Eletro m 1 PEA3311 2016 ROTEIRO revA)...Mudar a escala de leitura da força para “30 kgf” quando...

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PEA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ENERGIA E AUTOMAÇÃO ELÉTRICAS PEA-3311 Laboratório de Conversão Eletromecânica de Energia ELETROÍMÃ 1 FORÇAS EM DISPOSITIVOS ELETROMECÂNICOS (ELETROÍMÃ DE TRAÇÃO) ROTEIRO EXPERIMENTAL

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    DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ENERGIA E AUTOMAÇÃO ELÉTRICAS

    PEA-3311 Laboratório de Conversão Eletromecânica de Energia

    ELETROÍMÃ 1

    FORÇAS EM DISPOSITIVOS ELETROMECÂNICOS (ELETROÍMÃ DE TRAÇÃO)

    ROTEIRO EXPERIMENTAL

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    2016

    ELETROÍMÃ 1 - Forças em dispositivos eletromecânicos (eletroímã de tração)

    ROTEIRO EXPERIMENTAL

    1. DESCRIÇÃO BÁSICA DO ELETROÍMÃ O dispositivo utilizado nessa experiência está esquematizado na fig.1. É constituído de um núcleo de material ferromagnético em forma de “C”, denominado “núcleo fixo”, onde são alojadas duas bobinas de excitação com número de espiras Nesp.

    Figura 1 - Desenho esquemático do eletroímã de tração Um outro núcleo em forma de “I”, denominado “núcleo móvel”, está afastado das faces do núcleo fixo de uma distância “x”, denominada “entreferro”. Ao serem percorridas por corrente contínua I, as bobinas aplicam força magnetomotriz ao circuito magnético, estabelecendo nele um fluxo ao longo de todo o seu comprimento, tanto nas partes de material ferromagnético como no entreferro. Ao cruzar o entreferro, o campo magnético polariza as faces do núcleo fixo e do núcleo móvel com polaridades magnéticas opostas. Manifesta-se assim, a partir dessas faces (de seção A x B), uma força mecânica de atração entre o núcleo fixo e o núcleo móvel. Se esse último se deslocar sob a ação dessa força, será produzido trabalho mecânico sobre o meio externo,

    caracterizando assim a conversão eletromecânica de energia no sistema. A força mecânica desenvolvida é dada pela variação potencial da energia magnética 1 armazenada no sistema, Wmag(x,I), cuja maior parcela concentra-se no entreferro, sendo expressa pela eq. 1, onde L(x) é a indutância do sistema.

    ���� � �����,���� ≅ �� �� ������� (1) O objetivo dessa experiência é medir a força mecânica desenvolvida pelo eletroímã, verificando a sua dependência da corrente e do entreferro. Também será levantada a característica de variação da indutância com o entreferro. A fig. 2 mostra uma vista detalhada do dispositivo e de seus ajustes.

    Figura 2 - Vista detalhada do eletroímã de tração No dispositivo disponível no laboratório, o núcleo móvel é solidário a uma estrutura que permite sua aproximação e afastamento do núcleo fixo, assim variando o entreferro. Ao mesmo tempo o núcleo móvel está montado num sistema que possibilita a

    1 A rigor, a força mecânica depende da variação potencial da co-energia magnética armazenada, que se identifica com a energia armazenada nos

    sistemas lineares.

    Núcleo móvel do eletroímã

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    medição da força mecânica através de um transdutor adequado. Os dados do eletroímã de tração, pertinentes à experiência, estão dados abaixo: Dimensão das faces: A = 20 mm – B = 50 mm Nº de espiras de cada bobina: Nesp = 700 espiras Resistência ôhmica de cada bobina: R = 2,9 Ω Corrente máxima de cada bobina: I = 2,5 Acc

    2. MEDIÇÃO DA FORÇA MECÂNICA DO ELETROÍMÃ (BOBINAS EM SÉRIE)

    A montagem experimental está mostrada na fig. 3. As duas bobinas do eletroímã de tração deverão ser inicialmente conectadas em série, respeitando-se a polaridade das mesmas.

    Figura 3 - Esquema da montagem experimental

    O procedimento a ser seguido é o seguinte: 2.1- Com as bobinas desenergizadas, aumentar o entreferro do eletroímã até aproximadamente 16mm. 2.2- Ligar o módulo de medição da força, e selecionar a escala de “6 kgf”. 2.3- Ajustar o “zero” na escala de leitura da força, através do potenciômetro, caso a indicação não seja nula.

