Acionamento por motor elétrico de rotor apoiado por mancal magnético com controle uniaxial por Fernando Antonio Camargo - Versão HTML

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ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECATRÔNICA E DE SISTEMAS

MECÂNICOS

FERNANDO ANTONIO CAMARGO

Acionamento por motor elétrico de rotor apoiado por mancal

magnético com controle uniaxial.

São Paulo

2011

Fernando Antonio Camargo

Acionamento por motor elétrico de rotor apoiado por mancal

magnético com controle uniaxial.

Dissertação apresentada à Escola Politécnica

da Universidade de São Paulo para obtenção

do título de Mestre em Engenharia Mecânica.

Área de Concentração: Engenharia de Controle

e Automação Mecânica

Orientador: Prof. Dr. Oswaldo Horikawa

São Paulo

2011

AUTORIZAÇÃO

Autorizo a reprodução e divulgação total ou parcial deste trabalho, por

qualquer meio convencional ou eletrônico, para fins de estudo e pesquisa, desde

que citada a fonte.

Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, sob

responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador.

São Paulo, 06 de Setembro de 2011.

Assinatura do autor:

______________________________

Fernando Antonio Camargo

Assinatura do orientador:

______________________________

Prof. Dr. Oswaldo Horikawa

CATALOGAÇÃO DA PUBLICAÇÃO

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA DIVISÃO DE BIBLIOTECA DA

ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

CAMARGO, Fernando Antonio

Acionamento por motor elétrico de rotor apoiado por mancal

magnético com controle uniaxial / F. A. Camargo. -- ed. rev. --

São Paulo, 2011.

165p.

Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade

de São Paulo. Departamento de Engenharia Mecatrônica e de

Sistemas Mecânicos.

1. Motores elétricos 2. Rotor 3. Mancais I, Universidade de

São Paulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia

Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos II. t.

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FOLHA DE APROVAÇÃO

i

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho aos meus pais,

Fernando e Amália, por todos os esforços e

sacrifícios que fizeram para colocar-me no

caminho do saber.

ii

AGRADECIMENTOS

A realização deste trabalho não seria possível sem a colaboração, direta e

indireta, de inúmeras pessoas. Foram suas palavras de incentivo, sugestões e

demonstrações de amizade que me motivaram ao longo destes dois anos e

alguns meses. Em particular devo destacar a paciência e apoio de minha amada

esposa Desirée e de meus queridos filhos Desirée Pérola, Fernando Filho,

Amanda Cristina, Mario Henrique e Luiz Guilherme. Sem o suporte e apoio deles

não teria conseguido concluir este mestrado.

Agradeço ao meu grande amigo Eng. Orlando Homen de Mello pelo apoio. Foi

ele que me apresentou o programa de mestrado da POLI e incentivou-me para

ingressar no mesmo. Sem ele este trabalho não existiria.

Em especial devo agradecer ao meu primeiro mestre de “Eletromag”, Prof. José

Roberto Cardoso, que tanto me ajudou na decisão de fazer o Mestrado, após

trabalhar como Engenheiro por 29 anos na iniciativa privada.

Não tenho palavras para agradecer ao meu orientador Prof. Dr. Oswaldo

Horikawa pela oportunidade e paciência. Seu direcionamento seguro e profundo

conhecimento foram fundamentais em todos os meus estudos e experimentos.

Foi um privilégio tê-lo como orientador.

Um benefício adicional do mestrado foi conhecer o Prof. Dr. Isaias da Silva e Prof.

Dr. Ivan E. Chabu. Muito me ajudaram ao esclarecer, com muita paciência,

minhas dúvidas. Invejo os alunos que os tiveram como mestre.

Também agradeço ao Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas

Mecânicos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, pela

oportunidade de realização do mestrado.

iii

EPÍGRAFE

“Tenho a impressão de ter sido uma criança

brincando à beira-mar, divertindo-me em

descobrir uma pedrinha mais lisa ou uma

concha mais bonita que as outras, enquanto

o imenso oceano da verdade continua

misterioso diante de meus olhos” (Sir Isaac

Newton).

iv

RESUMO

CAMARGO, Fernando Antonio. Acionamento por motor elétrico de rotor

apoiado por mancal magnético com controle uniaxial. Ed.rev. 2011.

165p. Dissertação (Mestrado) - Departamento de Engenharia

Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos, Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo, São Paulo, 2011.

A Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP) e o

Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia (IDPC) estão realizando um projeto

conjunto visando o desenvolvimento de um implante Dispositivo de Assistência

Ventricular (DAV). Esta dissertação é parte do desenvolvimento de um VAD

implantável em que o rotor da bomba é suspenso por uma suspensão magnética

com um grau de liberdade (1-DOF). A suspensão magnética aqui utilizada

apresenta o controle ativo somente na direção axial do rotor. Este mancal

magnético foi apresentado por Silva e Horikawa (2000) no qual o controle ativo é

executado apenas na direção axial do rotor. Neste trabalho o mancal magnético

será referenciado como MMA-EPUSP. O motor de corrente contínua sem

escovas (BLDC) foi selecionado pelo mesmo motivo que o mancal magnético: o

motor não pode ter nenhum contato com o rotor, minimizando os problemas de

danos aos componentes do sangue. Entretanto, o acionamento do motor através

de forças magnéticas pode interferir na suspensão magnética. Como a

estabilidade da suspensão magnética é garantida pela rigidez axial, é razoável

presumir que a interação magnética entre o mancal magnético e o motor elétrico

pode interferir na suspensão magnética. Este estudo analisa experimentalmente

o motor BLDC com rotor apoiado pelo MMA-EPUSP, para identificar o

comportamento desse conjunto utilizando duas configurações distintas de motor

com fluxo magnético: radial e axial. A análise inclui: (i) projeto, construção e teste

de um motor BLDC axial e um radial; (ii) projeto, construção e teste do MMA-

EPUSP e do rotor para ser acionado pelos motores BLDC; (iii) estimativa do

comportamento dos motores BLDC utilizando análise MEF; e (iv) execução dos

testes experimentais para identificar como cada opção de montagem do motor

interage com o MMA-EPUSP. A análise MEF corrobora com a recomendação do

motor BLDC de fluxo magnético radial como a melhor opção de motorização para

v

o DAV com o MMA-EPUSP, já que este motor não induz nenhuma força

magnética axial que precise ser compensada pela suspensão magnética.

Entretanto, o projeto do DAV pode ser mais complexo devido à interferência

mecânica entre a saída do sangue do DAV e o estator do motor. Já a força

magnética axial induzida pelo motor BLDC de fluxo axial é suficientemente forte

para desestabilizar o MMA-EPUSP, demandando uma alta corrente do controle

de posição do rotor. Os dados indicam que o projeto do controlador atual não

conseguirá garantir a estabilidade do mancal magnético com este tipo de motor a

altas velocidades. Neste caso, estudos adicionais são recomendados para avaliar

a estabilidade dinâmica do rotor com MMA-EPUSP com o rotor imerso em

“sangue”, já que um ambiente líquido poderá absorver a energia das oscilações e

minimizar as restrições associadas à instabilidade da suspensão magnética a

velocidades inferiores a 5000 RPM.

Palavras chaves: Motores elétricos. Rotor. Mancais.

vi

ABSTRACT

CAMARGO, Fernando Antonio. Driving electric motor using rotor with 1-DOF

magnetic bearing. Ed.rev. 2011. 165p. Dissertação (Mestrado) -

Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos,

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2011.

The Escola Politécnica of São Paulo University (EPUSP) and the

Institute Dante Pazzanese of Cardiology (IDPC) is conducting a joint project

aiming the development of an implantable Ventricular Assist Device (VAD). This

study is part of the development of an implantable VAD in which the pump rotor is

suspended by single degree of freedom (1-DOF) magnetic suspension. The

magnetic suspension here utilized presents active control only in the rotor axial

direction. This magnetic bearing had been presented by Silva and Horikawa

(2000) in which the active control is executed only in the axial direction of a rotor.

In this work this Axial Magnetic Bearing is referred as AMB-EPUSP. The

brushless direct current (BLDC) motor has been elected due to the same reason

why a magnetic bearing: the motor should not contact the rotor, minimizing

problems of damage to the blood components. However, the driving of the rotor

by magnetic forces may interfere in the magnetic suspension. As the stability of

this magnetic suspension has been established by the axial stiffness, it is

reasonable to expect that the magnetic interaction between the magnetic bearing

and the used electric motor may interfere in the magnetic suspension. This study

analyzes experimentally the BLDC motor, which rotor is supported by the AMB-

EPUSP, to identify the behavior of this set using two distinct magnetic flux motor

configurations: axial and radial. The analysis includes: (i) design, construction and

testing of the axial and the radial BLDC motors; (ii) design, construction and

testing of AMB-EPUSP and the rotor to be driven be both BLDC motors; (iii)

estimate the BLDC motors behavior using FEM analysis; and (iv) experimental

tests execution to identify how each motor assemble option interact with the AMB-

EPUSP. The FEM analysis corroborates on the recommendation of the radial

magnetic flux BLDC motor option as the best choice to drive the VAD with AMB-

EPUSP, since this motor does not generate any axial magnetic force to be

compensated by the magnetic suspension. However, a more complex VAD

vii

design may be required due to the mechanical interference between the VAD

outlet and the motor’s winding. The axial force generated by the axial magnetic

flux BLDC motor option, induces a strong instability on the AMB-EPUSP,

demanding high current to control the rotor position. The data indicates the

current controller design will not be able to guarantee the magnetic bearing

stability with this motor on higher velocities. On any case, additional study is

recommend to evaluate the rotordynamic rotor dynamic instability of the AMB-

EPUSP with the rotor surrounded by “blood”, since the liquid environment should

absorb the oscillation energy and minimize the restriction due to the magnetic

suspension instability on speed below 5000 RPM.

