INTRODUÇÃO

Magnetismo é a parte da Física que estuda os materiais magnéticos, ou seja, que

estuda materiais capazes de atrair ou repelir outros que ocorre com materiais

eletricamente carregados.

A primeira referência conhecida sobre uma substância capaz de atrair outras é a de

Tales de Mileto. Em uma de suas viagens a Ásia (na época província da Grécia)

para Magnésia (nome da região da Ásia) constatou que pequenas pedrinas estavam

sendo atraídas na ponta de ferro do seu cajado. Então estudou tal fenômeno e

descobriu o magnetismo e a eletricidade.

A maneira para determinar se um material é magnético ou não é colocá-lo sobre a

influência de um campo magnético (campo criado pelo movimento de cargas

elétricas). Se aparecerem forças ou torques, se trata de uma substância magnética.

Isso é verdadeiro para todas as substâncias, mas em algumas o efeito é bem mais

evidenciado, e essas são chamadas de magnéticas.

As propriedades magnéticas não estão limitadas unicamente as substâncias

ferromagnéticas, elas se apresentam em todas as substâncias, embora em menor

escala. Nesta categoria, entram dois tipos de substâncias: as paramagnéticas e as

diamagnéticas.

Para classificar as substancias precisamos de conceitos que as definem e assim

temos vários como a curva de histerese, o ponto de Curie bem como a

permeabilidade magnética.

Este trabalho tem como objetivo o estudo das propriedades magnéticas como um

todo abrangendo desde as partes mais básicas da física ate os efeitos que o

magnetismo causa aos materiais e como eles são classificados.

MAGNETISMO

O magnetismo começou a ser descoberto pelo homem ainda na antiguidade, e leva

esse nome por causa da região onde foram encontradas pedras que tinham o poder

de atrair outras pedras e também pequenos pedaços de um metal, o ferro. Essa

região chama-se Magnésia e fica na Ásia menor.

O magnetismo é natural de uma pedra chamada magnetita, hoje mais conhecida

como imã. Mas além desta forma espontânea de magnetismo, existe outra forma de

se gerar um campo magnético. Essa forma é através da corrente elétrica.

PROPRIEDADES MAGNÉTICAS DOS MATERIAIS

O magnetismo é um fenômeno pelo qual os materiais exercem forças (de atração e

repulsão) uns sobre os outros, contudo, a maioria dos elementos e materiais não

exibe essa propriedade. O ferro, alguns aços e a magnetita, compostos

intermetálicos de samário e cobalto, assim como ligas de neodímio, ferro e boro são

exemplos de materiais comuns que apresentam magnetismo.

Muitos dos equipamentos e dispositivos modernos dependem do magnetismo e dos

materiais magnéticos: geradores e transformadores de eletricidade, motores

elétricos, rádio, televisão, telefone e computadores.

CONCEITOS BÁSICOS

Forças magnéticas aparecem quando partículas eletricamente

carregadas (não neutras) se movimentam.

As linhas de força saem do pólo norte em direção ao pólo sul.

Os dipolos magnéticos são análogos aos dipolos elétricos e podem ser

imaginados como pequenas barras compostas de pólo norte e sul.

O momento magnético é um vetor, que em presença de um campo

magnético, relaciona-se com o torque de alienação de ambos os vetores no ponto

no qual se situa o elemento. O vetor de campo magnético a utilizar-se é o B (tesla).

Um campo magnético H é gerado pela passagem de uma corrente i

por uma espira cilíndrica de comprimento l e contendo N voltas. O campo

magnético é medido em termos de fluxo magnético no vácuo Bº (Wb/m²).

Vários parâmetros podem ser utilizados para descrever as propriedades magnéticas

de um material.

PERMEABILIDADE MAGNÉTICA (μ)

Está relacionada com a intensidade de magnetização, esta varia em função da

intensidade do campo aplicado. As permeabilidades medem a facilidade com que

um campo magnético B pode ser introduzido em um material sob ação de um campo

externo H.

μ=TgθB/H é dada em Gauss/Oersted

Permeabilidade magnética relativa (μr) de alguns materiais

Ferro “puro” (0,1% de impurezas) 0,5 10³

Aço ao silício (4,25% Si) 1,5 10³

Aço ao silício (3,25% Si) com grãos

orientados (textura)

2,0 10³

“Supermalloy” (79%Ni; 16%Fe; 5%Mo). 1,0 104

Ferrite cerâmica (Mn, Zn) Fe2O4. 1,5 10³

Ferrite cerâmica (Ni, Zn) Fe2O4. 0,3 10³

DOMÍNIOS MAGNÉTICOS

São regiões da estrutura do material onde todos os átomos cooperam

magneticamente, ou seja, são as zonas de magnetização espontânea.