    2.4- Alimentar as bobinas do eletroímã ajustando a corrente em 1 A. Manter esse valor constante ao longo das medidas. 2.5- Diminuir gradativamente o entreferro, até se atingir na escala de leitura de força, o valor mínimo indicado na Tabela 1. Anotar o valor do entreferro resultante na escala de medida deste, registrando seu valor. 2.6- Continuar diminuindo o entreferro, até que sejam obtidos os demais valores de força apontados na Tabela 1, registrando os entreferros correspondentes. Mudar a escala de leitura da força para “30 kgf” quando atingido o limite da escala menor. 2.7- Atingido o maior valor da força indicado na Tabela 1 e registrados os valores, reduzir a corrente das bobinas desenergizando-as. 2.8- Repetir os passos de 2.1 a 2.7 para um ajuste de corrente de 1,5 A, preenchendo a Tabela 2. 2.9- Repetir os passos de 2.1 a 2.7 para um ajuste de corrente de 2,0 A, preenchendo a Tabela 3. NOTA 1: A leitura do entreferro é feita pela escala Vernier2, permitindo resolução de 0,2mm na medição de seu valor. A fração de milímetro correspondente é obtida pela coincidência do traço da escala móvel com o traço da escala fixa. O dígito indicado na escala superior, dividido por dez, deve ser somado ao dígito da escala inferior imediatamente à esquerda do zero da escala móvel.

    Figura 4 - Leitura do entreferro com a escala Vernier NOTA 2: Não reduzir o entreferro abaixo do correspondente ao maior valor de força indicado nas Tabelas 1, 2 e 3, sob risco de ultrapassagem da capacidade do transdutor de força e sua possível danificação.

    2 Pierre Vernier, matemático francês (1580 -1637), criador

    desse sistema de medida com resolução aumentada.

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    3. MEDIÇÃO DA FORÇA MECÂNICA DO ELETROÍMÃ

    (BOBINAS EM PARALELO) As bobinas do eletroímã devem agora ser conectadas em paralelo, respeitando-se as suas polaridades, conforme esquematizado na fig.5.

    Figura 5 - Conexão das bobinas em paralelo Para essa conexão, repetir o procedimento anterior, itens 2.1 a 2.7, para corrente ajustada em 2,0 A, preenchendo a Tabela 4. 4. MEDIÇÃO DA INDUTÂNCIA DO ELETROÍMÃ

    A montagem experimental está mostrada na fig. 6. As duas bobinas do eletroímã de tração deverão ser conectadas em série, respeitando-se a polaridade das mesmas.

    Figura 6 - Montagem para medição da indutância O procedimento para essa medida é o seguinte: 4.1- Com as bobinas desenergizadas, aumentar o entreferro do eletroímã até aproximadamente 16mm.

    4.2- Ligar o módulo de medição da força, selecionar a escala de “30 kgf” e mantê-la durante todo o ensaio. 4.3- Alimentar as bobinas com tensão alternada, mantida em 110 V – 60 Hz. Ajustar os valores de entreferro indicados na Tabela 5, anotando os valores da corrente absorvida correspondente. A indutância do eletroímã pode ser determinada, para cada valor de entreferro, pela eq.2:

    ���� � ������ ������� � �2 �� (2)

    Onde R é a resistência ôhmica de cada bobina. 5. COMPLEMENTO

    Operando com correntes elevadas e/ou entreferros reduzidos, o núcleo ferromagnético do eletroímã pode contribuir apreciavelmente para a relutância total do circuito magnético. Além disso, por ter permeabilidade finita, se estabelece dispersão de fluxo através do ar sem cruzar as faces entre os núcleos fixo e móvel. Na transição dos meios materiais, o fluxo se espraia na região do entreferro, dificultando em geral as análises quantitativas do eletroímã de tração. A fig.7 ilustra a distribuição de campo magnético na estrutura completa do eletroímã, obtida por método numérico.

    Figura 7 - Distribuição de campo magnético no eletroímã

    Observa-se que para grandes entreferros, uma parcela considerável do fluxo é desviada entre as colunas do núcleo fixo, sem contribuir para a força desenvolvida. Esse fato intensifica a densidade de fluxo na base das colunas e adjacências, podendo levar à saturação, aumentando a sua relutância.