Key word: Electric motor. Rotor. Bearing.

viii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1-1: Primeiro coração artificial totalmente implantável da ABIOMED ...................... 1

Figura 1-2: (a) HeartMate II da Thoratec e o (b) HVAD da HeartWare ............................... 2

Figura 1-3: Estrutura de um DAV com bomba axial ........................................................... 4

Figura 1-4: Estrutura de um DAV com bomba radial .......................................................... 5

Figura 1-5: Esquema do DAV-IDPC ................................................................................... 7

Figura 1-6: Bomba hidráulica com hélice dupla em desenvolvimento ................................ 7

Figura 1-7: Foto do protótipo do MMA-EPUSP .................................................................. 8

Figura 1-8: Foto do cone do rotor....................................................................................... 9

Figura 1-9: Os tipos de acionamento rotativo: (a) axial e (b) radial .................................. 10

Figura 1-10: Mancais do protótipo: (a) mancal rígido; e (b) mancal magnético ................ 12

Figura 2-1: Esquema interno do rolamento de esfera ...................................................... 14

Figura 2-2: Esquema do rolamento de pivô utilizado em DAV ......................................... 15

Figura 2-3: Segmentação do enrolamento do motor para gerar levitação magnética

5-GDL ............................................................................................................ 16

Figura 2-4: Princípio da geração da força de suspensão magnética de 4-GDL ................ 17

Figura 2-5: Estrutura da suspensão magnética do DAV com 2-GDL proposto por

Asama ........................................................................................................... 18

Figura 2-6: Configuração da suspensão magnética MMA-EPUSP (1-GDL) ..................... 18

Figura 2-7: Forças entre o par de ímãs em um deslocamento radial ................................ 19

Figura 2-8: Forças entre o par de ímãs em um deslocamento rotacional ......................... 20

Figura 2-9: Estrutura básica da suspensão magnética com 1-GDL .................................. 21

Figura 2-10: Diagrama de blocos do sistema de controle do mancal magnético .............. 23

Figura 2-11: Estrutura básica de um motor BLDC ............................................................ 27

Figura 2-12: Comportamento da corrente em um motor BLDC de três fases ................... 29

Figura 2-13: Organização do enrolamento para operar como três fases .......................... 29

Figura 2-14: Lógica de chaveamento da corrente do enrolamento para três fases .......... 30

Figura 2-15: Enrolamento com passo completo e meio passo ......................................... 31

Figura 2-16: Estrutura do motor do DAV proposto por Asama ......................................... 32

Figura 2-17: Relação de características do mancal magnético e o número de GDL ........ 33

Figura 3-1: Lógica das bobinas de um estator ................................................................. 37

ix

Figura 3-2: Arranjo estrela das bobinas ........................................................................... 37

Figura 3-3: Montagem estrela das bobinas do motor (a) Axial e (b) Radial ...................... 38

Figura 3-4: Conjunto para acionamento axial com mancal rígido ..................................... 39

Figura 3-5: Conjunto para acionamento radial com mancal rígido.................................... 39

Figura 3-6: Esquema de montagem para teste do Protótipo ............................................ 40

Figura 3-7: Montagem utilizada nos testes do motor com mancal rígido .......................... 41

Figura 3-8: Imagem dos sensores com o motor em regime (4016 RPM) ......................... 43

Figura 3-9: Gráfico do BEMF para o motor axial .............................................................. 45

Figura 3-10: Gráfico do BEMF para o motor radial ........................................................... 45

Figura 3-11: Bancada de teste utilizando torquímetro ...................................................... 46

Figura 4-1: Diagramação do rotor do protótipo com mancal magnético ........................... 50

Figura 4-2: Montagem inicial do rotor para mancal magnético ......................................... 51

Figura 4-3: Montagem do rotor para mancal magnético após redução de massa ............ 51

Figura 4-4: Atuador do mancal magnético em corte ......................................................... 52

Figura 4-5: Dimensões do carretel do atuador ................................................................. 52

Figura 4-6: Foto do atuador do mancal magnético montado ............................................ 53

Figura 4-7: Estrutura de ensaio do protótipo com mancal magnético (versão 1) .............. 55