Quando um campo magnético é aplicado os domínios magnéticos tendem a se

alinhar com o campo e, então, o material exibe propriedades magnéticas.

Os domínios de uma substância ferromagnética desmagnetizada

são polarizados ao longo do eixo do cristal. Os sinais de ponto e

x representam setas saindo e entrando no monitor, respectivamente.

Foto micrográficas de domínios magnéticos (Bell Telephone Laboratories).

PONTO DE CURIE

Um íman, quando aquecido, perde as suas propriedades magnéticas, pois o

calor provoca um desarranjo na disposição das suas partículas. Como

consequência, acima de uma determinada temperatura os condutores perdem suas

propriedades magnéticas. Esta temperatura, que é constante para cada substância,

é denominada Temperatura de Curie ou Ponto de Curie. Nesta temperatura os

materiais perdem suas propriedades ferromagnéticas. Esta transição é reversível

através do resfriamento do material.

Temperatura de Curie em alguns materiais

Ferro 770º

Cobalto 1075º

Níquel 365º

Gadolínio 15º

Na analogia aos materiais ferromagnéticos, a temperatura de Curie é usada

também em materiais piezoelétricos, onde o material perde sua polarização

espontânea e características piezoelétricas acima da temperatura de Curie. No

"Titano-zirconato de chumbo" (PZT), o material é tetraédrico abaixo da temperatura

de Curie e passa a ser cúbico acima desta temperatura, além disso, não resta

nenhum momento de dipolo líquido e nenhuma polarização espontânea acima da

temperatura Curie.

A temperatura de Curie também é utilizada para o estudo do paleo-

magnetismo terrestre e a desmagnetização de materiais.

MAGNETIZAÇÃO VERSUS TEMPERATURA

As características magnéticas dos materiais estão associadas a outras

grandezas físicas, mas em especial a temperatura.

Todos os elementos quando transformados em ímãs alcançam a

chamada Temperatura de Curie, pois o aquecimento faz com que suas partículas se

desarranjem e a substância perca suas propriedades magnéticas. Abaixo alguns

exemplos destes pontos críticos de temperatura, lembrando que o estado é

reversível apenas resfriando o material.

Ferro - 770ºC

Níquel - 365ºC

CURVA DE MAGNETIZAÇÃO OU HISTERESE

A histerese é a tendência de um material ou sistema de conservar suas

propriedades na ausência de um estímulo que as gerou.

Quando o campo magnético aplicado em um material ferromagnético for

aumentado até a saturação e em seguida for diminuído, a densidade de fluxo B não

diminui tão rapidamente quanto o campo H. Dessa forma quando H chega à zero,

ainda existe uma densidade de fluxo remanescente, Br. Para que B chegue à zero, é

necessário aplicar um campo negativo, chamado de força coercitiva. Se H continuar

aumentando no sentido negativo, o material é magnetizado com polaridade oposta.

Desse modo, a magnetização inicialmente será fácil, até quando se aproxima da

saturação, passando a ser difícil. A redução do campo novamente a zero deixa uma

densidade de fluxo remanescente, -Br, e, para reduzir B à zero, deve-se aplicar uma

força coercitiva no sentido positivo. Aumentando-se mais ainda o campo, o material

fica novamente saturado, com a polaridade inicial.

Esse fenômeno que causa o atraso entre densidade de fluxo e campo

magnético é chamado de histerese magnética, enquanto que o ciclo traçado pela

curva de magnetização é chamado de ciclo de histerese.

Alguns exemplos de campos magnéticos alternados são transmissores de

rádio, o resultante de uma corrente alternada, e todos os equipamentos que utilizam

essa corrente para aumento do fluxo magnético.

FATORES QUE AUMENTAM A PERDA POR HISTERESE

Ferro e aço submetidos a tratamento a frio.

Adição de carbono na fabricação de aço.

Imperfeições ou impurezas dos materiais.

Uma família de curvas de histerese medida com uma densidade de fluxo

modulada sinusoidalmente com frequência de 50 Hz e campo magnético variaável

de 0,3 T a 1,7 T.

B = Densidade de fluxo magnético

H = Campo magnético

BR = Remanência

HC = Coercividade

COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS MATERIAIS

Os efeitos magnéticos nos materiais originam-se nas minúsculas correntes

elétricas associadas ou a elétrons em órbitas atômicas ou a spins de elétrons.

