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MOTORES ELÉTRICOS COM ENROLAMENTOS EM SUPERCONDUTORESDE ALTA TEMPERATURA

Sebastião Lauro NauDepto de P&D do Produto WMO – slnau@weg.com.br

Marcelo VerardiDepto de P&D do Produto WMO – wmopd02@weg.com.br

Solon Brum SilveiraDepto de P&D do Produto WMO

Márcio Antônio SensCEPEL - Centro de Pesquisas de Energia Elétrica da Eletrobrás

RESUMOCom a descoberta dos materiais cerâmicos comcaracterísticas supercondutoras em temperaturassuperiores a do nitrogênio líquido, ocorreu também aretomada do desenvolvimento dos supercondutores, apartir de 1987, abrindo-se também novas perspectivaspara projetos idealizados no passado, que foramabandonados por dificuldades econômicas.

Este trabalho descreve os detalhes e os problemasencontrados para o projeto e a construção de um motorelétrico supercondutor, para operação na temperaturade 77K(-196ºC). O motor elétrico foi projetado pelasequipes do CEPEL e da WEG Motores Ltda e foiconstruído integralmente pela WEG, com exceção dasbobinas supercondutoras, adquiridas da AmericanSuperconductors.

1. INTRODUÇÃO

A idéia da utilização de supercondutores em linhasde transmissão e em máquinas rotativas é bastanteantiga, entretanto, tais projetos estão novamenteemergindo com o aparecimento das possibilidadesde condutores operarem em temperaturas daordem de 77 K, obtidas de formaeconomicamente viável pela utilização donitrogênio líquido, retirado do ar e, portanto,disponível em todo este planeta.

O desenvolvimento dos materiais cerâmicossupercondutores de alta temperatura está a umavelocidade tal, e da mesma forma suas aplicações,que já estima-se que pelo ano 2020 o mercadopara os produtos que se utilizam dasupercondutividade chegue à casa dos US$120bilhões.

Desta forma, as pesquisas no assunto estão numaevolução extraordinária, talvez comparável, naárea de potência, ao aparecimento do transístorda área eletrônica. Atualmente o sonho datransmissão de energia elétrica em

supercondutores já se acha em utilizaçãoexperimental, sendo disputado pelos fabricantesPirelli, de Milão, Itália; pela BICC Cables, deChester, U.K.; da Sumitomo Electric e FurukawaElectric, do Japão; e Siemens, da Alemanha. Comisto, uma linha de transmissão subterrânea emcabo trifásico supercondutor já funciona emArmank-NY-USA, num projeto conjunto doEPRI (Electric Power Research Institute), e caboscom capacidade de corrente superiores a 10kA jáforam construídos.

A citada linha de transmissão visa pelo menosduplicar a capacidade de uma linha tradicional,sem alterações dos eletrodutos, e possivelmentequadruplicar. Ou seja, foi retirada uma linhaantiga, convencional, sobrecarregada, e no mesmoduto foram instalados os novos cabos, comcapacidade dobrada, com refrigeração pornitrogênio líquido.

Também antigas idéias de máquinas rotativas edispositivos que necessitam de elevados camposmagnéticos estão emergindo, contando comgrandes investimentos por parte da Reliance, daGeneral Electric, da Westinghouse Electric e daAmerican Superconductor, dos Estados Unidos; daSiemens da Alemanha; da ABB da Suíça; da GEC-Alsthom da França e da Tokyo Electric Power eToshiba, do Japão. Com isto, projetos fantásticosacham-se em desenvolvimento, desde protótiposde poucos quilowatts, até máquinas girantes daordem de 1000MVA.

As aplicações mais difundidas até o momento paraos supercondutores são os transformadores deforça, linhas de transmissão, dispositivoslimitadores de correntes e motores elétricos.

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2. RAZÕES PARA A APLICAÇÃO DOSSUPERCONDUTORES

A aplicação dos supercondutores em máquinaselétricas rotativas tem sido investigada por razõestécnicas, econômicas, e para reduzir o desperdíciode energia, por causa da resistividade elétrica nulados materiais.

A maior parte das investigações científicasdestinadas ao aproveitamento destes novos efantásticos materiais, procuram reduzir os custos,ou o peso, ou as dimensões das máquinas pelaaplicação de campos magnéticos maiores que osconvencionais, já que os fios supercondutorescomerciais permitem uma densidade de correntebem superior à utilizada pelo cobre, da ordem de15 a 20A/mm2, até a presente data.