Figura 4-8: Foto dos testes com dos sensores................................................................. 56

Figura 4-9: Tensão do sensor de entreferro para diferentes ............................................ 57

Figura 4-10: Foto do protótipo com mancal magnético utilizado o rotor de referência ...... 57

Figura 4-11: Novo desenho do rotor com mancal magnético ........................................... 59

Figura 4-12: Estrutura do rotor da versão 2 do mancal magnético ................................... 60

Figura 4-13: Modelagem do rotor com mancal magnético ............................................... 61

Figura 4-14: Modelagem de um atuador do mancal magnético ........................................ 62

Figura 4-15: Força axial de cada atuador do mancal magnético em função do

entreferro ....................................................................................................... 62

Figura 4-16: Força axial resultante no rotor gerada pelos atuadores do mancal

magnético ...................................................................................................... 63

Figura 4-17: Força axial no rotor devido ao campo eletromagnético dos atuadores do

mancal magnético ......................................................................................... 65

Figura 4-18: Estrutura de ensaio do protótipo com mancal magnético (versão 2) ............ 66

Figura 4-19: Inclinando o protótipo com o mancal magnético da versão 2 ....................... 68

x

Figura 4-20: Bancada de teste da Constante Eletromagnética (kt) ................................... 68

Figura 4-21: Determinação da Constante Eletromagnética (kt) ........................................ 69

Figura 4-22: Bancada de teste da Rigidez Radial ............................................................ 70

Figura 4-23: Determinação da Rigidez Radial .................................................................. 71

Figura 4-24: Assimetria rotacional observada .................................................................. 72

Figura 4-25: Centro magnético do ímã deslocado do centro geométrico.......................... 73

Figura 4-26: Centro magnético do ímã no centro geométrico ........................................... 73

Figura 4-27: Assimetria rotacional observada .................................................................. 74

Figura 4-28: Sensor de entreferro para rotor a 425 RPM ................................................. 74

Figura 4-29: Efeito do 1o harmônico de ressonância do rotor ........................................... 75

Figura 4-30: Efeito do 2o harmônico de ressonância do rotor ........................................... 76

Figura 5-1: Suspensão magnética MMA-EPUSP com motor BLDC para acionamento

axial ............................................................................................................... 79

Figura 5-2: Opção de acionamento axial do rotor apoiado sobre mancal magnético ....... 79

Figura 5-3: Forças que agem no rotor num acionamento axial ........................................ 80

Figura 5-4: Possíveis instabilidades induzidas no motor axial: (a) atração; (b) repulsão;

e (c) deslocamento ........................................................................................ 81

Figura 5-5: Modelagem de uma fase do motor axial ........................................................ 83

Figura 5-6: Torque do motor axial com corrente de fase de 1 A ....................................... 84

Figura 5-7: Força axial (eixo z) do motor axial com corrente de fase de 1 A .................... 85

Figura 5-8: Variação do torque com a corrente ................................................................ 86

Figura 5-9: Variação da força axial com a corrente .......................................................... 87

Figura 5-10: Variação do torque com a distância entre o rotor e o estator ....................... 88

Figura 5-11: Variação da força axial com a distância entre o rotor e o estator ................. 89

Figura 5-12: Foto do protótipo com motor axial e mancal magnético utilizado nos testes 90

Figura 5-13: Comportamento do sensor de entreferro com a rotação (196 RPM) ............ 91

Figura 5-14: Comportamento do sensor de entreferro com a rotação (579 RPM) ............ 92

Figura 5-15: Relação entre o sensor de entreferro e a corrente nos atuadores................ 92

Figura 5-16: Comportamento da corrente com a rotação (117 RPM) ............................... 93

Figura 5-17: Comportamento da corrente do mancal magnético com a velocidade

do rotor .......................................................................................................... 94

xi

Figura 6-1: Suspensão magnética MMA-EPUSP com motor BLDC para acionamento

radial ............................................................................................................. 96

Figura 6-2: Opção de acionamento radial do rotor apoiado sobre mancal magnético ...... 96

Figura 6-3: Forças que agem no rotor num acionamento radial ....................................... 97

Figura 6-4: Possíveis instabilidades induzidas no motor radial: (a) axial; (b) repulsão;

e (c) atração .................................................................................................. 98

Figura 6-5: Modelagem de uma fase do motor radial ....................................................... 99

Figura 6-6: Torque do motor radial com corrente de fase de 1 A ................................... 100

Figura 6-7: Variação do torque com a corrente .............................................................. 101

Figura 6-8: Variação do torque com a distância entre o rotor e o estator ....................... 102

Figura 6-9: Foto do protótipo com motor radial e mancal magnético utilizado nos testes104

Figura 6-10: Comportamento da corrente com a rotação (127 RPM) ............................. 105

