreia do Sul).


3.4.7. Aplicações Industriais Recentes

A suspensão eletromagnética também tem sido aplicada no transporte sem

contato de telas planas e displays de LCD, ainda em estado experimental, com o

objetivo de reduzir a probabilidade de defeitos associados à contaminação de partículas

e vibrações mecânicas excessivas durante o processo de fabricação. A movimentação

destes painéis ao longo da linha de montagem é realizada com a propulsão de motores

lineares de indução (LIM) [548, 549]. O mesmo procedimento tem sido adotado para

displays OLED, porém com propulsão por motor síncrono linear (LSM) [550].

Da mesma forma, a companhia holandesa Philips tem estudado estes atuadores

planares que combinam a levitação magnética e o movimento linear para aplicações

industriais lineares de alta precisão, como por exemplo na tecnologia de litografia

ultravioleta extrema (EUV) [551, 552].

A empresa suíça IQDEMY desenvolveu, em sua unidade de pesquisa e

desenvolvimento russa, a impressora industrial Maglev, vista na Figura 3.26, baseada

na tecnologia de levitação eletromagnética para a movimentação das cabeças de

impressão por um motor linear.

72

A ausência de contato permite atingir uma velocidade de operação maior,

reduzindo as vibrações, melhorando a qualidade de impressão e a durabilidade do

equipamento em sua plena capacidade. Assim, o motor linear se movimenta em uma

direção e consegue sustentar o conjunto formado por ele e as cabeças de impressão,

que totalizam entre 60 e 80 kg, alcançando uma velocidade de 2,5 m/s em 0,3 segundos

[553].

Figura 3.26. Impressora IQDEMY Maglev

(Imagem cedida por cortesia pela IQDEMY [553])

3.4.8. Aplicações de Consumo e Entretenimento

Nos últimos anos, as aplicações comerciais da levitação magnética, de modo

geral, não têm se concentrado de forma exclusiva nos tradicionais setores dos mancais

magnéticos, produtos didáticos ou trens MagLev. O apelo estético e surpreendente da

flutuação de objetos tem atraído cada vez mais interesse para novas áreas em que ela

pode ser utilizada. Do ponto de vista econômico, o baixo custo dos componentes

eletrônicos e dos materiais tornou esta alternativa viável.

Assim, a levitação eletromagnética, de modo particular, pode ser encontrada em

obras de arte, em produtos de design e publicidade, decoração e iluminação, brinquedos

e dispositivos tecnológicos, como alto-falantes ou hoverboards.

73

3.4.8.1 Iluminação, Decoração e Design

A empresa holandesa Elivatix desenvolveu o produto Lunaluxx, apresentado na

Figura 3.27, que se baseia no modelo tradicional de levitação eletromagnética para fins

de iluminação. Nele, um eletroímã atrai um pequeno ímã permanente, ao qual está

associado uma fina película refletora de fósforo. Esta por sua vez, absorve a luz azul

emitida por um LED posicionado na base, e reemite a luz branca em todas as direções

[7].

Figura 3.27. Luminária Lunaluxx.

(Imagem cedida por cortesia pela Elivatix [7])

A levitação eletromagnética de um objeto associado a um ímã permanente é

explorada ainda, na flutuação de globos terrestres de tipos variados, porta-retratos,

diversas figuras decorativas, brinquedos e displays para divulgação de produtos em

pontos de vendas, sendo fabricada em dezenas de indústrias, principalmente chinesas

[554 – 557].

Este método de levitação eletromagnética tradicional, no entanto, apresenta

alguns inconvenientes para as aplicações do setor de consumo e entretenimento. Ao

ser necessária a utilização de um eletroímã na parte superior atraindo um objeto, estes

produtos em muitas ocasiões restringem as suas dimensões, além de atrapalhar um

efeito visual mais atrativo. Para contornar este problema, foi concebida uma nova

configuração para este tipo de suspensão.

Neste novo conceito, um objeto atrelado à um ímã permanente flutua sobre uma

base na qual estão presentes um arranjo de ímãs e eletroímãs. A geometria e a

polaridade dos ímãs apresentam uma interação repulsiva entre eles, de modo a mover

lateralmente o objeto. Para mantê-lo posicionado sob a região central da base, quatro

eletroímãs são utilizados, produzindo correntes de controle, com base nos valores

registrados por sensores de posição [558, 559].

74

Apesar de apresentar uma modelagem mais complexa do que a tradicional, ela

apresenta como característica marcante, um maior gap de levitação, da ordem de

centímetros, o que permite ampliar a faixa de operação e obter um aspecto visual mais

impactante. Além disso, ela possui uma estabilidade lateral maior, embora haja maior

dificuldade de posicionamento. Desta forma, a maioria das aplicações que se seguiram

nestes setores fazem uso desta configuração.

A utilização deste novo conceito foi adotada na produção de obras de arte em um

museu na Suécia, conforme relatado por LIVINGSTON [255], e tem sido divulgada com

sucesso através da empresa holandesa Crealev, que emprega esta tecnologia em

design de interiores com luminárias e abajures, como na Figura 3.28, no apelo visual e

estético em ensaios fotográficos e outras obras artísticas, e na publicidade de produtos,

como tênis e telefones celulares, em pontos de venda [6, 560, 561]. O estúdio de design

tcheco Kibardindesign apresentou, em 2013, o modelo de um mouse sem fio flutuando

sob este mesmo princípio, proporcionando um uso ergonômico, evitando danos

musculares [562].

Figura 3.28. Luminária Eclipse. (Imagem cedida por cortesia pela Crealev B.V. [560])

A flutuação de objetos diversos, como globos terrestres, luminárias, brinquedos,

brindes, elementos decorativos e plantas ornamentais, como o Air Bonsai, da japonesa

Hoshinchu [563], também é encontrada em vários websites que comercializam seus

produtos, sobretudo nos EUA [564 – 566] e na China [567 – 570].

75

3.4.8.2 Entretenimento

Nos últimos anos, esta levitação eletromagnética foi aplicada ainda, em bens de

consumo eletrônicos, como em caixas de som que flutuam e emitem som em 360 graus,

controlados via um smartphone [571]. O ímã permanente do objeto apresenta a dupla

função de produzir a flutuação e servir como dispositivo de conversão eletromecânica

de energia para gerar o som. Atualmente, uma dezena de projetos ao redor do mundo

estão em desenvolvimento, apresentando designs e funcionalidades diferentes [572 –

575].

Nesta tecnologia se destacam os produtos de áudio PJ9 da sul-coreana LG [8],

com autonomia de 10 horas de duração, ilustrado na Figura 3.29, e a caixa de som com

design futurista Mars, da crazybaby [576], vista na Figura 3.30, tendo sido premiada

como a melhor inovação tecnológica em áudio na feira tecnológica Consumer

Electronics Show (CES) 2017, em Las Vegas (EUA) [577]. Além dela, outro alto falante

flutuante, o Air², conquistou o mesmo prêmio em 2015 [578].

Figura 3.29. Caixa de som PJ9 da LG.

(Imagem cedida por cortesia pela LG Electronics, Inc. [8])

76

Figura 3.30. Vista explodida da base (esq.) e do alto falante (dir.) do Mars (centro).

(Imagens cedidas por cortesia pela crazybaby, Inc. [576])

3.5. Levitação Supercondutora (SML ou SQL)

3.5.1. Teoria da Supercondutividade

O fenômeno da supercondutividade foi descoberto em 1911, pelo físico holandês

Heike Kamerlingh Onnes, enquanto realizava experimentos em baixas temperaturas

com mercúrio, ao observar que este material apresentava abruptamente uma

resistência nula a partir de uma determinada temperatura crítica, em torno de 4,2 K

[579].

A partir de então, uma série de novos materiais supercondutores foram

descobertos e novas teorias foram desenvolvidas a fim de explicar o seu comportamento

inesperado, no mesmo instante em que potenciais aplicações foram sendo sugeridas.

Durante estas investigações, foi comprovado que três parâmetros físicos são

fundamentais para se estabelecer uma definição entre o estado supercondutor e o

estado normal dos materiais. Assim, para atingir o estado supercondutor são

necessários que a temperatura 𝑇𝐶, o campo magnético 𝐻𝐶 e a densidade de corrente 𝐽𝐶

no material estejam, simultaneamente, abaixo de um valor de transição, denominado

como crítico [580].

Em 1933, os físicos alemães Walter Meissner e Robert Ochsenfeld observaram

que durante o estado supercondutor, os materiais supercondutores do tipo I excluem de

forma total o campo magnético do seu interior, apresentando um diamagnetismo

perfeito. Este efeito Meissner-Ochsenfeld pode ser ilustrado pela Figura 3.31.

77

Enquanto o material permanece acima da temperatura crítica, um campo

magnético externo penetra completamente o seu interior, porém quando este é resfriado

abaixo da temperatura crítica, correntes de blindagem surgem em sua superfície

externa, que atuam de modo a repelir o campo magnético externo aplicado, induzindo

um campo em oposição e, assim evitar sua penetração [581].

Figura 3.31. Efeito Meissner-Ochsenfeld.

