BRPI0804447A2 - mancal magnético de imãs permanentes - Google Patents

Abstract

Patente de Invenção de um Mancal magnético feito com imãs permanentes, cuja finalidade é sustentar um eixo que gira, levitando-o por meio de forças magnéticas produzidas por imãs permanentes. O mancal é construído dispondo-se sobre o eixo imãs com polaridades opostas às polaridades de outros imãs colocados no mancal, de forma a repelirem-se e não se tocar, levítando o eixo e mantendo-o estabilizado enquanto gira, impedindo assim o aquecimento por atrito do eixo com o mancal e o desgaste, e dispensando lubrificação. O Mancal também atenua vibrações e outras perturbações que possam ocorrer no eixo que gira, pois exerce força contrária a deslocamentos do eixo em relação a sua posição de equilíbrio, que é o centro do mancal. A eficácia desta montagem é obtida devido à utilização de dimensões e proporções específicas para os imãs, as quais são objeto desta patente. Este mancal possui vantagens em relação aos mancais eletromagnéticos construídos com eletroimãs, como baixo custo, simplicidade, não utilizar energia elétrica para seu funcionamento e não requerer manutenção. O Mancal é utilizável em qualquer aplicação, seja em altas velocidades, como em turbinas, ou em baixas como em motores em geral, geradores elétricos, etc.

Description

"MANCAL MAGNÉTICO DE IMÃS PERMANENTES".

A presente invenção refere-se a um mancai magnético construídode imãs permanentes, ou seja, um mancai que sustenta o peso de um eixo quegira sem contato com o mesmo, fazendo-o levitar por meio de forças magnéticasproduzidas por imãs permanentes.

Mancais são utilizados para sustentar eixos que giram em motores,geradores, turbinas e maquinas rotativas em geral. Os mancais que têm contatocom o eixo causam aquecimento por atrito e desgaste, mesmo utilizando algumtipo de fluído entre eles e o eixo, como óleo, inclusive aqueles que utilizamrolamentos de esferas.

Existem mancais feitos com eletroímãs que não mantêmcontato com o eixo, pois o fazem levitar por meio de forças eletromagnéticas,não causando desgaste e nem aquecimento. Nestes, os eletroímãs sãomontados em forma de um anel que circunda o eixo. Todos os eletroímãsexercem uma força de atração sobre o eixo de metal magnetizável. As forças deatração dos eletroímãs superiores compensam o peso do eixo fazendo-o levitar.

Além de levitar o eixo, os eletroímãs também atenuam asvibrações e deslocamentos que possam ocorrer na posição do eixo. Taisvibrações e perturbações são detectadas por sensores e enviadas aocomputador que calcula correções na intensidade da corrente que passa peloseletroímãs e, portanto, altera a força exercida por eles de forma a compensar eatenuar estas vibrações e deslocamentos indesejáveis.

A força exercida pelos eletroímãs é obtida pela passagem decorrente elétrica pelos mesmos. A corrente elétrica é suprida por circuitoseletrônicos que, por sua vez, são controlados por software em um computadoreletrônico.

Os mancais com eletroímãs são pouco usados em virtude do seualto custo. O custo elevado é devido à complexidade dos circuitos eletrônicos,do software de controle, etc. Também tem como desvantagem necessitar deenergia elétrica para seu funcionamento e, conseqüentemente, de dispositivosque suportem uma eventual falta no fornecimento de energia elétrica. Pode-setambém apontar como desvantagem a necessidade de manutenção periódicados dispositivos eletrônicos devido a sua limitada vida útil.Apesar dessas desvantagens, o Mancai com eletroímãs éutilizado em aplicações especiais, como as que envolvem uma alta velocidadedo eixo, como, por exemplo, em centrífugas e turbinas axiais, nas quais outrostipos de mancais não são apropriados.

Tendo em vista esse problema e com o propósito de superá-lo foiproposta uma forma de se obter um mancai para levitar o eixo e mantê-loestabilizado sem utilizar eletroímãs. A presente invenção, denominada MancaiMagnético de Imãs Permanentes, se utiliza de imãs permanentes ao invés deeletroímãs. Este novo mancai, ao contrário do mancai que utiliza eletroímãs, nãopossui as desvantagens referentes ao alto custo e complexidade, a necessidadede manutenção e a utilização de energia elétrica para o seu funcionamento.

O Mancai Magnético de Imãs Permanentes utiliza-se do princípiode repulsão entre as faces de dois imãs permanentes com polaridadesmagnéticas opostas. São montados imãs em torno do eixo (parte interna domancai) e na parte externa do mancai (que evolve o eixo sem tocá-lo). As facesdos imãs sobre o eixo têm polaridades opostas às polaridades dos imãs da parteexterna do mancai, fazendo eles se repelirem e manter o eixo levitando nocentro da parte externa do mancai.