Figura 6-11: Comportamento da corrente com a rotação (527 RPM) ............................. 106

Figura 6-12: Comportamento da corrente do mancal magnético com a velocidade do

rotor ............................................................................................................. 106

Figura B-1: Placa do Mancal do protótipo ...................................................................... 122

Figura B-2: Placa do Mancal montada para suporte mecânico do rotor ......................... 123

Figura B-3: Placa do Mancal montada com o atuador do mancal magnético ................. 123

Figura B-4: Direção do fluxo dos ímãs para cada o motor (a) axial e (b) radial .............. 124

Figura B-5: Dimensões do ímã utilizado na montagem do rotor ..................................... 125

Figura B-6: Ímã utilizado na montagem do rotor do motor radial .................................... 125

Figura B-7: Rotor montado com eixo para mancal rígido ............................................... 125

Figura B-8: Rotor para mancal magnético: (a) montado e (b) componentes .................. 126

Figura C-1: Bobina do Estator Axial ............................................................................... 129

Figura C-2: Arranjo das bobinas do motor axial ............................................................. 129

Figura C-3: Bobina do Estator Radial ............................................................................. 131

Figura C-4: Arranjo das bobinas do motor radial ............................................................ 131

Figura D-1: Esquema da conexão com o motor do protótipo ......................................... 139

Figura D-2: Foto da conexão do cabo ao motor do protótipo ......................................... 139

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1-1: Exemplos de DAV comercializados ou em testes no mundo ........................... 3

Tabela 3-1: Características elétricas das bobinas do enrolamento .................................. 44

Tabela 3-2: Torque máximo para o motor axial ................................................................ 48

Tabela 3-3: Torque máximo para o motor radial .............................................................. 48

Tabela 4-1: Dados técnicos do sensor de entreferro original ........................................... 53

Tabela 4-2: Resistência elétrica de cada atuador do mancal magnético montado ........... 55

Tabela 7-1: Característica do DAV-IDPC por opção de motor ....................................... 108

Tabela 7-2: Característica do MMA-EPUSP por opção de motor ................................... 109

xiii

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AMB-EPUSP ..................... “Axial Magnetic Bearing –Escola Politécnica of USP

Mesmo que MMA-EPUSP

BEMF ..................................... “Back Electromotive Force” (força eletromotriz reversa)

BLDC ................................ “Brushless Direct Current motor with Permanent Magnet

(motor de corrente contínua de ímãs permanentes e sem

escovas)

DAV ................................................................... Dispositivo de Assistência Ventricular

FAPESP ........................... Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo

IDPC ........................................................ Instituto “Dante Pazzanese” de Cardiologia1

MEF ................................................................................. Método de Elementos Finitos

MMA-EPUSP .................... Mancal Magnético Axial desenvolvido pela Escola

Politécnica da USP.

NdFeB ..................................... Ímã permanente de Neodímio-Ferro-Boro2 (Nd2Fe14B)

PID .............................................................................. Proporcional-Integral-Derivativo

POLI .................................................................................. Escola Politécnica da USP3

RPM ............................................................................................ Rotações Por Minuto TET ................................... “Transcutaneous

Energy

Transfer

(transferência de energia através da pele)

USP .................................................................................. Universidade de São Paulo4

1 Fundação Adib Jatene (http://www.dantepazzanese.org.br/index.html).

2 http://en.wikipedia.org/wiki/Neodymium_magnet

3 http://www.poli.usp.br/

4 http://www4.usp.br/

xiv

LISTA DE SÍMBOLOS

Abobina

superfície de dissipação térmica de uma bobina. Este parâmetro

é dependente da opção de motor. [metro-quadrado]

Aenrolamento

superfície de dissipação térmica de todo o enrolamento do motor.

Este parâmetro é dependente da opção de motor. [metro-

quadrado]

Bmax

densidade de fluxo magnético máximo que o ímã permanente

provê a uma distância htrabalho [Tesla]

Bmédio

densidade de fluxo magnético médio que o cobre da bobina

( lsegmento) estará exposto. [Tesla]

efase

tensão contraeletromotriz gerada em cada fase. Este parâmetro é

dependente da opção de motor. [Volt]

hbobina

espessura total das bobinas montadas em uma canaleta do

estator.

hef

espaço de entreferro5 do motor.

hímã

aresta do ímã permanente. [metro]

htrabalho

distância a ser considerada entre o ímã permanente e a bobina

ideal (sem espessura) para a determinação de Bmax, como

indicado na Eq.(1).

(1)

Ifase

corrente que circula pela bobina quando sua fase estiver ativa.

[Ampère]

Kbobina

constante específica do projeto que corresponde ao número total

de segmentos de cobre de uma bobina. Seu valor será definido

pela Eq.(2).