Ao longo do tempo, diversos novos materiais supercondutores, como ligas

metálicas e óxidos foram sendo descobertos ou sintetizados em laboratório, cada vez

com temperaturas críticas mais elevadas, tornando-os viáveis para aplicações em cabos

e bobinas supercondutoras.

Os supercondutores do tipo II apresentam ainda uma faixa intermediária, entre o

estado supercondutor puro e o estado normal, denominado como estado misto. Durante

o estado misto, as duas fases coexistem, com uma concentração de elétrons normais e

superelétrons.

Assim, estes materiais, conhecidos como hard supercondutors, possuem dois

campos magnéticos críticos 𝐻𝐶1 e 𝐻𝐶2. Para campos magnéticos inferiores a 𝐻𝐶1, o

supercondutor se encontra sob diamagnetismo perfeito, semelhante aos

supercondutores do tipo I. Entre 𝐻𝐶1 e 𝐻𝐶2, o diamagnetismo é parcial, existindo uma

região do material que exclui o campo magnético e outra que admite a penetração de

fluxo magnético no interior de regiões denominadas como fluxóides. No interior destes

fluxóides, ocorre o efeito conhecido como aprisionamento de fluxo, ou efeito pinning, no

qual a região normal existe no material supercondutor [582].

78

Quanto mais o campo magnético externo se aproxima do valor crítico 𝐻𝐶2, maior

o número de fluxóides existentes, ou seja, maior o aumento de regiões normais até que

o estado supercondutor seja destruído com um valor superior a 𝐻𝐶2. Da mesma maneira,

conforme o campo magnético externo se aproxima do valor crítico 𝐻𝐶1, menor o número

de fluxóides, e maior o número de superelétrons presentes, expulsando cada vez mais

fluxo magnético, até atingir o diamagnetismo perfeito, ou o efeito Meissner, para um

campo crítico inferior a 𝐻𝐶1. Esta situação pode ser representada na Figura 3.32, que

ilustra o estado normal, misto e supercondutor, respectivamente, abaixo da temperatura

crítica [583].

Figura 3.32. Estado misto em supercondutores do tipo II.

Inicialmente, os primeiros supercondutores apresentavam temperaturas críticas

muito baixas, sob pressão atmosférica, o que tornava necessário o processo de

resfriamento por hélio líquido. Para temperaturas críticas acima de 77 K, o nitrogênio

líquido pode ser utilizado para refrigerar estes materiais supercondutores de alta

temperatura crítica (HTS), reduzindo de maneira substancial os custos de obtenção e

manutenção dos sistemas criogênicos, ampliando o número de aplicações viáveis. A

descoberta da supercondutividade no óxido de Y-Ba-Cu-O em 1987, com temperatura

crítica da ordem de 90 K é um exemplo da utilização da refrigeração por nitrogênio

líquido (LN2).

3.5.2. Aplicações da Levitação Supercondutora

Os supercondutores são explorados na levitação magnética através de três efeitos

relevantes que ocorrem nestes materiais: a resistência nula, o efeito Meissner e o efeito

pinning. O primeiro fenômeno é encontrado com frequência na levitação eletrodinâmica

(EDL), que será vista em detalhes na próxima seção, enquanto que os dois últimos são

aplicados com sucesso na levitação supercondutora (SML).

79

Assim, as aplicações dos supercondutores se expandiram para diversos setores,

como trens de levitação magnética, mancais magnéticos e armazenadores cinéticos de

energia, devido às suas vantagens de redução de perdas, capacidade de transporte de

altas correntes e produção de campos magnéticos intensos [584].

Os primeiros experimentos de levitação magnética envolvendo supercondutores

na presença de campos magnéticos foram realizados por ARKADIEV [585] em 1947 e

por SIMON [586], apenas como interesse científico. Em seguida, a maioria dos trabalhos

direcionava a utilização dos supercondutores para pesquisas com mancais e trens

MagLev envolvendo a levitação eletrodinâmica.

A levitação magnética devido ao efeito Meissner somente, não produziu grandes

resultados, além da pesquisa acadêmica ou aplicação em giro-rotores para sistemas de

navegação aeroespacial [587, 588], em função das forças de repulsão presentes na

interação entre ímãs permanentes e os supercondutores não serem suficientes para a

sustentação de grandes objetos.

Com a descoberta dos materiais supercondutores de alta temperatura crítica, a

partir de 1986, principalmente o Y-Ba-Cu-O, as pesquisas envolvendo a levitação

supercondutora apresentaram um ressurgimento de interesse, motivados pela sua

refrigeração com nitrogênio líquido [589 – 591].

Com a evolução do seu processamento foi possível obter valores de força por

unidade de área significativos e próximos aos principais métodos de levitação

magnética. Além disso, a capacidade de aprisionamento de fluxo devido ao efeito

pinning produz uma estabilidade lateral aos sistemas envolvendo supercondutores,

essencial em equipamentos e trens de levitação magnética.

A levitação neste caso ocorre devido a força de repulsão proporcionada entre um

ímã permanente e correntes persistentes induzidas nos vórtices de fluxo magnético, de

modo que esta força é maior, conforme a magnetização do material supercondutor [20].

Desta maneira, é possível que um ímã flutue sobre um supercondutor ou vice-versa [592

– 594], conforme ilustrado na Figura 3.33.

3.5.3. Mancais Magnéticos

Atualmente, a levitação supercondutora pode ser encontrada em projetos

envolvendo mancais magnéticos passivos e trens de levitação magnética. Usualmente,

eles envolvem um arranjo formado por ímãs permanentes de terras raras, como Nd-Fe-

B, que produzem um campo magnético intenso, e um bloco maciço supercondutor de

alta temperatura crítica (HTS), como o Y-Ba-Cu-O, que combina uma interação de

repulsão e de atração com o ímã devido, respectivamente, aos efeitos Meissner e

pinning.

80

Os supercondutores do tipo II são fabricados com um conjunto de imperfeições

mecânicas em sua estrutura cristalina, de modo a aumentar o número de vórtices de

aprisionamento de fluxo e proporcionar uma levitação naturalmente estável [595].

Figura 3.33. Levitação de um ímã permanente sobre um bloco supercondutor. (Fonte: Laboratório de Aplicações de Supercondutores [596])

Estes mancais passivos são utilizados ainda em conjunto com mancais

magnéticos ativos em sistemas armazenadores cinéticos de energia (flywheels),

operando em câmaras de vácuo, reduzindo o atrito e alcançando dezenas ou centenas

de milhares de rotações por minuto. Estes dispositivos são objetos de estudo de vários

centros de pesquisa no mundo, entre eles o projeto japonês patrocinado pela agência

NEDO [597, 598] e o grupo de Eletrônica de Potência da UFRJ [599 – 607], em função

de seu potencial em sistemas de potência, fontes alternativas de energia ou meios de

transporte [608 – 611].

Os mancais passivos radiais ou axiais, rotativos ou lineares, podem ser

explorados para aplicações em diversos setores [612, 613]. A primeira área a adotar

esta tecnologia foi a indústria criogênica, onde naturalmente os seus equipamentos,

como bombas, cryocoolers ou instrumentos de medição já operam sob resfriamento por

hélio ou nitrogênio líquido, sendo utilizada, principalmente, em sistemas aeroespaciais

[614 – 617].

81

Além destes, os mancais magnéticos supercondutores (SMB) podem ser

aplicados em equipamentos industriais pesados, como bombas, compressores ou

motores [618, 619], em micro atuadores [620], em experimentos científicos e estudos

aerodinâmicos em túnel de vento [621, 622], em sistemas para controle de vibrações

mecânicas [623], em máquinas de precisão na tecelagem [624], ou em ambientes

extremamente limpos, em que todo tipo de contaminação deve ser evitado, como na

indústria química e farmacêutica [625] ou no transporte sem contato de objetos

delicados, como pastilhas ou componentes semicondutores [626, 627].

A utilização crescente de supercondutores em ambiente industrial para setores

diversos, conforme visto acima, associada às grandes perspectivas de adoção destes

materiais em projetos de trens MagLev pelo mundo propiciaram o surgimento de

empresas especializadas na fabricação dos supercondutores em diferentes geometrias

e configurações e sua aplicação em mancais magnéticos rotativos ou lineares, além de

seus respectivos sistemas de refrigeração.

As companhias alemãs Evico [625, 628] e ATZ [629 – 634] têm se destacado no

fornecimento de soluções para a automação industrial, para operação à vácuo, com

manipulação e transporte de materiais, mancais rotativos para flywheels e trabalhado

em parceria com projetos de trens de levitação magnética que empregam

supercondutores.

A escolha dos mancais supercondutores passivos (SMB) apresenta como

vantagens a ausência de uma malha de controle como a existente nos mancais

magnéticos ativos (AMB) e o aumento de eficiência e redução de perdas mecânicas em

comparação aos mancais tradicionais. As desvantagens consistem na necessidade de

um sistema criogênico manter os supercondutores constantemente refrigerados, em

criostatos ou cryocoolers, que consomem energia, além da ausência de controle ativo

da posição de flutuação.