Podemos classificar os materiais quanto ao seu comportamento magnético em

diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos, antiferromagnéticos e

ferrimagnéticos.

DIAMAGNETISMO

É uma forma muito fraca de magnetismo, que só persiste enquanto um campo

magnético externo estiver aplicado. Na ausência de campo externo, os átomos de

um material diamagnético têm momento nulo. A magnitude do momento magnético

induzido pelo campo externo é extremamente pequena e sua direção é oposta à

direção do campo aplicado.

Todos os materiais têm diamagnetismo, mas ele é tão fraco que só pode ser

observado em materiais que não apresentam outro tipo de magnetismo.

Esta forma de magnetismo não tem importância prática, pode ser observado

em numerosos materiais tais como gases inertes, muitos metais, elementos não

metálicos muitos íons e seus sais, moléculas diatômicas, compostos orgânicos e

água.

PARAMAGNETISMO

Nos materiais paramagnéticos, os átomos individuais possuem momentos

magnéticos, mas suas orientações ao acaso resultam em magnetização nula para

um grupo de átomos.

Os dipolos podem ser alinhados na direção do campo aplicado, é uma forma

muito fraca de magnetismo e não tem aplicação prática, pode ser observado em

materiais como: alguns metais, alguns gases diatômicos, íons de metais de

transição, terras raras e seus sais e óxidos de terras raras.

FERROMAGNETISMO

É a propriedade de concentrar as linhas de força magnética, caracterizada

pela permeabilidade magnética. É o ordenamento magnético de todos os momentos

magnéticos de uma amostra, na mesma direção e sentido. Aplicando um campo

magnético nessa amostra, os domínios se orientam no mesmo sentido e a amostra

passa a ter uma magnetização não nula.Mesmo que o campo externo seja

desligado, a amostra ainda assim apresentará uma magnetização não nula.

Os principais exemplos de materiais ferromagnéticos são: ferro α (CCC),

cobalto, níquel e gadolíneo, algumas ligas e compostos de manganês.

Materiais ferromagnéticos podem apresentar valores de susceptibilidade

magnéticas tão altos quanto 106, apresentam temperatura de Curie acima da qual

perdem o ferromagnetismo e tornam-se paramagnéticos. A susceptibilidade

magnética dos materiais ferromagnéticos diminui com o aumento da temperatura.

FERRIMAGNETISMO

O ferromagnetismo é um fenômeno físico no que se produz o ordenamento

magnético de todos os momentos magnéticos de maneira que não todos os

momentos de uma amostra estão alinhados na mesma direção sentido. Alguns deles

estão opostos e se anulam entre si, no entanto, estes momentos que se anulam

estão distribuídos aleatoriamente e não consegue anular por completo a

magnetização espontânea.

Também apresenta, como o ferromagnetismo, magnetizações de saturação,

ainda que não em valores tão altos. Outra similaridade é que acima da temperatura

de Curie se perde p ferromagnetismo e o material passa a ser paramagnético.

As características macroscópicas do ferromagnetismo e do ferromagnetismo

são similares às diferenças encontram-se na origem do momento magnético.

ANTIFERROMAGNETISMO

É o ordenamento magnético de todos os momentos magnéticos de uma

amostra, na mesma direção, mas em sentido inverso.

Vários compostos de metais de transição apresentam comportamento

antiferromagnético: MnO, Coo, NiO, MnS, MnSe, Cr2O3, CuCl2.

CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS MAGNÉTICAS

A classificação é feita de acordo com a forma da curva de histerese. O nome

está relacionado com as propriedades mecânicas/metalúrgicas da liga:

LIGAS MAGNÉTICAS DURAS

Caracterizam-se pelo alto valor de Hc e alto Br, são ligas endurecidas com

estruturas desequilibradas, dispersas e são utilizadas na fabricação de imãs

permanentes.

Um magneto duro ou permanente tem sua magnetização durante a fabricação

e deve retê-la depois que o campo de magnetização (forte) é removido, possuem

alta resistência à desmagnetização.

Refrigeradores e fones de ouvido necessitam de metais magnéticos duros,

tais como ferritas, cerâmicas, SmCo5, Sm2Co17 e NdFeB. A maioria dos materiais

magnéticos duros é constituída de ferromagnéticos.

LIGAS MAGNÉTICAS MACIAS

Apresentam Hc de baixo valor e pequenas perdas de histerese e baixo Br,

são ligas organizadas geralmente metais puros com boa qualidade estrutural, são

empregados como ligas a serem submetidas à magnetização alternada.