(2)

5 Define-se como entreferro ( h ) a distância que separa o rotor e o estator. Sua unidade de medida é o metro

ef

xv

Kfase

constante específica do projeto que corresponde ao número total

de segmentos de cobre de uma fase. Seu valor será definido pela

Eq.(3).

(3)

Kmotor

constante específica do projeto que corresponde ao número total

de segmentos de cobre que estão ativos simultaneamente em um

instante qualquer no motor. Seu valor será definido pela Eq.(4).

(4)

lespira

comprimento da espira média de uma bobina. Este parâmetro é

dependente da opção de motor. [metro]

Lrotor

braço do rotor sujeito a força de Lorentz. Este parâmetro é

dependente da opção de motor. [metro]

lsegmento

comprimento do segmento de cobre de uma bobina que está

exposta ao fluxo magnético do ímã permanente do rotor.

Mímã

campo magnético de um ímã permanente [Tesla].

Nativos

número

de

fases

do

enrolamento

que

estão

ativas

simultaneamente. Por definição de projeto seu valor será de 2

(mais detalhes no item 2.3.2).

Nbobinas

número de bobinas que compõem uma fase do enrolamento do

estator do motor (mais detalhes no item 3.1). Por definição de

projeto seu valor será de 6.

Nespiras

número de espiras de cada bobina do estator (mais detalhes no

item 3.1).

Nfases

número total de fases do enrolamento do estator do motor (mais

detalhes no item 3.1). Por definição de projeto seu valor será de

3.

xvi

nmotor

número de rotações do motor. [RPM]

Npólos

número de polos do motor (mais detalhes no item 3.1). Por

definição de projeto seu valor será de 6.

Pelétrica

potência elétrica consumida pelo motor. Este parâmetro é

dependente da opção de motor. [Watt].

Phidra

potência hidráulica requerida na bomba [Watt]

Pmotor

potência mecânica do motor. Este parâmetro é dependente da

opção de motor. [Watt].

Pperdas

potência de perda do motor. Este parâmetro é dependente da

opção de motor. [Watt].

psangue

pressão média do sangue na saída do DAV (pressão arterial

média). [mmHg]6

Ptérmica

potência térmica gerada pela resistividade do enrolamento do

motor. Este parâmetro é dependente da opção de motor. [Watt].

Rbobina

resistência elétrica de uma bobina do enrolamento do motor. Este

parâmetro é dependente da opção de motor. [Ω].

Rfase

resistência elétrica total de uma fase do motor. Este parâmetro é

dependente da opção de motor. [Ω].

Tenrolamento

densidade de potência gerada pelo enrolamento do motor e que

precisa ser dissipada. [W/m2]

Tmáxima

densidade de potência máxima que pode ser dissipada pela

superfície do enrolamento de forma que a uma temperatura do

enrolamento não ultrapasse aos 80 oC. [W/m2]

Vfase

tensão fornecida pela placa de controle do motor para cada fase

ativa, de modo a garantir que uma determinada corrente de fase

( Ifase) circulasse na fase. [Volt]

6 Como o Sistema Internacional de medidas determina que a pressão seja definida em Pascal, a pressão em milímetros de mercúrio (mmHg) deve multiplicada por 133,332 para converter a unidade.

xvii

Vsangue

volume de sangue (também denominado como débito cardíaco)

bombeado por minuto. [litro/minuto]7

Ørotor

diâmetro do rotor. [metro]

δp

o fator de passo polar do rotor é um fator adimensional, calculado

como indicado na Eq.(5).

(5)

ηmotor

eficiência eletromecânica do motor, considerando a potência

elétrica consumida pelo motor e a energia mecânica

disponibilizada para mover a bomba. Este parâmetro é

dependente da opção de motor.

νrotor

velocidade tangencial do rotor, será calculado como indicado na

Eq.(6). [m/s]

(6)

ς

arco polar do ímã permanente montado no rotor. Corresponde ao

comprimento longitudinal do ímã permanente na face exposta ao

estator. [metro]

σfio

resistividade do fio, utilizado nas bobinas, a uma temperatura de

80 oC. [Ω/m]

σmotor

eficiência da bomba em converter energia mecânica em

hidráulica.