3.5.4. Trens de Levitação Magnética

Atualmente, quatro projetos de trens de levitação magnética supercondutores

(SML) estão sendo alvo de estudo de institutos de pesquisa ao redor do Mundo. Os

projetos, da Alemanha, com o SupraTrans II [635] comandado pelo instituto IFW, do

Brasil, com o MagLev-Cobra [4, 636] conduzido pelo LASUP (COPPE/UFRJ), e da

China, pela Southwest Jiaotong University [637] possuem uma estrutura muito

semelhante, envolvendo a flutuação de supercondutores sobre um trilho de ímãs

permanentes no arranjo de Halbach e propulsão por motor linear de indução (LIM).

82

O MagLev-Cobra, visto na Figura 3.34, é o que se encontra em estado mais

avançado, permanecendo em operação experimental em uma linha de testes de 200

metros e transportando passageiros desde outubro de 2014.

O programa italiano, UAQ4 [638], idealizado pela Universidade de L’Aquila, possui

algumas diferenças no tipo de propulsão e no formato de distribuição dos blocos

supercondutores e está em um estágio tecnológico abaixo dos demais, por não possuir

ainda um protótipo em escala real.

3.5.5. Entretenimento

Além destes projetos relacionados ao transporte urbano de passageiros, uma

peça publicitária sugerida pela companhia de automóveis Lexus divulgou uma versão

de um hoverboard [639], utilizando supercondutores HTS, flutuando sobre uma pista de

skate preenchida com ímãs permanentes de Nd-Fe-B, revelando um potencial comercial

para esta técnica no setor de consumo e de entretenimento.

Figura 3.34. Linha de testes do MagLev-Cobra.

3.6. Levitação Eletrodinâmica (EDL ou EDS)

3.6.1. Princípio de Funcionamento da Levitação Eletrodinâmica Tradicional

A levitação eletrodinâmica tradicional se baseia nas forças de repulsão

provocadas pelo movimento relativo entre um material condutor e campos magnéticos,

produzidos por ímãs permanentes ou eletroímãs.

83

Esta técnica de levitação possui como fundamento a Lei de Faraday, que

estabelece que uma variação do fluxo magnético no tempo, nas proximidades de um

material condutor, produz neste o surgimento de uma força eletromotriz (Fem), e a

consequente circulação de corrente elétrica induzida que atua, de acordo com a Lei de

Lenz, no sentido de se opor ao campo magnético original, evitando a variação de fluxo

magnético no seu interior [640].

Esta variação de fluxo magnético pode ocorrer devido à variação espacial de

campo magnético, com o movimento relativo entre um condutor e um ímã permanente

ou com a variação do campo magnético no tempo produzida por um eletroímã

alimentado por corrente alternada.

A Figura 3.35 ilustra de forma didática este fenômeno em um sistema de levitação

eletrodinâmica tradicionalmente adotado. Ao se mover um ímã permanente de

densidade de fluxo magnético �⃗� , com linhas de campo magnético em vermelho, com

velocidade 𝑣 nas proximidades de uma lâmina condutora, produz-se nesta uma variação

de fluxo magnético, que dá origem a uma força eletromotriz e o surgimento de correntes

induzidas, ou parasitas 𝑖𝑖𝑛𝑑, que circulam, pelo caminho fechado em preto, de tal modo

a gerar uma densidade de fluxo magnético �⃗� 𝑖𝑛𝑑, com linhas de campo magnético em

roxo, responsável por evitar qualquer variação de fluxo magnético no condutor. Desta

forma, o campo magnético induzido se opõe ao campo magnético externo conforme

este se aproxima da lâmina.

Esta interação entre os campos magnéticos dá origem à duas forças, que atuam

em um sistema eletrodinâmico. A força de levitação 𝐹 𝑙𝑒𝑣 e de arraste 𝐹 𝑎𝑟𝑟 são

proporcionadas pela força de repulsão entre os campos magnéticos, atuando,

respectivamente, no sentido de afastar o ímã do condutor e se opor ao movimento do

ímã permanente [19, 641].

É importante ressaltar o comportamento destas duas forças em função da

velocidade de movimento relativo para este sistema. Como é necessário que haja uma

indução de campo magnético, nenhuma força é produzida na situação de um sistema

estático, diferentemente das técnicas de levitação magnéticas vistas anteriormente.

Conforme o movimento relativo ocorre, a força de levitação aumenta até ser capaz de

sustentar o objeto e iniciar a flutuação, atingindo um valor limite a partir de uma

determinada velocidade. A força de arraste por sua vez, aumenta no início do

movimento, alcançando um valor máximo para em seguida reduzir sua intensidade de

forma inversamente proporcional à velocidade, na situação de lâminas condutoras de

pequena espessura [642 – 644].

84

Figura 3.35. Sistema de Levitação Eletrodinâmica Tradicional.

Assumindo a simetria deste sistema e desprezando efeitos de borda próximos as

extremidades da lâmina, o campo magnético produzido pelo ímã permanente pode ser

analisado ao longo do plano 𝑥 − 𝑦. Assim, este campo magnético pode ser expresso

como [334]:

�⃗� = 𝐵𝑥(𝑥, 𝑦)�̂�𝑥 + 𝐵𝑦(𝑥, 𝑦)�̂�𝑦 (3.16)

Considerando que o ímã permanente se move em relação à lâmina condutora com

velocidade relativa 𝑣 = 𝑣𝑥�̂�𝑥, pode-se determinar o campo elétrico induzido nesta a

partir da equação:

�⃗� = 𝑣 x �⃗� (3.17)

Aplicando a lei de Ohm 𝐽 = 𝜎�⃗� , obtém-se o vetor de densidade de corrente

induzida na lâmina:

𝐽 = 𝜎(𝑣 x �⃗� ) (3.18)

A interação entre o campo magnético e a lâmina condutora pode ser obtida através

da força de Lorentz:

𝐹 = ∫ 𝐽 x �⃗� 𝑑𝑉

(3.19)

Estas características da força de levitação e de arraste, revela um melhor

aproveitamento do sistema em altas velocidades, de modo que ele opere com o máximo

da sua força de levitação e com força de arraste reduzida.

85

Este perfil das forças envolvidas em um sistema de levitação eletrodinâmica pode

ser observado na Figura 3.36, para um exemplo numérico, com escala de força por

unidade.

Figura 3.36. Forças de Levitação e de Arrasto em um Sistema Eletrodinâmico.

Os materiais supercondutores também são fortemente empregados em sistemas

de levitação eletrodinâmica (EDL), porém, diferentemente da levitação supercondutora

(SML) que se apoia nos efeitos Meissner e pinning, esta escolha é feita em função da

resistência nula que estes apresentam, quando resfriados abaixo de sua temperatura

crítica, e da capacidade de alguns deles de transportar correntes persistentes muito

elevadas e produzir campos magnéticos muito intensos, permitindo a sua atuação em

entreferros da ordem de dezenas de centímetros e proporcionando forças de levitação

com intensidades apreciáveis para aplicações industriais e de transporte [16].

3.6.2. Levitação Eletrodinâmica por Corrente Alternada

Conforme ressaltado anteriormente, a levitação eletrodinâmica também pode ser

obtida a partir da variação no tempo de campos magnéticos nas proximidades de um

material condutor, sem a necessidade de ocorrência de um movimento relativo entre

eles.

86

A Figura 3.37 ilustra também de maneira didática este sistema de levitação,

considerando um eletroímã e um anel condutor envolvendo o mesmo núcleo

ferromagnético. Nele, o eletroímã alimentado por uma corrente alternada 𝑖(𝑡) produz

uma densidade de fluxo magnético variante no tempo �⃗� (𝑡), com linhas de campo

magnético em vermelho, que induz no condutor, uma força eletromotriz e a sua

consequente corrente induzida 𝑖𝑖𝑛𝑑(𝑡), que circula no material, pelo caminho em

amarelo, de modo a produzir uma densidade de fluxo magnético induzida �⃗� 𝑖𝑛𝑑(𝑡), que

apresenta linhas de fluxo em verde, que se opõe a esta variação de fluxo magnético

imposta [18, 645].

Figura 3.37. Levitação Eletrodinâmica por Corrente Alternada.

Da mesma forma que o sistema eletrodinâmico tradicional, esta interação entre

estes campos magnéticos dá origem ao surgimento de forças de levitação e de arraste,

que atuam no sentido de afastar o eletroímã do condutor e que apresentam perfil

idêntico ao apresentado na Figura 3.36.

A Figura 3.38 demonstra a flutuação de um anel de alumínio sobre uma bobina

alimentada por corrente alternada, com frequência da rede elétrica, separados por uma

distância de 10 cm [646]. Deve-se destacar que a haste central de aço possui duas

funções principais: primeiramente, ela funciona como um prolongamento do núcleo

ferromagnético ao concentrar as linhas de campo magnético e reduzir a relutância do

circuito magnético que se prolonga até o anel condutor, o que torna a operação com

grandes entreferros possível para baixas frequências.