Um material magnético mole opera na presença de um campo magnético,

este comportamento é útil e aplicações que envolvem mudanças contínuas na

direção de magnetização. Geradores, motores elétricos e transformadores têm

eficiência maior se a magnetização não permanece depois que o campo cai a zero.

Para estas aplicações são necessários materiais magnéticos moles de baixa

remanência, tais como ferro puro, aço ao silício, supermalloy e ferritas cúbicas do

tipo espinélio.

HÁ TRÊS TIPOS PRINCIPAIS DE ÍMÃS:

ÍMÃS PERMANENTES

Os ímãs permanentes são os que nos são mais familiares, como os que se

usam para agrupar os clips no escritório. São permanentes no sentido de que uma

vez magnetizados, mantêm o seu nível do magnetismo. Tipos diferentes de ímãs

permanentes têm características ou propriedades diferentes em função da

temperatura de operação, efeitos de desmagnetização, intensidade do campo de

indução.

ÍMÃS TEMPORÁRIOS

Os ímãs temporários são os que se comportam como um ímã permanente

quando estão dentro de um campo magnético forte, mas perdem rapidamente o

magnetismo quando o campo magnético desaparece. Um exemplos é um clip de

sujeito ao campo magnético de um íman.

ELETROÍMÃS

Um eletroímã é uma bobina helicoidal, geralmente com um núcleo de ferro,

que atua como um ímã permanente quando percorrida por uma corrente. A força e a

polaridade do campo magnético criado pelo eletroímã são ajustáveis alterando o

valor da corrente que passa através do fio e mudando a polaridade.

CLASSES DE ÍMÃS PERMANENTES:

BORO FERRO NEODÍMIO (NdFeB ou NIB)-NEODYMIUM IRON

BORON

Um ímã de neodímio é um imã feito a partir de uma combinação de neodímio,

ferro e boro — Nd2Fe14B, também conhecidos como Terras Raras ou “Super Imãs”,

entraram no mercado em 1980. É o material magnético mais moderno. Os imãs de

NdFeB são produzidos pelo compactação de ligas pulverizadas. Possuem as

melhores propriedades de todos os imãs existentes e uma incrível relação

indução/peso. É altamente susceptíveis a corrosão e devem, quase sempre, possuir

revestimento. São normalmente niquelados, zincados ou revestidos c/ resina epóxi.

Este tipo de imã é muito poderoso em comparação com a sua massa, mas também

é mecanicamente frágil e perde seu magnetismo em temperaturas entre 70ºC e

180°C. Devido ao seu custo mais baixo, têm substituído os imãs de samário-cobalto

na maioria das aplicações, que são ligeiramente mais fracos e significamente mais

resistentes à temperatura. Exemplos de aplicações: alto-falantes, discos rígidos,

geradores eólicos, brindes, equipamentos eletrônicos.

COBALTO SAMÁRIO (SmCo)

Os imãs de Samário-Cobalto (SmCo) foram desenvolvidos em 1960, como

resultado da pesquisa de novos materiais magnéticos baseados em ligas de Fe, Co,

Ni e Terras Raras. São produzidos prensando-se as ligas pulverizadas, no formato

final. Posteriormente são sinterizados a altas temperaturas. Apesar das excelentes

propriedades magnéticas e resistência ás temperaturas (até 250 ºC), o alto custo

pode limitar suas aplicações. Possuem razoável resistência à corrosão e não

necessitam de revestimentos particulares. Devido à sua elevada fragilidade, devem

ser manuseados c/ cuidado. Max. Temperatura de trabalho: 250 ºC Exemplos de

aplicações: micro-motores, sensores para automóveis.

ALNICO

Alnico são ligas de Fe (Ferro) contendo Al (Alumínio), Ni Níquel e Co

(Cobalto), além de outros elementos. O nome da liga é formado pela justaposição

dos símbolos químicos dos elementos (Al, Ni e Co). As ligas Alnico foram

descobertas na década de 1920, e permitiram a produção industrial de imãs

artificiais com indução magnética muito superior à dos naturais. Um imã de Alnico é

capaz de levantar mais de 1000 vezes seu próprio peso. Uma das ligas mais

conhecidas é o Alnico5, contendo aproximadamente 15%Ni, 25%Co, 9%Al, 3%Cu e

48%Fe. Já o Alnico12 tem 18%Ni, 35%Co, 6%Al, 8%Ti e 33%Fe. Estão disponíveis

em muitos formatos, como barras, “ferraduras”, etc., normalmente fabricados por

fundição, sofrendo um processo de rectificação para atingir dimensões precisas. Os

imãs de Alnico têm grande estabilidade térmica, ou seja, mantêm as suas

características numa faixa de temperatura muito larga, de aproximadamente -250°C

a 550°C. O material é ainda resistente à oxidação. As suas principais aplicações são

alto-falantes, motores eléctricos e geradores de pequeno porte, etc. Foram também

muito usados em instrumentos de medida, como velocímetros, tacógrafos,

medidores de energia eléctrica, etc.