Esta densidade parece, à primeira vista, baixa, secomparada com a densidade de corrente domaterial supercondutor em si, que atualmenteatinge a casa dos 500A/mm2, na temperatura donitrogênio líquido. Mas, infelizmente esta colossaldensidade ainda não pode ser explorada natotalidade para uma bobina ou para um cabocondutor elétrico, pois o material supercondutorainda precisa de um precursor de sustentaçãomecânica, e inibidor da oxidação, como umacobertura de prata, que ocupa razoável espaço,elevando a seção transversal do fio ou do cabosupercondutor. Além disso, por questõesconservativas, utiliza-se a corrente de trabalho em50% da corrente crítica e, ainda, condutores maislongos têm maiores probabilidades de conterpontos defeituosos.

3. CRITÉRIOS DE PROJETO

3.1 Número de Pólos em Motores comSupercondutores

A força magnetomotriz - fmm por pólo, parapromover uma dada indução magnética naarmadura, não é grandemente influenciada pelonúmero de pólos. Conseqüentemente, maiornúmero de pólos implica mais materialsupercondutor, e o custo do material, atualmente,é bastante relevante. Assim, quanto menor onúmero de pólos, melhor, pois o volume desupercondutor é menor, além de ser menor onúmero de conexões.

Outra razão importante para que fosse construídoum protótipo de 2 pólos é o menor número decomponentes para este motor, principalmenteaqueles necessários para manter as bobinassupercondutores termicamente isoladas.

3.2 Enrolamentos de Campo

Para as máquinas síncronas e de correntecontínua, um enrolamento de campo emsupercondutor promove muito elevada fmm , eassim será possível usar um circuito magnéticocompletamente em núcleo de ar. Entretanto,carcaças em aço têm sido utilizadas, incluindoblindagens externas de cobre, para reduzir ocampo magnético externo à máquina. Máquinassíncronas de pólos magnéticos girantes tem sidoconstruídas com envolvimento completo do rotorem recipientes criogênicos.

3.3 Enrolamentos da Armadura

As armaduras geralmente têm um enrolamentocomplexo, sejam para as máquinas síncronas, deindução ou de corrente contínua. Por isto, osenrolamentos têm sido mantidos em cobre, emambiente não criogênico. Os condutores de cobreonde circulem correntes elétricas não devem serimersos no nitrogênio líquido, pois provocariamuma evaporação excessiva e muito rápida dolíquido refrigerante, implicando dispêndiosdesnecessários.

Para máquinas de armaduras girantes, tem sidorecomendado manter a armadura em aço, pelasseguintes razões:

• Reduz o fluxo magnético tangencial dentro dosenrolamentos e as componentes de correntesparasitas associadas;

• Reduz a fmm requerida para promover o fluxoatravés do entreferro, e em conseqüênciamenos supercondutor será necessário;

• Promove uma base rígida para ajudar nainstalação dos enrolamentos.

3.4 Ambiente Criogênico

Os enrolamentos supercondutores, sejam naarmadura, sejam nos enrolamentos decampo,devem ser contidos em um criostato, equalquer perfuração do mesmo deve ser evitada.

Tem sido sugerido criostatos constituídos porcamisas cilíndricas sob vácuo, ou contendo

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isolamento sólido, como os polímeros “closedcell”. No centro destas camisas encontram-sealojadas as bobinas supercondutoras, com suaestrutura mecânica, resfriadas pelo nitrogêniolíquido na pressão atmosférica.

3.5 Condutores Elétricos Supercondutores

Como possíveis condutores, no estágio atual dedesenvolvimento, podem ser utilizados dois tiposbásicos de supercondutores cerâmicos,policristalinos, constituídos por fiosmultifilamentares ou por fitas, ambos contidos emestrutura mecânica de prata.

Atualmente, estes condutores apresentamlimitações bem definidas, para a operação comosupercondutores, quanto à temperatura, quanto àdensidade de corrente e quanto ao campomagnético em que estão imersos.

Por razões econômicas e de segurança, osmateriais supercondutores devem ser mantidos natemperatura de 77 K (-196°C), que corresponde àtemperatura de ebulição do nitrogênio na pressãoatmosférica, embora a temperatura crítica atualdos materiais possa atingir pouco mais que 100K,ou seja, -173°C.

As fitas podem ser obtidas nas dimensões finais de2 mm de largura por 80 a 250 ::::m , comcapacidade de 3,2 a 7,5 A, sendo usualmenteagrupadas várias fitas em paralelo para a obtençãode maiores capacidades de corrente, numadensidade de 15 a 20 A/mm2. Outra limitaçãoatual para os supercondutores cerâmicos é o raiode curvatura, que não pode ser inferior aos25 mm . A Fig. 1 mostra a fita supercondutoracom a qual foram confeccionadas as bobinasutilizadas no protótipo do motor cc.

As bobinas supercondutoras podem serencomendadas prontas, nas dimensões finais, jáimpregnadas. Desta forma, as bobinas poderão serinstaladas nos alojamentos dos motores, mas semqualquer deformação da forma original.