87

Além disto, a haste restringe o movimento horizontal do condutor, ao evitar que a

força de arraste presente no sistema eletrodinâmico afaste o anel da área de ação do

eletroímã, indicando neste caso uma pseudo-levitação, uma vez que o condutor não

pode se movimentar no plano horizontal. Este fato revela que os sistemas

eletrodinâmicos, em geral, possuem estabilidade vertical de repulsão, no qual a força

de levitação está em equilíbrio com a força peso, e instabilidade lateral devido a

presença da força de arraste. Para anular o efeito da força de arraste e estabilizar

lateralmente este sistema, é necessário a utilização de uma bobina concêntrica

adicional, que apresente uma defasagem de 180º da sua corrente em relação a outra

[647, 648].

Figura 3.38. Levitação Eletrodinâmica de um anel de alumínio.

3.6.3. Aplicações da Levitação Eletrodinâmica por Corrente Alternada

3.6.3.1 Aquecimento Indutivo

Historicamente, as primeiras aplicações envolvendo a levitação eletrodinâmica se

originaram na técnica de alimentação por corrente alternada. Entre as décadas de 20 e

de 50 do século XX, surgiram inúmeras propostas da utilização deste método como, por

exemplo, no uso em centrífugas, ou displays de publicidade, devido a sua capacidade

de rotacionar em torno de seu eixo [17], em giroscópios [649], ou no aquecimento

indutivo e fusão de vários tipos de metais, no qual os condutores permaneciam

suspensos sem nenhuma forma de contato com um recipiente, evitando qualquer forma

de contaminação e mantendo o seu grau de pureza [650, 651].

88

No aquecimento indutivo, o condutor permanece suspenso, envolvido pelo

eletroímã alimentado por corrente alternada, que opera em alta-frequência e apresenta

uma geometria não convencional, de modo a produzir um campo magnético não

uniforme e induzir corrente elétrica suficiente no metal, de tal forma que o aquecimento

causado pelo efeito Joule seja capaz de atingir o seu ponto de fusão. Assim, foi possível

o derretimento de diversos tipos de metais e ligas metálicas, como o alumínio, o ouro, o

gálio, o estanho, o titânio e o bronze, possuindo formatos distintos, como o esférico ou

o cilíndrico [652 – 659].

Desde então, esta técnica de aquecimento indutivo tem sido empregada no estudo

de propriedades físicas e experimentos em materiais de interesse na área de Metalurgia

[660], se beneficiando do alto grau de pureza obtido, e em pesquisas aeroespaciais

envolvendo ambientes de micro gravidade [661]. Além destes, soluções comerciais

também foram apresentadas para diversos setores, como a odontologia, a joalheria, e

de componentes eletrônicos, em função da ausência de contaminação e da

possibilidade do metal fundido ser moldado em qualquer formato com alta precisão [662

– 664].

3.6.3.2 Anel de Thomson

A levitação eletrodinâmica por corrente alternada proporcionou também pesquisas

de interesse acadêmico ou comercial através da força de repulsão entre um condutor e

um eletroímã alimentado por corrente alternada, de forma semelhante à ilustrada na

Figura 3.38, que é conhecido na literatura como “Thomson jumping ring”, ou “anel de

Thomson”, em homenagem ao engenheiro britânico Elihu Thomson, que foi o primeiro

a demonstrar a interação entre dois condutores de corrente alternada e que construiu

este aparato em 1887, e que foi seguido dois anos mais tarde pelo compatriota John

Ambrose Fleming, que o popularizou.

De modo geral, este experimento pode ser explorado de duas maneiras: através

de seu efeito transitório ou em regime permanente. No primeiro caso, a alimentação do

eletroímã é iniciada, a partir de uma chave que energiza o circuito. Nesta situação, o

campo magnético produzido pela bobina aumenta em um curto espaço de tempo, o que

induz um pulso de corrente de alta intensidade sobre o anel condutor posicionado logo

acima do eletroímã. A força de repulsão entre eles é suficiente para fazer o anel saltar

do dispositivo em alta velocidade para uma altura além do núcleo central [665 – 673].

89

3.6.3.3 Aplicações Militares

Esta técnica tem sido estudada para aplicações que envolvem o lançamento de

projéteis, conhecidos como “induction coilgun”, onde a parte móvel é ejetada sem

nenhum tipo de contato elétrico com o circuito acionador de disparo. Dentre as

aplicações, destacam-se o seu emprego em equipamentos militares e no setor

aeroespacial, com o lançamento de mísseis e foguetes [674 – 682].

3.6.4. Aplicações Educacionais

As operações em regime permanente ou a transitória deste experimento têm sido

amplamente utilizadas no meio acadêmico como uma demonstração da levitação

eletrodinâmica e do aprendizado de conceitos como a Lei de Faraday-Lenz em

disciplinas de cursos de Engenharia e Física [683, 684]. Várias universidades e institutos

de pesquisa construíram seus próprios protótipos, cada um contando com suas

particularidades, conforme será apresentado a seguir, destacando os trabalhos mais

relevantes.

Em 1968, o professor britânico Eric Laithwaite demonstrou em sua palestra

denominada “The Circle of Magnetism”, no Imperial College London, a flutuação de uma

grande esfera de alumínio sobre um eletroímã alimentado por corrente alternada e

ressaltou a importância de uma bobina secundária com a corrente elétrica defasada de

180º em relação a primeira para obter a estabilidade lateral do sistema [685, 686].

THOMPSON [687] desenvolveu uma proposta didática simples, no qual um

eletroímã flutua sobre uma placa de alumínio, considerando um modelo térmico para

estimar o aumento de temperatura na bobina e um modelo elétrico para calcular a

indutância da bobina, devido à influência do efeito pelicular.

GIERAS [688] introduziu uma série de experimentos envolvendo os principais

tipos de levitação magnética para uma disciplina de pós-graduação, de forma a ilustrar

como estes conceitos são aplicados em trens de levitação magnética. Para o caso da

levitação eletrodinâmica, foi construído um protótipo de escala reduzida de um veículo

composto de alumínio, que é capaz de flutuar e se movimentar de forma estável sobre

um trilho formado por um conjunto de eletroímãs conectados como um primário de um

motor de indução linear do tipo fluxo transversal. Este tipo de motor de indução que

possui a capacidade de suspensão e propulsão será discutido na seção referente aos

trens de levitação eletrodinâmicos.

O departamento de Física do MIT, utilizou o resfriamento por nitrogênio líquido do

anel condutor para reduzir sua resistência elétrica, de modo que ele atingisse maiores

alturas no experimento transitório do anel de Thomson [689].

90

Nos trabalhos conduzidos por BARRY et al, foram elaboradas diferentes

estratégias de controle para a flutuação em regime permanente do anel de Thomson,

como um controlador PD ou por lógica Fuzzy para rejeição de perturbações e manter o

anel em uma posição definida, além de estudos para outros tipos de arranjo de circuito

magnético, evidenciando que conceitos de disciplinas como Máquinas Elétricas,

Sistemas de Controle, Microeletrônica e Eletrônica de Potência também podem ser

explorados por este experimento [648, 690 – 692].

Outros artigos se concentraram em diferentes aspectos como, por exemplo, a

elaboração de um protótipo considerando especificações de segurança [693], ou a

análise de diferentes configurações para o anel condutor, alterando suas dimensões ou

o tipo de tratamento térmico a que é submetido, por têmpera ou recozimento, o que

altera significativamente seu desempenho, ou a sua temperatura de operação [694 –

696].

Foram propostos também, estudos comparativos entre a alimentação do eletroímã

por corrente alternada ou o chaveamento por corrente contínua [697, 698], ou um maior

aprofundamento analítico do modelo para a levitação e a ejeção do anel [699, 700], a

otimização dos parâmetros do sistema [701], além de técnicas de controle não-linear

em tempo real para a flutuação do anel [702].

Por se tratar de um experimento com baixo custo de fabricação, com destaque

apenas para um eletroímã e um anel condutor, e não necessitar, a princípio, de nenhum

tipo de controle para o seu funcionamento, o “anel de Thomson” teve seu uso

disseminado como ferramenta de ensino e de divulgação científica em universidades e

centros de pesquisa ao redor do mundo [703 – 709].

No Brasil, destaca-se o trabalho do LASUP (COPPE/UFRJ), que construiu um

protótipo de demonstração, ilustrado na Figura 3.38, em que foram avaliados o

comportamento da levitação de anéis de alumínio e de cobre, com aproximadamente

as mesmas dimensões, onde observou-se que o alumínio por apresentar menor

densidade, conseguia atingir maiores alturas de flutuação. Além disso, um inversor foi

utilizado para analisar o funcionamento do sistema para diferentes valores de tensão e

de frequência de alimentação do eletroímã [497, 646]. Além desse, uma outra

demonstração da levitação eletrodinâmica também é exibida no Espaço COPPE Miguel

de Simoni de Tecnologia e Desenvolvimento Humano, ilustrando o princípio tradicional

desta flutuação, que pode ser vista na Figura 3.39.