CERÂMICA OU FERRITE

Também conhecidos como cerâmicos, esta família aparece no mercado em

1952. O processo de fabrico consiste na pulverização das matérias-primas até a

formação de mono-cristais. Este composto é então prensado numa forma sob a

influência de um campo magnético orientado. Após esta compactação, o material é

sintetizado em fornos especiais e moldado para os formatos e dimensões desejados.

Hoje em dia, os imãs cerâmicos são os que possuem menor custo. São resistentes à

corrosão, ácidos, sais lubrificantes e gases. Max. Temperatura de trabalho 250 ºC.

Exemplos de aplicações: alto-falantes, motores CC, sensores.

Material Br Hc BHmax Tcoef Br Tmax Tcurie

NdFeB 12,800 12,300 40 -0.12 150 310

SmCo 10,500 9,200 26 -0.04 300 750

Alnico 12,500 640 5.5 -0.02 540 860

Cerâmica

ou

Ferrite

3,900 3,200 3.5 -0.20 300 460

Br é a medida da densidade magnética residual do fluxo em Gauss, que é o

fluxo máximo que o ímã pode produzir. (Gauss)

Hc é a medida da força coerciva do campo magnético em Oeste, ou o ponto

em que o ímã se desmagnetiza por um campo externo. (Oeste)

BHmax é um termo da densidade total da energia. Quanto mais elevado o

número, mais poderoso o ímã.

Tcoef Br é o coeficiente da temperatura do Br em % por o grau centígrado.

Define a alteração de fluxo magnético em relação à temperatura. -0.20 significa que

se a temperatura aumentar 100 graus centígrados, o fluxo magnético diminuirá 20%.

Tmax é a temperatura máxima o ímã deve funcionar. Se a temperatura

exceder este valor, o imã perde as características magnéticas que recupera após a

temperatura estar dentro dos níveis de funcionamento. (recuperável) (graus

centígrados)

Tcurie é a temperatura em que o ímã ficará desmagnetizado. Se a

temperatura exceder este valor, o imã perde as características que não recupera

após a temperatura estar dentro dos níveis de funcionamento. (não é recuperável)

(graus centígrados)

MOTOR DE ÍMÃS PERMANENTES E INVERSOR DE

FREQÜÊNCIA

O uso de motores elétricos com inversores de frequência tem aumentado

expressivamente nos últimos anos. As principais razões em optar por um conjunto

motor e inversor de frequência, ao invés de um motor com velocidade fixa, são:

ajuste de velocidade, economia de energia, controle de posição e partida suave.

Motores de diversas tecnologias podem ser acionados por inversores de

frequência, como: indução CA, síncrono, síncrono de ímãs permanentes, de

relutância chaveado, etc.

As aplicações com motor e inversor são amplas e variadas, entre as quais

podem ser citadas: lavadoras de roupa, bombas, ventiladores, compressores,

sopradores, máquinas ferramentas, elevadores, servo acionamentos, equipamentos

de refrigeração, condicionadores de ar, aplicações automotivas, esteiras e muitas

outras.

Seguindo as tendências de mercado, o uso de motores síncronos de ímãs

permanentes se encontra em ampla expansão, também na indústria, pois o motor

possui alto rendimento, baixo volume e peso, torque suave, baixo nível de vibração e

ruído, ampla faixa de rotação com torque constante e, com o advento, a partir dos

anos 80, dos ímãs de Neodímio Ferro Boro (NdFeB), de elevada energia, houve um

aumento do número de aplicações, onde se utiliza esta tecnologia.

ÍMÃ PERMANENTE

Para motores elétricos de alta desempenho é de grande interesse que os

ímãs permanentes apresentem um elevado campo coercitivo ou coercividade (Hc) e

elevada indução remanente ou remanência (Br). Um elevado Hc impede que o ímã

seja facilmente desmagnetizado e um alto valor de Br resulta em um fluxo magnético

elevado. A Figura 1 apresenta a curva típica de desmagnetização de um ímã

qualquer.