Fig.1 - Seção de uma fita supercondutora emestrutura de prata

Soldas entre fitas condutoras poderão serefetuadas com solda prata. Neste caso, para um

condutor como o mostrado na figura acima,deverá ser prevista uma resistência deaproximadamente 2µΩµΩµΩµΩ/conexão.

4. POSSIBILIDADES CONSTRUTIVAS

As possibilidades construtivas para as máquinaselétricas rotativas em supercondutores podem ser:

• Motor para corrente contínua com pólosestáticos em HTS e armadura giranteconvencional;

• Motor síncrono com armadura convencionalestática e pólos girantes em HTS;

• Motor de indução com bobinas em HTSestáticas, em curto-circuito e rotor bobinado emcobre, semelhante aos ventiladores de teto, porémcom a parte externa, em gaiola, estática e ainterna, bobinada, girante.

5. AS BOBINAS SUPERCONDUTORAS

O motor elétrico foi projetado pelas equipes doCEPEL e da WEG Motores Ltda e foiconstruído integralmente pela WEG, comexceção das bobinas supercondutoras, que foramimportadas da empresa AmericanSuperconductors.

As bobinas importadas são do tipo toroidal, comenrolamento helicoidal duplo, constituído porfitas de prata com núcleo supercondutor natemperatura de 77K.

5.1 Característica Supercondutora dasBobinas

Como os materiais supercondutores não atendemà lei de O hm , ou seja, a queda de tensão nãoresponde linearmente ao estímulo da correnteelétrica, a caracterização da supercondutividadenão costuma ser efetuada pela resistência elétrica,e sim pela queda de tensão sobre a amostra. Nocaso da bobina, a queda de tensão refere-se aocomprimento de 28metros e a corrente crítica,por definição adotada internacionalmente, éaquela que provoca uma queda de 1µV/cm, ou100µV/m. Desta forma, a corrente crítica paraambas as bobinas é aquela que resulta numa quedade tensão de 2,8mV.

0,080 mm

Fita supercondutoraI = 3,2 A - J = 20 A/mm2

2 mm

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Como primeira avaliação das característicaselétricas das bobinas supercondutoras importadas,foi efetuado um ensaio na temperatura ambientede 24 ºC, obtendo-se o comportamento resistivocom a corrente contínua, que é típico doscondutores, como no caso, a prata. A Fig. 2mostra a queda de tensão com a corrente elétricaaplicada sobre a bobina M97-0988, indicandoclaramente a linearidade e o valor de 863mΩ paraa resistência elétrica, para correntes de até 1Ampère.

Fig. 2 - Característica resistiva da bobina M97-988 a24 ºC

5.1.1 Curva característica da bobina M97-0988

Para este ensaio, foi utilizado o sistemaautomático de levantamento de característicaselétricas, desenvolvido no CEPEL especialmentepara as atividades do Laboratório deSupercondutividade.

Após a primeira avaliação elétrica da bobinaM97-0988, ocorreu a quebra de um dos terminaisde corrente durante a retirada da bobina do banhode nitrogênio líquido. Esta quebra ocorreu por doismotivos. Primeiro pelo posicionamento contrárioao de uso, obrigando o dobramento da cordoalhade cobre estanhado. Segundo, pela própriatemperatura de ensaio, que torna o metal frágil ereduz sua flexibilidade.

Desta forma, foi efetuado o reparo do terminal,que consistiu na raspagem das camadas isolantesde fibra de vidro, utilizando-se de micro disco decorte de carburundum, até atingir-se o ponto decontato metálico. Após a eliminação das camadasde óxido de cobre presentes no contato,promoveu-se a soldagem com solda a base de ligade estanho, da mesma cordoalha anteriormenteutilizada para aplicação da corrente, no terminal

rompido.O novo terminal foi soldado na posiçãoaxial inversa, possibilitando um posicionamentoadequado da bobina no interior do criostato domotor supercondutor.

Após o reparo dos terminais da bobina M97-0988, houve certa dúvida sobre um possível danocausado à mesma pela operação de soldagem,efetuada com ferro de solda de 100W e liga deestanho comum, com ponto de fusão superior a200ºC, pois freqüentemente observam-serecomendações para evitar o superaquecimento epara utilizar soldas a base de índio, de baixo pontode fusão.

Desta forma, foi efetuado um novo ensaio decaracterização elétrica, que ratificou o sucesso daoperação de reparo na bobina M97-0988. Osresultados estão mostrados na Fig. 3.

5.1.2 Curva característica da bobina M97-0989

A primeira bobina M97-0989 tinha vindo fora dasespecificações. Foi devolvida e retornou depois de6 meses. A bobina M97-0989 nova foi avaliadaem seu comportamento da queda de tensão com acorrente elétrica aplicada sobre a mesma, emcorrente contínua, em ambiente de nitrogêniolíquido, como mostra a Fig.4.