O artigo de da SILVEIRA e AXT [710] apresenta uma explicação qualitativa para

o experimento do “anel de Thomson”, enfatizando que a defasagem entre as correntes

alternadas do eletroímã e a induzida no anel dá origem a uma interação de força entre

eles que oscila entre atração e repulsão ao longo de um ciclo completo da frequência

91

de alimentação, de modo que na média, a força entre eles possui um comportamento

repulsivo, o que justifica o fenômeno da levitação observado. Em seguida, este sistema

foi exibido em feiras de ciências na universidade UNIJUÍ.

Figura 3.39. Modelo didático da levitação eletrodinâmica no espaço COPPE.

Da mesma forma como em outros países, o “anel de Thomson” tem sido

amplamente explorado como recurso educacional e de difusão do conhecimento, como

forma de auxiliar o aprendizado dos conceitos vistos em disciplinas de Física e

Engenharia e, inclusive, motivar e despertar o interesse de estudantes para a área de

Ciência e Tecnologia. Assim, pode-se destacar o trabalho de divulgação realizado,

principalmente, pelo Laboratório Didático do Instituto de Física (LADIF) da UFRJ [711]

e pelos Institutos de Física da Universidade de Brasília (UnB) [712] e da UNICAMP

[713].

Atualmente, algumas empresas fabricantes de produtos educacionais

comercializam kits didáticos do “anel de Thomson”, que incluem diferentes tipos de

dimensões ou de material utilizado para o anel condutor, reforçando os conceitos de

indução eletromagnética da Lei de Faraday-Lenz e de correntes de Foucault [714 – 716].

Além das soluções comerciais, a levitação eletrodinâmica por corrente alternada

pode ser encontrada em museus de Ciência e Tecnologia, que ativam a curiosidade do

visitante, enquanto ensinam conceitos físicos de forma lúdica. Dois exemplos desta

atividade são a flutuação de uma enorme chapa de alumínio sobre um eletroímã

alimentado por corrente alternada, que se encontra exposto no Palais de la Decouverte

[717], em Paris, e um sistema de levitação dual, no qual um eletroímã é suspenso sobre

uma chapa de alumínio, que foi elaborado pela Universidade Estadual de Londrina

(UEL) para ser adaptado aos museus de Ciência e Tecnologia brasileiros [718, 719].

92

3.6.5. Mancal Eletrodinâmico

De maneira semelhante às técnicas de levitação eletromagnética ou

supercondutora, a levitação eletrodinâmica também explora o seu princípio de operação

para aplicações envolvendo máquinas e equipamentos rotativos ou lineares, que não

possuem contato entre a parte fixa e a móvel. A sua principal diferença em relação aos

demais, é a necessidade de um mancal mecânico de suporte (touchdown bearing) [720]

para a situação em que o sistema esteja em baixas velocidades, onde não há uma

geração de força eletromotriz induzida suficiente para produzir uma força de repulsão

capaz de manter a parte fixa e móvel afastadas sem contato.

Em comparação com os mancais magnéticos ativos, os mancais eletrodinâmicos

apresentam como vantagens, a ausência de uma malha de controle e seus elementos

adicionais, como sensores, processadores e amplificadores de potência para a

estabilização de seu sistema, e a possibilidade de operação em maiores velocidades de

rotação em máquinas de grandes diâmetros, em que os rotores suportam melhor às

forças centrífugas impostas [721].

A sua principal desvantagem, além da assinalada acima, é o fato das correntes

de Foucault provocarem, sobretudo para mancais de pequenas dimensões, perdas

ôhmicas elevadas acarretando em aumentos de temperaturas excessivos, que por

vezes inviabilizam esta técnica para uma operação contínua ou prolongada [722]. O

fator de amortecimento reduzido nesta técnica também exige a utilização de algum tipo

de amortecimento externo para evitar oscilações que instabilizem o sistema [22].

Por conta deste inconveniente com o aquecimento provocado pelas correntes

parasitas, a maioria das aplicações envolvendo estes mancais ficou limitada em atender

apenas equipamentos muito específicos com tempo de funcionamento reduzido. A partir

do final da década de 60, surgiram as primeiras alternativas para contornar este

problema, conhecidas como Null-Flux [723, 724], que se basearam em um condutor

posicionado entre ímãs permanentes, de tal forma que as correntes induzidas nele se

anulavam durante a operação normal, e se tornavam diferente de zero apenas nas

situações em que a lâmina condutora se afastava de um ímã e se aproximava de outro,

produzindo uma força restaurativa em direção à centralização do condutor na posição

de equilíbrio [725 – 727].

A utilização de ímãs permanentes em diferentes configurações para os mancais

eletrodinâmicos amplia as possibilidades para obtenção de forças de repulsão maiores.

Uma destas combinações largamente exploradas é a que utiliza o arranjo de Halbach.

93

As chamadas rodas magnéticas consistem em aros formados por ímãs

permanentes posicionados de acordo com o arranjo de Halbach, que ao girarem no

entorno de condutores são capazes de produzir forças de levitação apreciáveis e torque

necessário para o seu movimento [728 – 733].

As principais aplicações desta proposta estão relacionadas ao transporte de

superfícies planas condutoras com alta precisão, como materiais semicondutores para

displays de LCD ou plasma [734, 735], eliminando o contato e qualquer forma de

contaminação, hoverboards flutuando sobre lâminas condutoras para fins de

entretenimento [736], e armazenadores cinéticos de energia para veículos elétricos e

trens de levitação magnética [737 – 739].

No início do século XXI, um novo arranjo de mancal eletrodinâmico que tem se

demonstrado promissor, conhecido como homopolar, também se baseia na redução de

correntes parasitas na operação de elementos rotativos. Neste tipo de mancal, a sua

própria configuração e a geometria eliminam as correntes de Foucault desnecessárias,

não sendo necessário recorrer à circuitos elétricos alternativos conforme os mancais

eletrodinâmicos anteriores. Além disso, ele possui uma forma compacta circular muito

próxima dos mancais mecânicos tradicionais, que pode se adequar facilmente à

estrutura de máquinas [740 – 747]. Este mancal eletrodinâmico, com rotor de alumínio

e estator de ímãs permanentes em anéis pode ser visto na Figura 3.40.

Figura 3.40. Rotor e estator do mancal eletrodinâmico homopolar.

(Fonte: LOPES [747], com permissão)

As aplicações destes mancais se concentram em sistemas com altas velocidades

de rotação, como armazenadores cinéticos de energia para satélites, equipamentos

especiais operando com velocidade constante, e amortecedores eletrodinâmicos para

redução de vibrações mecânicas [748 – 756].

94


3.6.6.1 Primeiras Propostas

As primeiras tentativas de se combinar a propulsão e a levitação magnética

aplicada para meios de transporte remontam ao início do século XX. Em 1902, o

engenheiro alemão Alfred Zehden inventou uma versão de um motor de indução linear,

com uma chapa de alumínio entre um primário de cada lado, dedicado à tração de trens

de passageiros [757].

Em 1912, o engenheiro franco-americano Emile Bachelet registrou uma proposta

de um trem capaz de levitar, por repulsão, se mover e manter-se guiado sobre os trilhos

pela interação entre eletroímãs posicionados nos trilhos e abaixo do veículo. Cada uma

destas três ações era controlada de forma independente e em uma sequência definida

periódica, a partir do acionamento de cada um dos eletroímãs correspondentes [758].

Em 1914, um modelo em escala reduzida foi apresentado com sucesso em uma

exposição científica em Londres, porém, apesar de seu aspecto inovador, a ausência

de tecnologia disponível na época para o seu funcionamento em larga escala foi um

entrave para a sua viabilidade.

Conforme foi apresentado na seção 2.4.2, que tratou dos hovertrains, o

surgimento de meios de transporte não convencionais como estes, ou os trens de

levitação magnética (MagLev), em que o veículo não está em contato com a via, a partir

da década de 60, exigiu dos projetistas encontrar maneiras alternativas para a sua

propulsão. Assim, foram introduzidos ao longo da fase de testes as turbinas aero

geradoras, turbinas a jato, propulsão por foguetes e os motores elétricos lineares de

indução (LIM) e síncronos (LSM).

Sob este contexto histórico, o professor britânico Eric Laithwaite continuou e

aprimorou o trabalho iniciado por Emile Bachelet e Alfred Zehden, ao desenvolver um

motor de indução linear com capacidade de propulsão e levitação magnética, ambos

produzidos pelo mesmo efeito de indução eletromagnética.

Primeiramente, durante a realização de testes para o projeto do Hovertrain

britânico ele demonstrou que o motor linear proposto por Zehden era inadequado para

o transporte em altas velocidades, sobretudo por razões de segurança, uma vez que as

chapas de alumínio poderiam sofrer deformações e as suas junções reduziam a força

de propulsão [759 – 761].

95

Em seguida, ele desenvolveu o conceito conhecido como “magnetic river”, no qual

semelhante a um rio que empurra um objeto em direção a correnteza, assim um material

condutor seria empurrado por ação do campo magnético trafegante formado por

eletroímãs nos trilhos na direção de tração do motor, e como consequência o veículo

atrelado ao condutor também seria movimentado.