O ímã de Neodímio-Ferro-Boro (NdFeB) possui remanência e coercividade

elevadas quando comparado ao ímã de Ferrite (cerâmico), resultando em uma maior

energia. Desta forma, motores projetados com NdFeB têm dimensões menores do

que os motores com ímãs de Ferrite. Em contrapartida, os ímãs de Ferrite são

consideravelmente mais baratos do que os de NdFeB.

Figura 1 – Curva B x H do ímã

Uma das características dos ímãs de NdFeB é a redução da remanência e da

coercividade com o aumento da temperatura. Os ímãs de Ferrite e de NdFeB são

mais influenciados pela temperatura do que os ímãs de Samário-Cobalto.

No entanto, nos últimos anos, as propriedades dos ímãs, particularmente os

de NdFeB têm sido continuamente aperfeiçoadas pelos fabricantes. Estes possuem

remanência (Br) cada vez mais elevada e resistem mais à desmagnetização e à

temperatura. Os ímãs usados pela WEG são adequados para trabalharem com

temperaturas de até 180ºC.

MOTORES SÍNCRONOS A ÍMÃS PERMANENTES

Motores síncronos a ímãs permanentes (Permanent Magnet Synchronous

Motor - PMSM) alimentados por inversor de frequência podem ser utilizados na

indústria, onde a variação de velocidade com torque constante e alto desempenho

são requeridos, como em compressores e esteiras transportadoras, etc.

Os PMSMs também estão sendo usados em aplicações onde confiabilidade,

torque suave, baixos níveis de vibração e ruído são fundamentais, como em

elevadores.

Além disso, são muito atrativos para aplicações com espaço reduzido e

necessidade de eliminação de redutores, pois os PMSMs possuem tamanho e

volume reduzidos e podem funcionar em uma ampla faixa de velocidades, sem

necessidade de ventilação independente.

Há dois tipos principais de PMSM: brushless DC e brushless AC.

PMSM - BRUSHLESS DC

O motor é projetado para desenvolver uma forma de onda da força contra

eletromotriz trapezoidal e a forma de onda da corrente de alimentação idealmente

retangular para geração de torque suave, conforme mostrado na Figura2.

Para se obter a fcem trapezoidal, em geral, os ímãs permanentes são

montados na superfície do rotor.

O controle do acionamento trapezoidal é mais simples, pois não há

necessidade de ter um sensor de posição de alta resolução no rotor, uma vez que

somente seis instantes de comutação da corrente das três fases devem ser

monitorados a cada ciclo elétrico. Além disso, requer somente um sensor de

corrente no link CC. Desta forma, o custo do drive é menor. Entretanto, este tipo de

motor apresenta um torque mais pulsante em relação ao brushless AC.

Geralmente, estes motores são utilizados em aplicações de baixas potências,

alguns poucos kW, e não necessitem de alta desempenho. Para aplicações com

potências maiores e alta performance, o acionamento brushless DC apresenta

desvantagens em relação ao motor brushless AC.

Figura 2 – Formas de onda da fcem e da corrente de alimentação

PMSM - BRUSHLESS AC

O brushless AC por sua vez, é projetado para que a fcem e a corrente de

alimentação sejam senoidais, resultando em um torque suave.

A fcem senoidal requer uma distribuição dos enrolamentos do estator

aproximadamente senoidal no entreferro e/ou uma forma de onda da indução

magnética (B) radial, gerada pelos ímãs, com variação senoidal no entreferro.

O motor pode ser projetado com ímãs superficiais ou ímãs internos no rotor,

conforme Figuras 4a e 4b, respectivamente.

Ao contrário do acionamento trapezoidal, o controle do acionamento senoidal

é mais complexo, pois são necessários sensores de correntes em cada fase e um

sensor de posição de alta resolução para manter a sincronização precisa da forma

de onda da corrente com a posição angular do rotor em cada instante de tempo. O

sensor de posição pode ser um encoder óptico ou resolver.

O motor brushless AC, em geral, é utilizado em aplicações onde se necessita

de alto desempenho.

Figura 3 – Formas de onda da fcem e da corrente de alimentação

MOTOR COM ÍMÃS SUPERFICIAIS E INTERNOS - BRUSHLESS AC

O motor com ímãs superficiais, Figura 4a, também é conhecido como motor

de pólos lisos, pois as indutâncias do eixo direto (Ld) e quadratura (Lq) são

praticamente iguais e constantes.