A simples montagem dos imãs conforme descrita acima nãopermite obter o funcionamento desejado. Os imãs devem ser montados de formaque, ào girar o eixo, ele se mantenha estável e levitando no centro do mancai. Aforma de montar os imãs para obter o resultado desejado é o objeto destapatente.

A utilização de imãs modernos de Terras Raras como Neodímio-ferro-boro, samário-cobalto, e outros, disponíveis no mercado, prove forçasuficiente para o Mancai Magnético de Imãs Permanentes ser utilizado emqualquer tipo de aplicação e levitar eixos de qualquer tamanho, pois estes imãstêm força equivalente a milhares de vezes o seu peso. Estes imãs, ao contráriodos imãs de Ferrite, não perdem a magnetização com o tempo, nem sãodesmagnetizados por campos magnéticos comuns. Desta forma, o MancaiMagnético de Imãs Permanentes é um dispositivo que pode ser utilizado emmáquinas rotativas sem se desgastar ou necessitar de reposição periódica.

O Mancai Magnético de Imãs Permanentes desempenha asmesmas funções do Mancai de eletroimãs, com custo e complexidade muitomenores e não necessita de manutenção nem do fornecimento de energiaelétrica.

O Mancai Magnético de Imãs Permanentes é aplicável onde senecessite sustentar um eixo que gira, sem desgaste e sem aquecimento poratrito, dispensando assim manutenção e refrigeração. Ele também atenuavibrações e outras perturbações que podem ocorrer no eixo, exercendo forçacontrária a deslocamentos que ocorram em relação a sua posição de equilíbriono centro do mancai. Devido às suas vantagens já mencionadas em relação aoMancai de eletroimãs, ele pode ser utilizado tanto em aplicações especiais, queenvolvem altas velocidades do eixo (como centrífugas e turbinas), como tambémem aplicações de baixa velocidade de rotação como motores empregados emequipamentos domésticos ou industriais geradores elétricos, ou qualquer outrotipo de máquina rotativa.

Na descrição que segue apresentam-se figuras que permitirão acompreensão da construção e do funcionamento do Mancai Magnético de ImãsPermanentes.

A Fig.1 apresenta dois mancais magnéticos de imãspermanentes montados nas extremidades de um eixo acoplado a uma massa,exemplificando sua utilização.

A Fig. 2 mostra a forma e as dimensões dos imãs utilizados e,também, o sentido de sua magnetização.

A Fig. 3 apresenta a vista frontal do Mancai Magnético de ImãsPermanentes. Mostra a parte externa e, dentro desta, a sua parte interna que éfixada ao eixo. Mostra, também, como são montados os imãs.

A Fig. 4 e a Fig. 5 mostram as propriedades magnéticas dos imãspermanentes que são utilizadas no Mancai Magnético de Imãs Permanentes.

As Fig. 6 e a Fig. 7 mostram porque uma montagem qualquer deimãs não produzem os resultados esperados.

A Fig. 8 mostra como montar os imãs de forma que ele funcionecomo desejado.

A Fig. 9 e a Fig. 10 mostram porque os imãs externos (domancai) e os internos (da parte presa ao eixo) devem ter o mesmo comprimentopara,que o eixo fique em equilíbrio no centro do mancai.

A Fig. 11 mostra imãs adicionais, colocados abaixo dos imãsinferiores da parte externa do mancai, cuja finalidade é aumentar a força desustentação do eixo de forma a permitir levitar eixos mais pesados.

Na figura 1 são mostradas as partes externas de dois MancaisMagnéticos de Imãs Permanentes 1, montados em um suporte fixo 6. Dentrodos mancais estão as suas partes internas 2 (presas ao eixo). Os mancaissustentam (levitam) o eixo 3 que pode girar, sustentando uma massa (carga)que pode ser, por exemplo, uma turbina 4. Para que a parte de dentro do mancainão saia do mesmo, fazendo o eixo se deslocar na direção axial, utilizam-seesbarros 5 bem próximos das partes internas dos mancais, nas extremidadesopostas do eixo. Caso as extremidades do eixo terminem nos mancais (nãotranspassem os mancais), esses esbarros podem ser posicionados nasextremidades do eixo. Na parte superior da parte externa do mancai não sãocolocados imãs para não cancelar a força exercida sobre o eixo pelos imãsinferiores, os quais sustentam o peso do eixo.