Inspirado pela suspensão de esferas e discos condutores que utilizavam a técnica

de levitação eletrodinâmica por corrente alternada, Laithwaite elaborou uma proposta

equivalente na qual era possível flutuar e mover uma placa condutora de acordo com o

acionamento dos eletroímãs abaixo dele. Assim, ele concebeu o motor de indução linear

de fluxo transversal (TFM), no qual o fluxo magnético principal do primário é transversal

ao movimento provocado pela propulsão, reduzindo a quantidade de núcleo

ferromagnético empregada e o peso total do veículo [761 – 763].

3.6.6.2 Propulsão de Foguetes

Conforme visto anteriormente, a técnica de levitação eletrodinâmica tem sido

estudada para o lançamento de projéteis para aplicações militares, como o coilgun. Da

mesma forma, ela é um método de levitação magnética alternativo adequado para o

lançamento e a propulsão de foguetes e satélites para o espaço.

Ao final da década de 60, GUDERJAHN et al [764, 765] idealizaram uma proposta

na qual bobinas supercondutoras no foguete produzem campos magnéticos intensos e,

por sua vez, induzem correntes parasitas de alta intensidade nas paredes condutoras

de um longo tubo a vácuo proporcionando forças de repulsão e de tração, responsáveis

por movimentá-lo sem contato e atingindo velocidades de 5000 m/s.

A agência espacial americana NASA tem, desde o final do século XX, investigado

técnicas alternativas para o lançamento de foguetes e ônibus espaciais como forma de

reduzir os altos custos empregados nesta tarefa. Uma destas técnicas é a chamada

assistência de lançamento magnética, que consiste em um sistema de levitação

eletrodinâmica para suspensão e o uso de motores lineares para a propulsão. As

diferentes configurações avaliadas consideraram o uso de bobinas supercondutoras e

eletroímãs convencionais para a levitação e a suspensão por um motor síncrono linear

nos trilhos.

Outra possibilidade, conhecida como Inductrack, utiliza ímãs permanentes em

arranjo de Halbach no veículo, enquanto bobinas curto-circuitadas de reação nos trilhos,

induzem correntes parasitas produzindo forças de repulsão, enquanto eletroímãs

independentes controlam a tração. Além dessas, um outro protótipo considerou o uso

de um motor de indução linear na via produzindo um campo magnético para suspender

uma chapa de alumínio no foguete e movimentá-lo [766 – 769].

96

O projeto StarTram planeja realizar o lançamento de foguetes através de um tubo

à vácuo, no qual o veículo percorre sem contato com a via até atingir a velocidade de

escape necessária para sua ejeção ao espaço. Durante o trajeto, o foguete é suspenso

pela levitação eletrodinâmica, em que bobinas supercondutoras atreladas a ele

produzem um campo magnético intenso, que induzem correntes parasitas em

condutores de alumínio nas bordas do tubo, em um arranjo do tipo Null-Flux, de forma

a proporcionar uma força de repulsão [770, 771].

Outros programas espaciais também analisaram diferentes topologias para a

propulsão de foguetes, satélites e veículos para o espaço [772 – 780]. Os seus grandes

desafios tecnológicos estão na capacidade destes sistemas imprimirem uma grande

quantidade de tração em um curto intervalo de tempo, enquanto espera-se uma redução

significativa nas dimensões dos veículos, com a diminuição do consumo de combustível

total exigido em uma missão espacial. Este mesmo argumento favorável tem sido

avaliado em pesquisas envolvendo o uso esta tecnologia de levitação magnética no

auxílio da decolagem e da aterrissagem de aeronaves reduzindo ainda, o impacto

ambiental e o ruído [781 – 783].

3.6.6.3 Trens de Levitação Magnética

Da mesma forma como no caso dos demais métodos de levitação magnética, a

técnica eletrodinâmica despertou o interesse de diversos projetos ao redor do mundo,

de modo a explorar as suas potencialidades como, por exemplo, a ausência de

complexos sistemas de controle existentes em trens de levitação eletromagnética

(ativa), e a simplicidade conceitual do princípio de indução eletromagnética e suas

forças de repulsão.

Assim, foram concebidos variados conceitos para veículos urbanos e de altas

velocidades. A seguir será apresentado um resumo dos principais projetos de cada um

destes segmentos.

O projeto de MagLev urbano desenvolvido pela empresa americana General

Atomics, na cidade de San Diego (EUA), consiste na utilização de um duplo conjunto de

ímãs permanentes no arranjo Halbach no veículo, com uma lâmina condutora entre eles

junto a via. Ao iniciar seu movimento, ainda sobre rodas, os ímãs induzem correntes

parasitas no condutor, que produzem uma força de repulsão e, conforme o aumento da

velocidade de tração, torna-se suficiente para suspender o trem.

97

A sua propulsão é fornecida por um motor síncrono linear (LSM), onde bobinas

condutoras no solo formam a armadura e o campo é devido aos próprios conjuntos de

ímãs permanentes. A sua operação é com um alto valor de entreferro, em torno de 25

cm, com velocidade máxima de 160 km/h, em um veículo em escala real com 13 metros

de extensão, e tem sido testado em uma linha experimental de 500 metros [784, 785].

O projeto de MagLev de alta velocidade eletrodinâmico japonês, conhecido como

SCMagLev, é do ponto de vista de seu estudo, planejamento e execução, o mais antigo

do mundo, surgido na década de 60, fruto de um estudo do governo japonês em busca

de uma nova tecnologia para os trens de alta velocidade, em substituição ao

convencional Tokaido Shinkansen.

Este veículo de levitação eletrodinâmica utiliza bobinas supercondutoras com alta

capacidade de circulação de correntes, que estão inseridas nas paredes do veículo, e

por sua vez geram campos magnéticos intensos que ao se movimentarem induzem

correntes parasitas intensas em bobinas convencionais situadas nas laterais da via. Ao

atingir uma determinada velocidade, a interação entre estas correntes produz uma força

de repulsão que suspende o trem.

Um engenhoso arranjo geométrico nos condutores da via, proposto por POWELL

e DANBY [725], conhecido como Null-Flux, torna o veículo estável durante a sua

operação, uma vez que qualquer deslocamento vertical ou lateral proporciona forças

restaurativas que atuam no sentido de movê-lo novamente para a sua posição de

equilíbrio, flutuando a uma altura de aproximadamente 10 cm do solo. A propulsão do

veículo é feita por um motor síncrono linear onde outro conjunto de bobinas nas paredes

da via correspondem a armadura, e o campo é produzido pelas mesmas bobinas

supercondutoras dispostas no trem. Estas bobinas supercondutoras são resfriadas em

temperaturas criogênicas com Hélio líquido e contam com um sistema de refrigeração

em dois estágios.

Entre 1977 e 1997, os primeiros protótipos foram analisados na linha de testes de

7 km em Miyazaki, onde o veículo ML-500 atingiu velocidades superiores a 500 km/h.

Em seguida, uma nova linha foi construída em Yamanashi, com extensão atual de 42,8

km em via dupla, com curvas e diferentes graus de inclinação, simulando um terreno

com relevo real. O protótipo L0 atual, ilustrado na Figura 3.41, possui escala real de um

trem de transporte de passageiros com até doze vagões e conquistou, em abril de 2015,

o recorde mundial de velocidade para um veículo terrestre alcançando 603 km/h.

98

O consórcio responsável pelo projeto estima para o ano de 2027 o início da

operação comercial da linha de trens de alta velocidade Chuo Shinkansen, com a

conexão entre as cidades de Tóquio e Nagoia, e em 2045 o estabelecimento de um

novo corredor de alta velocidade entre as cidades de Tóquio e Osaka com esta

tecnologia [786 – 788].

Figura 3.41. Protótipo L0 na linha de testes em Yamanashi (Japão).


3.6.6.4 Outros Projetos

Em 2013, o empreendedor sul-africano Elon Musk idealizou um meio de transporte

de passageiros ou de cargas capaz de se mover com velocidades de até 1200 km/h em

um tubo à vácuo, percorrendo o trajeto entre as cidades de Los Angeles e San

Francisco, na Califórnia (EUA), em apenas 30 minutos, superando as velocidades de

aeronaves. O estudo inicial sugerido pela companhia SpaceX sugeria a flutuação do

veículo, o Hyperloop Alpha, através da técnica por colchão de ar (ACV) operando em

um tubo sob vácuo parcial. Um motor elétrico linear seria responsável pela propulsão,

com a energia elétrica produzida por painéis solares [790]. Este projeto foi considerado

de “código aberto”, de modo a incentivar diversos grupos a elaborar estudos

semelhantes e produzir aprimoramentos [791].

A empresa Hyperloop One surgiu, em 2014, com o intuito de desenvolver este

projeto, porém diferentemente do conceito original, a levitação sugerida foi substituída

pela levitação eletrodinâmica passiva com a configuração Inducktrack, no qual ímãs

permanentes em arranjo Halbach no veículo, ao se movimentarem, induzem correntes

parasitas em bobinas condutoras curto-circuitadas ao longo do tubo.