O motor de ímãs internos ou pólos salientes, Figura 4b, possui ímãs

montados internamente no rotor. Devido à geometria do rotor, este tende a produzir

saliência e indutâncias Ld e Lq diferentes. Esta saliência produz torque de relutância

que, somado ao torque eletromagnético devido aos ímãs, produz um maior torque

resultante. Os motores de ímãs internos são capazes de funcionar em uma grande

faixa de velocidades acima da nominal, com potência constante, fig.6.

O motor com ímãs superficiais apresenta uma limitada capacidade de operar

em velocidades acima da nominal, com potência constante, devido à baixa

indutância resultante do grande entreferro.

Outra vantagem do motor com ímãs internos sobre os ímãs superficiais são:

ímãs inseridos no interior do rotor, o que permite que o ímã fique protegido contra a

força centrífuga.

Fig. 4. – a) Motor com ímãs superficiais. b) Motor com ímãs internos

Figura 5 – Curva de torque x velocidade do motor com ímãs superficiais

Fig. 6 – Curva de torque x velocidade do motor com ímãs internos

Ímãs Permanentes

MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES WEG (WMAGNET)

O acionamento do motor de ímãs WEG é do tipo Brushless AC com ímãs no

interior do rotor (pólos salientes) e ímãs de alta energia (NdFeB).

Os motores Wmagnet com ímãs de NdFeB quase não possuem perdas

Joules (RI2) no rotor, ao contrário dos motores de indução com gaiola de esquilo

convencional. Como as perdas Joule são uma parcela significativa das perdas totais

nos motores de indução, retirando a gaiola de esquilo e substituindo-a por ímãs, o

Wmagnet assegura um rendimento muito maior do que os encontrados nos motores

das linhas Standard e Alto Rendimento Plus, conforme Figura 7.

Figura 7 – Gráfico comparativo de rendimento dos motores Wmagnet, Alto

Rendimento Plus e Standard.

Os ímãs no rotor garantem uma grande redução nas perdas elétricas e

consequentemente asseguram uma menor elevação da temperatura do motor.

Devido a estas vantagens, o volume e peso do Wmagnet comparado a um motor de

indução de mesma potência é menor e o tempo de vida é significativamente

aumentado, conforme pode ser observado nos gráficos da Figura 8.

Figura 8 – T para faixa de rotação 10:1

Figura 9 – Comparação de volume entre motor de indução e motor de ímãs

Comparado a um motor de indução equivalente, o volume do Wmagnet é

reduzido em aproximadamente 47%, resultando em uma alta relação de

torque/volume e uma redução de 36% no peso.

Para uma mesma relação de torque/potência, diminuindo-se o tamanho da

carcaça, o sistema de resfriamento também é reduzido. Desta forma, é verificado um

significativo decréscimo no nível de ruído causado pelo ventilador acoplado ao eixo

do motor, conforme gráficos da Figura 10.

MOTOR DE INDUÇÃO

MOTOR DE ÍMÃS PERMANENTES

Figura 10 – Gráfico comparativo do nível de ruído entre os motores Wmagnet, Alto

Rendimento Plus e Standard.

Outra grande vantagem do Wmagnet auto-ventilado é que este pode operar

com torque constante em uma ampla faixa de velocidade, conforme mostrado na

Figura 11.

Fig. 11 – Curva de torque nominal constante

INVERSOR WEG (CFW11 MAGNET)

Um inversor CFW11, com software especial desenvolvido pela WEG, é

necessário para acionar o Wmagnet. Ele utiliza o método de controle vetorial, que

permite o controle de torque mesmo em velocidade nula e também em altas

rotações.

O acionamento de motores de ímãs convencionais necessita de um sensor de

posição de alta resolução no rotor. Contudo, a utilização destes sensores aumenta o

custo do acionamento. Desta forma, a WEG desenvolveu e implementou no inversor

CFW11 uma nova tecnologia sensorless (sem sensor), que possui um avançado

algoritmo de controle que estima a posição e velocidade e elimina o sensor de

posição, reduzindo o custo do acionamento.

CONCLUSÃO

A maioria dos elementos e materiais não exibem propriedades magnéticas.

Alguns dos que exibem propriedades magnéticas são: Ferro, Níquel, Gadolíneo,

algumas ligas (SmCo5, Nd2Fe14B,...).

Ferromagnetismo é a propriedade de concentrar as linhas de força magnética,

caracterizada pela permeabilidade magnética.