τmotor

torque do motor. Este parâmetro é dependente da opção de

motor. [Nm]

τp

passo polar do rotor. Corresponde a fração do perímetro do rotor

utilizada por cada polo. [metro]

7 Como o Sistema Internacional de medidas determina que o volume seja definido em metros cúbicos por segundo, o volume deve ser dividido por 60 (para converter minutos para segundos) e por 1000 para converter a unidade.

xviii

SUMÁRIO

1

INTRODUÇÃO ....................................................................................... 1

1.1

SITUAÇÃO BRASILEIRA ....................................................................... 6

1.2

SOBRE O PROJETO TEMÁTICO DAV-IDPC ........................................ 6

1.3

OBJETIVO DESTE TRABALHO........................................................... 10

1.4

METODOLOGIA UTILIZADA ............................................................... 11

2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................ 13

2.1

REVISÃO DO MANCAL RÍGIDO .......................................................... 13

2.2

REVISÃO DO MANCAL MAGNÉTICO ................................................. 15

2.2.1

O MANCAL MAGNÉTICO UNIAXIAL MMA-EPUSP ...................................... 18

2.2.1.1 Lógica de Controle do Mancal Magnético Uniaxial ........................................ 22

2.2.1.2 Força do Mancal Magnético ........................................................................... 25

2.2.1.3 Modelo Dinâmico do Rotor e do Atuador ....................................................... 25

2.3

REVISÃO DO MOTOR BLDC COM MANCAL RÍGIDO ....................... 26

2.3.1

IDENTIFICAÇÃO DA POSIÇÃO ANGULAR DO ROTOR ..................................... 27

2.3.1.1 Identificação da Posição Angular do Rotor sem Sensores ............................. 27

2.3.1.2 Identificação da Posição Angular do Rotor com Sensores ............................. 28

2.3.2

NÚMERO DE FASES DO MOTOR ................................................................ 28

2.4

REVISÃO DO MOTOR BLDC COM MANCAL MAGNÉTICO............... 30

2.5

CONCLUSÕES DO CAPÍTULO ........................................................... 33

3

DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO DO MOTOR COM MANCAL

RÍGIDO ................................................................................................. 35

3.1

PROJETO ELÉTRICO DO PROTÓTIPO ............................................. 36

3.2

PROTÓTIPO COM MANCAL RÍGIDO ................................................. 38

3.2.1

MONTAGEM DO PROTÓTIPO COM MOTOR AXIAL E MANCAL RÍGIDO ............. 38

3.2.2

MONTAGEM DO PROTÓTIPO COM MOTOR RADIAL E MANCAL RÍGIDO ............ 39

3.3

CONTROLADOR DO MOTOR DO PROTÓTIPO ................................. 40

3.4

COMPORTAMENTO DO MOTOR DO PROTÓTIPO ........................... 42

3.5

ENSAIO DO MOTOR ........................................................................... 43

3.5.1

CARACTERÍSTICA ELÉTRICA DAS BOBINAS ................................................. 43

xix

3.5.2

FORÇA CONTRAELETROMOTRIZ (BEMF) .................................................. 44

3.5.2.1 BEMF com o Motor Axial ............................................................................... 44

3.5.2.2 BEMF com o Motor Radial ............................................................................. 45

3.5.3

TORQUE DO MOTOR ................................................................................ 46

3.5.3.1 Motor Axial .................................................................................................... 47

3.5.3.2 Motor Radial .................................................................................................. 48

3.6

CONCLUSÕES DO CAPÍTULO ........................................................... 49

4

DESENVOLVIMENTO DO MANCAL MAGNÉTICO ............................ 50

4.1

PROJETO DO MANCAL MAGNÉTICO PARA O PROTÓTIPO

(VERSÃO 1) ....................................................................................... 50

4.1.1

ATUADOR DO MANCAL MAGNÉTICO .......................................................... 52

4.1.1.1 Sensor de Entreferro ..................................................................................... 53

4.1.1.2 Bobina do Atuador do Mancal Magnético ...................................................... 54

4.1.2

ENSAIOS DO MANCAL MAGNÉTICO (VERSÃO 1) .......................................... 54

4.1.3

DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DA BOBINA DO ATUADOR

DO MANCAL MAGNÉTICO ...................................................................... 55

4.1.4

ENSAIO DOS SENSORES DE ENTREFERRO ................................................. 56

4.1.5

TESTE DA SUSPENSÃO MAGNÉTICA COM ROTOR DE REFERÊNCIA ............... 57

4.1.6

TESTE DA SUSPENSÃO MAGNÉTICA COM A VERSÃO 1 DO ROTOR ................ 58

4.1.7

TESTE DE INCLINAÇÃO ............................................................................. 58

4.2

PROJETO DO MANCAL MAGNÉTICO PARA O PROTÓTIPO

(VERSÃO 2) ....................................................................................... 59

4.2.1

MODELAGEM DO NOVO MANCAL MAGNÉTICO ............................................ 61

4.2.2

ESTIMATIVA DA REGIÃO OPERACIONAL ..................................................... 65

4.2.3

ENSAIOS DO MANCAL MAGNÉTICO (VERSÃO 2) .......................................... 66

4.2.3.1 Determinação das Características Elétricas da Bobina do Atuador do Mancal

Magnético ................................................................................................ 67