99

Em 2016, sistema de propulsão foi submetido a testes em uma área no deserto

de Nevada (EUA), onde alcançou uma velocidade de 180 km/h, com uma aceleração

de 2,5 g. Atualmente, está sendo construído o primeiro trecho de 3,2 km de tubo para

estudos dos sistemas de vácuo e de levitação, com expectativa de funcionamento até o

final do primeiro semestre de 2017. Estudos de viabilidade técnica deste projeto foram

feitos para a Finlândia, para a Rússia e para a cidade de Dubai, nos Emirados Árabes

Unidos (EAU) [792].

A startup Hyperloop Transport Technology (HTT) tem desenvolvido, desde 2013,

um programa semelhante ao Hyperloop One, incluindo o mesmo tipo de levitação

eletrodinâmica passiva, que foi escolhido em 2016, após um acordo com o Lawrence

Livermore National Laboratory, idealizador desta configuração. Em 2015, foi iniciada a

construção de uma linha de testes de 8 km em Quay Valley, na Califórnia e em janeiro

de 2017, um novo centro de pesquisa e desenvolvimento foi planejado para a cidade de

Toulouse, na França. Estudos de viabilidade técnica foram conduzidos para a

Eslováquia, para a República Tcheca, para a cidade de Jacarta, na Indonésia, e para

uma conexão entre as cidades de Abu Dhabi e Al Ain, nos EAU [793].

O projeto canadense TransPod surgiu em 2016 com o mesmo princípio de

funcionamento dos anteriores, porém com o principal objetivo de realizar uma conexão

entre as regiões metropolitanas de Montreal e Toronto, no Canadá [794]. Diversos

centros de pesquisa e universidades têm se empenhado para apresentar protótipos do

Hyperloop, com destaque para a equipe do MIT, que venceu, em 2016, uma competição

patrocinada pela SpaceX, apresentando o método de levitação eletrodinâmica em seu

protótipo [795].

O princípio do Inductrack também é encontrado no projeto skyTran, que consiste

em um veículo automatizado e pessoal rápido (PRT), de até dois passageiros, que

funciona suspenso, abaixo de uma via elevada, de forma que a levitação eletrodinâmica

garante a ausência de contato entre eles. O principal objetivo deste meio de transporte

é reduzir a poluição e o consumo de combustíveis fósseis para os automóveis e eliminar

os congestionamentos ao se tornar uma alternativa a eles. O design compacto do

veículo permite um perfil aerodinâmico capaz de atingir altas velocidades e a construção

de estruturas leves e de baixo impacto visual. Em junho de 2014, foi firmado um contrato

para a construção de uma linha de demonstração de 300 metros no campus do Israel

Aerospace Industries (IAI), em Tel-Aviv, ainda em andamento. Atualmente, a cidade de

Lagos, na Nigéria, e a ilha artificial de Yas, em Abu Dhabi (EAU), demonstraram

interesse nesta tecnologia [796 – 798].

100

3.7. Levitação Mixed-µ

Além dos métodos de levitação magnética tradicionais, existe ainda uma técnica

de suspensão de objetos que envolve a utilização de vários tipos de materiais com

permeabilidades magnéticas diferentes, como supercondutores, condutores e materiais

ferromagnéticos e combina dois ou mais dos métodos vistos anteriormente, derivando

assim a origem do seu nome. De forma geral, a levitação magnética do tipo Mixed-µ

combina as forças atrativas da levitação eletromagnética e as forças repulsivas da

levitação diamagnética para garantir um sistema estável em malha aberta.

Vários experimentos realizados para esta técnica produziram a levitação de um

material ferromagnético nas proximidades de um eletroímã e de um material

supercondutor. Conforme visto na técnica de levitação eletromagnética, a suspensão

deste tipo de material pela ação de um condutor com corrente constante é instável, uma

vez que o ferro é atraído pelo eletroímã por uma força constante e a sua tendência será

cair ou ficar atrelado ao eletroímã, caso esteja abaixo ou acima da posição de equilíbrio,

respectivamente. A estabilidade deste sistema, no entanto, não é fornecida por um

circuito de controle de posição e de corrente, mas da característica diamagnética de um

material supercondutor entre eles.

O supercondutor do tipo I ao ser resfriado abaixo da temperatura crítica encontra-

se no estado Meissner e, na presença de um campo magnético produzido pelo

eletroímã, surgem correntes de blindagem que circulam sobre a sua superfície no

sentido de impedir a penetração de campo magnético no seu interior, gerando uma força

de repulsão entre eles. Esta força, por sua vez, também ocorre entre o supercondutor e

o material ferromagnético, evitando qualquer forma de contato entre eles. Desta forma,

a força de atração entre o condutor e o ferro é limitada pela presença do supercondutor

que os separa [799].

Por se tratar de um tipo de levitação de análise mais complexa, por envolver uma

variedade de materiais com características magnéticas distintas e ter sido idealizada

apenas na década de 70, o seu número de aplicações é reduzido. Entretanto, a

possibilidade da suspensão de um trem de levitação sobre um trilho ferromagnético,

semelhante ao caso eletromagnético, porém sem a necessidade de uma malha de

controle e seus sistemas auxiliares, incentivou rapidamente o surgimento das primeiras

propostas de veículos de levitação magnética calcados neste princípio para o transporte

em alta velocidade, urbano ou inclusive no espaço, em atividades futuras de colonização

[800 – 803].

101

Recentemente, novas investigações sugeriram o emprego de supercondutores

de alta temperatura crítica (HTS) do tipo II de forma a explorar o efeito pinning

encontrado nestes materiais durante o estado misto nestes sistemas [804 – 806].

3.8. Conclusão

Este capítulo apresentou o princípio de funcionamento e um panorama completo

das aplicações encontradas na levitação magnética de ímãs permanentes,

diamagnética, eletromagnética, supercondutora, eletrodinâmica e mixed-µ.

Foi possível observar que a levitação eletromagnética (EML) é a que mais se

encontra em estágio avançado em sua tecnologia, em função do longo tempo de

pesquisa desde o início do século XX, e do avanço tecnológico dos materiais, dos

motores elétricos, da eletrônica de potência e do sensoriamento, o que justifica o maior

número de setores em que ela é encontrada.

Além das tradicionais áreas em que a levitação magnética é aplicada, como nos

transportes, com os trens de levitação magnética, e na indústria, com os mancais

magnéticos, ela também já é utilizada em bens de consumo tecnológicos, como

impressoras, luminárias, brinquedos, produtos educacionais, de decoração e de

entretenimento, conseguindo arrecadar facilmente dinheiro para a elaboração de seus

projetos em plataformas de financiamento coletivo (crowdfunding). Assim, foram

concebidos os produtos LunaLuxx, Air Bonsai, OM/ONE e Mars, o que revela o apelo

estético e comercial da levitação magnética, e o fascínio que exercem em seus clientes.

Sendo assim, o avanço desta tecnologia pode proporcionar cada vez mais inovações

neste mercado, ampliando o número de segmentos em que ela é adotada.

A levitação eletrodinâmica e, mais recentemente, a levitação supercondutora tem

evoluído e ampliando a sua área de atuação com projetos economicamente e

tecnologicamente viáveis nos setores de transporte de passageiros, propulsão de

foguetes, aquecimento indutivo e mancais magnéticos.

102

4. Conclusões

Este trabalho apresentou todas as tecnologias existentes capazes de suspender

objetos e suas respectivas aplicações. De modo geral, é possível dividir estas técnicas

de acordo com a origem das forças que produzem a levitação. Assim, as levitações

acústica, aerostática e aerodinâmica derivam de forças Mecânicas, enquanto que as

levitações óptica, eletrostática e magnética vêm de forças do Eletromagnetismo.

Conforme foi apresentado, apesar de algumas técnicas pertencerem ao mesmo

grupo, Mecânica ou Eletromagnetismo, as forças capazes de levitarem objetos não

possuem a mesma ordem de grandeza, variando drasticamente de uma para outra e,

consequentemente, adequando-se a uma determinada aplicação.

A Tabela 4.1, baseada em PARADIS et al [233], apresenta uma comparação entre

as diferentes técnicas de levitação, em relação ao tipo de material que ele é capaz de

suspender e a ordem de grandeza típica do seu gap de levitação, além de algumas de

suas aplicações mais relevantes.

É possível observar, no entanto, a extensa variedade de aplicações nas quais as

técnicas de levitação estão inseridas. De estudos atômicos e biológicos à flutuação de

trens com centenas de toneladas, de pesquisas com micro gravidade à suspensão de

aeronaves, de brinquedos ao coração artificial, de cortadores de grama à levitação de

rotores de máquinas e equipamentos ou da indústria de semicondutores à ultra

centrífugas de enriquecimento de urânio.

É notável ainda, a participação crescente de produtos e meios de transporte sem

nenhuma forma de contato no dia a dia da população, retirando a imagem futurista ou

de ficção sobre esta tecnologia. Deve-se ressaltar o extraordinário avanço obtido ao

longo dos séculos com as técnicas aerostáticas e aerodinâmicas, que atingiram um grau

de maturidade tecnológica na primeira metade do século XX, revolucionando a

humanidade com a introdução de aeronaves, ao reduzir substancialmente tempos de

deslocamento e contribuindo para um fluxo global de pessoas, mercadorias e serviços.