Fig. 3 - Característica da bobina M97-988 reparada

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Fig. 4 - Característica resistiva da bobina M97-0989 -nova

5.1.3 Características finais das bobinas

Após a verificação dimensional das bobinas e dolevantamento das características condutivas natemperatura do nitrogênio líquido, resume-se ascaracterísticas principais das bobinas na Tabela 1.

Tabela 1 - Características finais das bobinas

NÚMERO DESÉRIE

M97-0988

M97-0989

Diâmetroex terno (mm)

83,0 79,7

Diâmetro interno(mm)

60,8 60,8

Altura (mm) 28,5 28,6

Corrente críticaIc (A)

49,4 46,0

Força magneto-motriz (Ae)

6317 5888

Comprimento daf ita (m)

28 28

Número deespiras

128 128

Massa,inclu indo osterminais (g)

~300 ~280

6. MOTOR ELÉTRICO COMPLETO

O motor selecionado para a construção foi decorrente contínua, com potência em torno de

1000W, para ser pequeno e reduzir osinvestimentos, sobretudo das bobinassupercondutoras.

O desenho foi escolhido para facilitar aconstrução da bobina, pois atualmente aindaencontra-se dificuldade para a conformação depequenas curvaturas, que podem fraturar ocomposto cerâmico e interromper a continuidadesupercondutora. Outro aspecto foi a possibilidadede reutilização das bobinas para outras aplicações.Desta forma, o projeto ficou conforme mostradona Fig. 5, numa vista em corte transversal, e naFig. 6, em corte longitudinal.

O projeto do motor está em fase de conclusão,após algumas tentativas de aperfeiçoamento docriostato que mantém as bobinas resfriadas a -196ºC. Inicialmente, houve problemas com umanel de vedação – o único que não pôde serconfeccionado em nylon; foi fabricado comborracha nitrílica. Novo sistema de isolamentodas bobinas supercondutoras foi projetado econstruído, aumentando-se o volume denitrogênio em contato com as bobinas eutilizando-se apenas anéis de vedação feitos denylon, que resistem até –200ºC. No entanto,mesmo com o novo sistema, o vácuo formadoentre o cilindro externo e o cilindro interno eraperdido gradativamente quando o nitrogêniolíquido era derramado dentro do cilindro internoonde a bobina supercondutora estava alojada.

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Fig. 5 – Desenho do motor em corte transversal

Tendo em vista as reduzidas dimensões,encontrou-se dificuldades construtivas, pois ascâmaras de isolamento térmico não comportamparafusos para o fechamento. Além disso, aparte central do criostato é transpassada pelonúcleo magnético, conectado ao meio externo,e portanto, constitui fonte de calor, conformemostra o croqui da Fig.7. Numa fotografia, aFig. 8 mostra o motor aberto, para expor a

bobina supercondutora, na forma como ficou aconstrução final.

Numa fase posterior, quando forem solucionadosos problemas construtivos das câmarascriogênicas que acomodam as bobinassupercondutoras, será iniciada a avaliação dodesempenho do motor e, para tanto, foiconstruído um sistema dinamométrico.

322mm

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Núcleo Magnéti coem Aço Aço Inox

Vácuo

Ni trogênioLíquido

Fig. 6 - Desenho do motor em corte longitudinal

7. CONCLUSÃO

Como era de se esperar, muitasdificuldades técnicas e de fabricação ocorreramdurante o desenvolvimento do motor combobinas supercondutoras. A mais relevante delasestava relacionada à parte criogênica, ou seja,como isolar termicamente uma estruturarefrigerada a –196ºC, conciliando-a com osmateriais magnéticos que são condutores decalor. Porém, a conclusão principal diz respeitoàs vantagens (ou desvantagens) do uso demateriais supercondutores em máquinaselétricas. Sua utilização só é economicamenteviável em motores de grande potência ( acimade 1MVA), onde a redução no volume, econsequentemente no peso e no custo,compensa o alto custo das bobinassupercondutoras. A utilização de materiaissupercondutores no circuito de excitação, tantode máquinas cc quanto de máquinas síncronas,não é vantajosa, visto que estes circuitosrepresentam uma parcela pequena da potênciatotal da máquina (entre 5 e 30%, dependendo do

tamanho). Para motores de indução, deveria serinvestigado ainda o uso de supercondutores noestator sem material ferromagnético, evitando-se o aquecimento gerado pelas perdas no ferro.

3 5 0 m m

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Fig. 7 - Criostato com núcleo magnético.

Fig. 8 - Foto do motor completo

8. BIBLIOGRAFIA

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