A Fig. 2 mostra o imã permanente, onde temos sua altura 1, seucomprimento 2 e sua largura 3. A figura mostra também o sentido demagnetização do imã que é a da face inferior para a face superior.

A Fig. 3 mostra a vista frontal da parte externa do mancai 1 e desua parte interna 2. Mostra as extremidades dos imãs 3 fixados à parte externado mancai 1 e as extremidades dos imãs 4 fixados na parte interna do mancai 2.Mostra, também, o furo no centro da parte interna do mancai 5 utilizado para afixação do eixo. O material utilizado na parte externa do mancai e na parteinterna do mancai deve ser não-magnetizável, como o alumínio ou o açoinoxidável, para que não interfira na ação dos imãs.

A Fig. 4 mostra as extremidades de imãs 1 produzindo camposmagnéticos que se originam na face inferior (N) e vão até a face superior (S).Estes campos se repelem devido às faces de mesma polaridade estarempróximas. Esta configuração é utilizada no Mancai Magnético de ImãsPermanentes. A Fig. 5 mostra outra configuração de imãs 1, onde os camposse atraem devido às faces de polaridade contrárias estarem próximas.

A Fig. 6 mostra as extremidades de imãs de mesmo tamanhoacima e abaixo 2. Os imãs de cima 1 e os de baixo 2 se repelem devido asfaces próximas terem polaridades iguais. Esta é a configuração utilizada nomancai, sendo que os imãs de cima representam aqueles fixados na parteexterna do mancai e os de baixo representam aqueles fixados na parte internado mancai.

A Fig. 7 mostra o que ocorre com o campo magnético quando osimãs de cima 1 e os de baixo 2 se deslocam devido ao giro da parte interna domancai, causada pelo giro do eixo. Neste caso, os imãs da parte externa domancai 1 e da parte interna 2 se atraem devido as frestas entre os imãs criaremcampos magnéticos de atração entre faces opostas, como mostra a figura 7. Afigura mostra que os imãs da parte externa do mancai não podem ser do mesmotamanho que os da parte interna do mancai, pois neste caso a parte externa domancai e a parte interna se aderem e o efeito de levitação não é obtido.

A Fig. 8 mostra imãs maiores montados na parte externa domancai 1 e menores montados na parte interna do mancai na proporção tal que,dois imãs da parte externa têm juntos a mesma largura que três imãs da parteinterna juntos. Nesta proporção, as forças de atração e repulsão, que ocorrem amedida que o eixo gira, têm um efeito resultante de repulsão (somando-seas forças de atração e as de repulsão) que impede a adesão da parte externado mancai com sua parte interna. Outras proporções de tamanho dos imãsexternos e internos podem ser utilizadas desde que a força resultante seja derepulsão, de forma a se obter o efeito de levitação do eixo.

A Fig. 9 mostra as partes externa 1 e interna do mancai 2, ambaspossuindo o mesmo comprimento. Se a parte interna do mancai 2 ficarexatamente alinhada dento dele, ela não será empurrada para fora em nenhumadas direções, ficando em equilíbrio dentro do mancai. Este equilíbrio é instável,uma vez que qualquer deslocamento da parte interna para fora da parte externado mancai produzirá forças que empurrarão a parte interna mais ainda para foradevido aos campos magnéticos que surgem, mostrados na figura 10. Para evitarque a parte interna do mancai saia da posição de equilíbrio, utilizam-se esbarroscomo mostrado na figura 1. Como a parte interna do mancai está emequilíbrio, nenhuma força é exercida por ela sobre os esbarros, de forma quenão há atrito nem desgaste significativo sobre o esbarro. A figura 10 ilustra asforcas de atração que ocorrem entre as partes internas e externas do mancai. Seessas não estiverem alinhadas uma dentro da outra, elas se colarão.

A Fig. 11 mostra imãs adicionais 1, colocados abaixo dos imãsinferiores da parte externa do mancai 2, cuja finalidade é aumentar a força quelevita o eixo, de forma a permitir levitar eixos mais pesados, sem aumentar otamanho do mancai. Pode-se também, ao invés de colocar imãs adicionais,utilizar imãs de altura maior na parte inferior do mancai.

Claims (16)

1.) Mancai Magnético de Imãs Permanentes com a função de levitar(sustentar sem contato) e estabilizar um eixo que gira por meio de forçasmagnéticas, caracterizado por utilizar imãs permanentes dispostos na parteexterna do mancai (que envolve o eixo, sem tocá-lo) e na parte interna domancai (fixa em volta do eixo), com polaridades opostas, de forma a serepelirem e não se tocarem.