Destaca-se, com o aprimoramento da eletrônica e dos materiais, na segunda

metade do século XX, uma maior atenção para a levitação magnética e suas

promissoras aplicações. Ao superar a técnica aerostática em pesquisas sobre meios de

transporte não convencionais, ela atraiu mais interesse e esforços na substituição de

trens convencionais pelos trens MagLev, mais eficientes e ecologicamente limpos.

103

Tabela 4.1. Comparação entre as técnicas de levitação.

Técnica de

Levitação

Material

Aplicações Típicas

Tipo

Ordem de

grandeza

(gap)

Acústica

Qualquer

cm

Processamento de

materiais e estudos

biológicos

Óptica

Qualquer

nm a µm

Manipulação de partículas

e estudos biológicos

Aerostática

Qualquer

mm

Mancais fluidostáticos e

hovercrafts

Aerodinâmica

Qualquer

mm

Aeronaves e mancais

fluidodinâmicos

Eletrostática

Condutor ou

semicondutor

mm

Processamento de

materiais, MEMS

Eletromagnética

Ferromagnético

mm

Mancais magnéticos ativos

e MagLev EML

Eletrodinâmica

Condutor

cm

MagLev EDL e mancais

magnéticos

eletrodinâmicos

Supercondutora

Diamagnético ou

Ferromagnético

mm

Mancais Supercondutores

e MagLev SML

Mixed-µ Ferromagnético mm Mancais magnéticos

104

Dentro da levitação magnética, três técnicas se sobressaíram em função de seu

potencial. Inicialmente, a levitação eletromagnética (EML), seguida pela eletrodinâmica

(EDL) e por fim, pela supercondutora (SML).

A levitação eletromagnética (EML), devido ao seu estudo desde o início do século

XX e a evolução tecnológica, alcançou um maior grau de conhecimento e maturidade,

sendo aplicada com sucesso em trens operando comercialmente na China, no Japão e

na Coreia do Sul, além dos mancais magnéticos ativos em diversos setores, como o

petroquímico, de alimentos e na área da saúde.

A levitação eletrodinâmica (EDL) tradicional, mais adequada para trens de altas

velocidades, só evoluiu a partir da década de 60, com o início do projeto de trem MagLev

japonês Chuo Shinkansen, planejado para conectar Tóquio a Osaka. Os mancais

magnéticos eletrodinâmicos conseguiram maior destaque apenas no início do século

XXI, com a configuração homopolar.

A levitação supercondutora (SML) só progrediu de maneira comercialmente viável,

após a década de 80, com a descoberta de materiais supercondutores do tipo II de alta

temperatura crítica (HTS), como o Y-Ba-Cu-O, e o desenvolvimento de materiais

magnéticos de alta densidade de energia magnética, como o Nd-Fe-B. A partir disto, foi

possível conceber mancais magnéticos e trens MagLev supercondutores, com

refrigeração por nitrogênio líquido (LN2).

A Tabela 4.2, baseada em STEPHAN et al [14], apresenta uma comparação entre

as técnicas de levitação magnética mais importantes, indicando o entreferro típico de

operação, a pressão magnética, que indica a força de levitação por unidade de área

sobre o objeto e os projetos de trens de levitação magnética mais relevantes e o seus

respectivos status atuais.

Conforme pode ser observado, a levitação eletromagnética possui maior

capacidade de força por unidade de área em relação às demais, constituindo a sua

maior vantagem comparativa, ao custo da necessidade de uma malha de controle para

a suspensão, o que aumenta a sua complexidade e a robustez e o peso da estrutura.

Atualmente, quatro trens MagLev desta técnica já estão em operação comercial:

além dos três destacados, o Transrapid (China) de alta velocidade, e os urbanos

ECOBEE (Coreia do Sul) e HSST Linimo (Japão), a cidade chinesa de Changsha

inaugurou sua linha urbana em maio de 2016. Os projetos das demais técnicas ainda

se encontram na etapa de testes e consolidação da tecnologia, com o trem

eletrodinâmico japonês em estágio mais avançado para a comercialização.

105

Tabela 4.2. Comparação entre as técnicas de levitação magnética.

Técnica de

Levitação

Entreferro

típico

Ordem de

grandeza da

pressão

magnética

(N/cm²)

Trens MagLev

mais relevantes

Status

atual

Eletromagnética

(EML)

Milímetros

100

Transrapid (China),

HSST Linimo

(Japão) e ECOBEE

(Coreia do Sul)

Operação

Comercial

Eletrodinâmica

(EDL)

Centímetros

10

Chuo Shinkansen

(Japão)

Testes

Supercondutora

(SML)

Milímetros

10

MagLev-Cobra

(Brasil) e

SupraTrans II

(Alemanha)

Testes

Sob o ponto de vista tecnológico, os trens de levitação magnética, de forma geral,

apresentam uma série de vantagens sobre os trens convencionais do tipo roda-trilho. A

ausência de contato mecânico, evita o desgaste de componentes, reduz a necessidade

de manutenção e de perdas por atrito, diminuindo substancialmente o nível de ruído, o

que é vital para o uso deste transporte de superfície em áreas urbanas, além de possuir

maior capacidade de atingir maiores velocidades, sem a limitação mecânica. A utilização

de motores elétricos lineares para a sua propulsão elimina a dependência de

combustíveis fósseis, reduzindo a incerteza econômica com a variabilidade do preço

deste insumo e a “pegada ambiental”, sendo o MagLev ecologicamente sustentável.

Com estas vantagens, os trens de levitação magnética podem ser adotados como

meios de transporte de superfície em cidades evitando as complexas obras civis de

túneis e passagens subterrâneas, que consomem maiores tempos e custos de

execução.

106

Além disso, por conta da distribuição uniforme de carga ao longo da via, os trens

MagLevs, podem operar em vias elevadas, com estruturas mais compactas e se

integrado à paisagem da cidade. O seu principal inconveniente em relação aos trens de

roda trilho são os custos de adoção da tecnologia, por conta da diferença do nível de

maturidade tecnológica entre elas. Estas comparações podem ser sintetizadas de

acordo com STEPHAN [807] na Tabela 4.3.

Tabela 4.3. Comparação entre o trem MagLev e o convencional Roda-Trilho.

(Fonte: STEPHAN [807], com permissão)

Sob o ponto de vista histórico, pode-se notar, no início da segunda metade do

século XX, um movimento mundial para o desenvolvimento do transporte de

passageiros de alta velocidade, o que consolidou a tecnologia de trens convencionais

roda-trilho nesta área. A partir da inauguração do trem bala japonês Tokaido

Shinkansen, em 1º de outubro de 1964, o primeiro marco tecnológico nesta área, o seu

funcionamento começou a ser difundido e adotado na Europa, por exemplo, na França,

na Itália, na Espanha e na Alemanha.

Esta sequência de operação dos trens de alta velocidade (TAV) pode ser

representada de acordo com o conceito da curva S, que representa as etapas de

inovação, massificação e saturação de adoção de uma tecnologia.

107

A Figura 4.1 ilustra como a curva S, em preto, corresponde ao fenômeno de

implantação de linhas de trens de alta velocidade no mundo. De forma análoga, este

princípio pode ser transferido para a adoção de trens de levitação magnética de alta

velocidade. Considerando o primeiro marco tecnológico, como o Transrapid,

desenvolvido na Alemanha, desde a década de 70, e que entrou em operação comercial

na China, em 2003, pode-se estimar um comportamento semelhante para a curva S,

em vermelho, com a linha japonesa Chuo Shinkansen, prevista para 2027, seguido de

outros projetos que corresponderão as etapas de massificação desta tecnologia.

Figura 4.1. Curvas S de adoção de novas tecnologias exemplificando os TAV´s.

(Fonte: STEPHAN [808], com permissão)

Em face deste cenário atual do estado da arte da tecnologia de levitação

magnética, que a cada momento amplia a sua área de mercado, como a de transportes,

industrial e de bens de consumo, atingindo cada vez mais pessoas e melhorando as

suas vidas, pode-se obter uma perspectiva futura positiva para a adoção de trens de

levitação magnética, tanto urbanos, quanto de alta-velocidade. Assim, de acordo com

as palavras do Instituto Coreano de Máquinas e Materiais (KIMM) pode-se concluir que

“Os Trens MagLev não são apenas trens convencionais, mas asas que ajudam a

humanidade a dar mais um salto avante em direção ao futuro”. (KIMM, Center for Urban

MagLev Program)

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http://www.if.ufrj.br/~pef/aulas_seminarios/seminarios/2015_1_06_stephan.pdf –


[808] STEPHAN, R. M. “Levitação Magnética: Um assunto estratégico para o

desenvolvimento do Brasil”. Revista do Crea-RJ, n. 84, pp. 12–15, Setembro/Outubro de

2010.

http://www.skytran.com/

http://www.if.ufrj.br/~pef/aulas_seminarios/seminarios/2015_1_06_stephan.pdf