4.2.3.2 Ensaio dos Sensores de Entreferro ............................................................... 67

4.2.3.3 Teste da Suspensão Magnética com Rotor de Referência ............................ 67

4.2.4

TESTE DA SUSPENSÃO MAGNÉTICA COM A VERSÃO 2 DO ROTOR ................ 67

4.2.5

TESTE DE INCLINAÇÃO ............................................................................. 67

4.2.6

DETERMINAÇÃO DA CONSTANTE ELETROMAGNÉTICA (KT) ........................... 68

4.2.7

DETERMINAÇÃO DA RIGIDEZ RADIAL ......................................................... 70

xx

4.2.8

ESTIMANDO A FREQUÊNCIA AXIAL NATURAL DO MANCAL MAGNÉTICO ......... 72

4.2.9

COMPORTAMENTO DO ROTOR A BAIXA ROTAÇÃO ...................................... 72

4.2.10 COMPORTAMENTO DO ROTOR A ALTA ROTAÇÃO ....................................... 74

4.2.10.1 Ressonância do Rotor: 1o Harmônico ........................................................ 75

4.2.10.2 Ressonância do Rotor: 2o Harmônico ........................................................ 76

4.3

CONCLUSÕES DO CAPÍTULO ........................................................... 77

5

PROTÓTIPO DO MOTOR AXIAL COM MANCAL MAGNÉTICO ....... 78

5.1

MONTAGEM DO PROTÓTIPO COM MOTOR AXIAL COM MANCAL

MAGNÉTICO ...................................................................................... 78

5.2

ESTUDO TEÓRICO DA INTERAÇÃO DO MOTOR AXIAL COM O

MANCAL MAGNÉTICO ...................................................................... 79

5.2.1

ESTIMATIVA DO COMPORTAMENTO POR MEF ............................................ 82

5.2.1.1 Condição Normal ........................................................................................... 83

5.2.1.2 Variando a Corrente ...................................................................................... 86

5.2.1.3 Variando o Entreferro .................................................................................... 87

5.2.1.4 Variando a Inclinação do Rotor ...................................................................... 89

5.2.2

RECOMENDAÇÕES PARA O ENSAIO ........................................................... 89

5.3

ENSAIO DO MOTOR AXIAL COM MANCAL MAGNÉTICO ................ 90

5.3.1

A SAÍDA DO SENSOR DE ENTREFERRO E A CORRENTE NOS ATUADORES ..... 91

5.3.2

A VELOCIDADE E A CORRENTE NOS ATUADORES ....................................... 93

5.4

CONCLUSÕES DO CAPÍTULO ........................................................... 94

6

PROTÓTIPO DO MOTOR RADIAL COM MANCAL MAGNÉTICO ..... 95

6.1

MONTAGEM DO PROTÓTIPO COM MOTOR RADIAL COM MANCAL

MAGNÉTICO ...................................................................................... 95

6.2

ESTUDO TEÓRICO DA INTERAÇÃO DO MOTOR RADIAL COM O

MANCAL MAGNÉTICO ...................................................................... 96

6.2.1

ESTIMATIVA DO COMPORTAMENTO POR MEF ............................................ 99

6.2.1.1 Condição Normal ......................................................................................... 100

6.2.1.2 Variando a Corrente .................................................................................... 101

6.2.1.3 Variando o Entreferro .................................................................................. 102

6.2.1.4 Variando a Inclinação do Rotor .................................................................... 103

6.2.2

RECOMENDAÇÕES PARA O ENSAIO ......................................................... 103

xxi

6.3

ENSAIO DO MOTOR RADIAL COM MANCAL MAGNÉTICO............ 103

6.3.1

A VELOCIDADE E A CORRENTE NOS ATUADORES ..................................... 105

6.4

CONCLUSÕES DO CAPÍTULO ......................................................... 107

7

CONCLUSÕES .................................................................................. 108

7.1

PRINCIPAIS RESULTADOS DO TRABALHO ................................... 108

7.1.1

MELHOR OPÇÃO DE MOTORIZAÇÃO: RADIAL ......................................... 109

7.1.2

UTILIZAR MOTOR COM SENSORES (“SENSORED”)..................................... 110

7.1.3

USO DE ESTATOR SEM NÚCLEO FERROMAGNÉTICO ................................. 111

7.1.4

IMPRECISÃO ÍMÃ DE LEVITAÇÃO .............................................................. 111

7.2

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.................................. 111

7.2.1

PLACA DE CONTROLE ............................................................................ 111

7.2.2

MELHORAR O DESEMPENHO DO MOTOR ................................................. 112

7.2.3