2.) Mancai de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela utilizaçãode imãs no formato retangular, dispostos um ao lado do outro em volta domancai (tanto da parte externa, quanto da interna fixa ao eixo), tomando a formade um único imã com formato cilíndrico e com magnetização radial.

3.) Mancai de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelaexistência de uma parte externa, na forma de cilindro, que envolve o eixo semtocá-lo, com imãs fixados no mesmo.

4.) Mancai de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado pelaexistência de um parte interna, na forma cilíndrica, que envolve o eixo e é fixa aomesmo, com imãs fixados na mesma.

5.) Mancai de acordo com as reivindicações 1 e 3, caracterizado pelautilização (alternativa a montagem indicada na reivindicação 4) de imãs fixadosdiretamente ao eixo.

6.) Mancai de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizado pela nãocolocação de todos os imãs do lado de cima da parte externa do mancai, paranão cancelar a força exercida sobre o eixo pelos imãs da parte de baixo, osquais sustentam o peso do eixo.

7.) Mancai de acordo com as reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo usode imãs na parte externa do mancai (que envolve o eixo sem tocá-lo) e na parteinterna (fixa ao eixo) com polaridades magnéticas opostas, para exercerem forçacontrária a deslocamentos que possam ocorrer no eixo em relação a suaposição de equilíbrip^no centro do mancai, atenuando, assim, vibrações e outrasperturbações que possam ocorrer no eixo na direção radial.

8.) Mancai de acordo com as reivindicações 1 a 7, caracterizado pelautilização de esbarros que impedem o deslocamento axial do eixo, atuandosobre as faces externas das extremidades do eixo. Tais esbarros devem ficarmuito próximos das extremidades do eixo, mas não a uma distância nula(encostados) das mesmas para não dificultar o movimento do eixo.

9.) Mancai de acordo com as reivindicações 1 a 7, caracterizado pelautilização de esbarros que impedem o deslocamento axial do eixo (de formaalternativa a indicada na reivindicação 8), atuando sobre as faces da parteinterna do mancai e não sobre a extremidade do eixo, de forma a permitir que oeixo transpasse os mancais e prolongue-se.

10.) Mancai de acordo com as reivindicações 1 a 9, caracterizado pelautilização de imãs com comprimentos iguais na parte externa e na interna domancai, de forma que a parte interna do mancai fique em equilíbrio dentro daparte externa (ou seja, não haja forças que empurrem o eixo na direção axial emnenhum dos sentidos).

11.) Mancai de acordo comas reivindicações 1 a 10, caracterizado pelamontagem da parte interna do mancai exatamente dentro da parte externa, deforma que as faces das extremidades de ambos estejam num mesmo plano, afim de obter o equilíbrio (ou seja, não haja forças que empurrem o eixo nadireção axial em nenhum dos sentidos).

12.) Mancai de acordo com as reivindicações 1a 11, caracterizado pelautilização de imãs na parte externa do mancai 1 e na parte interna do mancai naproporção tal que, dois imãs da parte externa têm juntos a mesma largura quetrês imãs da parte interna juntos. Nesta proporção, as forças de atração erepulsão, que ocorrem à medida que o eixo gira, têm um efeito resultante derepulsão (somando-se as forças de atração e as de repulsão de todos os imãs)que impede a adesão da parte externa do mancai com sua parte interna.

13.) Mancai de acordo com as reivindicações 1 a 12, caracterizado pelautilização dos imãs da parte externa e interna do mancai com larguras(alternativas as indicadas na reivindicação 12) em proporção tal que as forçasresultantes exercidas sobre o eixo sejam de repulsão, impedindo a adesão daparte externa do mancai com sua parte interna.

14.) Mancai de acordo com as reivindicações 1 a 13, caracterizado pelautilização dos imãs de Terras Raras como Neodímio-ferro-boro, samário-cobalto,e outros, os quais não perdem a magnetização com o tempo nem sãodesmagnetizados por campos magnéticos comuns e, ainda, possuem forçaequivalente a até milhares de vezes o seu peso.

15.) Mancai de acordo com as reivindicações 1 a 14, caracterizado pelautilização opcional de imãs adicionais abaixo dos imãs inferiores da parteexterna do mancai, de forma que o mancai possa sustentar pesos maiores.

16.) Utilização do Mancai de acordo com as reivindicações 1 a 15 emaplicações que envolvem altas velocidades de rotação do eixo como centrífugase turbinas, como também em aplicações que envolvem baixas velocidades derotação, como motores empregados em equipamentos domésticos ouindustriais, geradores elétricos, ou qualquer máquina rotativa, caracterizada pelacapacidade do mancai de imãs permanentes de operar em baixas e altasvelocidades.