Permeabilidade magnética esta relacionada com a intensidade de

magnetização, e a intensidade de magnetização varia em função da intensidade do

campo aplicado.

A classificação é feita de acordo com a forma da curva de histerese, o nome

esta relacionado com as propriedades mecânicas da liga, seja ela, ligas magnéticas

duras ou moles.

Ligas magnéticas duras se caracterizam pelo grande valor de Hc e alto de Br,

são ligas endurecidas com estruturas desequilibradas, dispersas; e são utilizadas na

fabricação de imãs permanentes.

Ligas magnéticas moles apresentam Hc de baixo valor e pequenas perdas de

histerese e baixo Br, são ligas organizadas; são empregadas como ligas a serem

submetidas à magnetização alternada (núcleos de transformadores).

A capacidade de um ímã para a retenção de seu magnetismo sob várias

condições é chamada de “permanência magnética”, e alguns tipos de ímãs

permanentes têm uma maior capacidade de permanência do que outros.

Normalmente, os ímãs permanentes são fabricados com base em elementos

químicos, tais como elementos de terra rara como o Alnico (alumínio, níquel,

cobalto), cerâmica (tais como estrôncio e Ferrite de bário), e ligas de elementos

raros, incluindo SmCo (cobalto-samário) e NdFeB (neodímio-ferro-boro). Como uma

opção vantajosa entre todos os tipos de ímãs industriais, os ímãs permanentes são

amplamente utilizados em muitas indústrias, especialmente para aplicações que

requerem força magnética constante, como na separação do metal e exploração,

bem como a fabricação automotiva, industrial, aeroespacial, construção e muito

mais.

Além das aplicações acima mencionadas, outra aplicação útil é que o

movimento mecânico pode ser criado pelos ímãs permanentes, quando uma

corrente elétrica apresentada a um dos pólos dos ímãs. Entretanto, os ímãs de

elementos raros, incluindo os ímãs de neodímio e os ímãs de cobalto samário,

possuem uma força magnética muito forte (e maior permanência magnética) do que

outros ímãs permanentes, e por isso podem ser usados em pequenas quantidades,

para ajudar em operações de amplificação sonora e processamento de dados de

computadores. Por exemplo, ímãs de neodímio ajudam os discos rígidos de

computadores a ler e armazenar mais informações, ou eles podem causar mais

vibração em alto-falantes, o que produz mais som. Já os ímãs de cerâmica e ímãs

de Alnico (liga de alumínio-níquel-cobalto) são dois tipos de imã permanente que

são fabricados através de sinterização. Também são usados para amplificar o som,

bem como para a construção de motores elétricos. Essa diversidade de aplicações

de imãs permanentes são essenciais no processamento de alimentos, manuseio de

materiais a granel, fabricação de metal e de manuseamento, fabricação de motores

elétricos, amplificação sonora, processamento de dados e muitas outras tarefas. Os

fabricantes de ímãs podem fabricar imãs permanentes personalizados em uma

variedade de formas, densidades e forças magnéticas.

REFERÊNCIAS

PERDAS MAGNETICAS, J V Filardo, UFPR. Disponível em:

http://www.eletrica.ufpr.br/piazza/materiais/JulianoFilardo.pdf

FERRIMAGNETISMO. Disponível em:

http://pt.wikilingue.com/es/Ferrimagnetismo

11-PROPRIEDADES ELÉTRICAS, TÉRMICAS, ÓPTICAS E

MAGNÉTICAS DOS MATERIAIS. Disponível em:

http://www.em.pucrs.br/~eleani/Protegidos/11-

%20propriedades_eletricas_oticas_termicas_magneticas.ppt#256,1,11-

PROPRIEDADES ELÉTRICAS, TÉRMICAS, ÓPTICAS E MAGNÉTICAS DOS

MATERIAIS

PADILHA, Ângelo Fernando. MATERIAIS DE ENGENHARIA:

microestrutura e propriedades. São Paulo, SP: Hemus, 1997.

ITAL MAGNETISMO. Disponível em: http://italpro.com.br/eletroimas-

blog/imas-permanentes/

BRASIL MAGNETS. Disponível em:

http://catalogo.brasilmagnets.com.br/imas

MOTOR DE ÍMÃS PERMANENTES E INVERSOR DE

FREQÜÊNCIAWEG

Disponível em: http://catalogo.weg.com.br/files/wegnet/WEG-motor-de-imas-

permanentes-e-inversor-de-frequencia-artigo-tecnico-portugues-br.pdf