Dado que anteriormente foram abordadas considerações generalizadas sobre os AELs e os GELs, procura-se neste subcapítulo uma maior especificidade sobre os actuadores lineares de indução (ALIs).
Tendo sempre presente a reversibilidade das máquinas eléctricas, sendo a máquina assíncrona considerada um motor de indução rotativo, cedo se começaram a implementar máquinas que, para determinadas aplicações industriais, tivessem movimentos lineares. Assim surgiram os primeiros estudos sobre os chamados motores ou actuadores lineares de indução - MLIs ou ALIs [11, 14, 39] (que, por analogias de funcionamento, se podem subdividir em actuadores lineares de indução planos - ALIPs, actuadores lineares de indução tubulares - ALITs, e actuadores lineares de indução rotativos - ALIRs), em que a primeira patente de uma sua aplicação data de 1851, tendo Zehden, em 1905, registado uma patente de um motor linear de indução plano (MLIP) para tracção eléctrica a altas velocidades. Uma das mais importantes aplicações, durante a Segunda Guerra Mundial, foi desenvolvida pela Westinghouse para catapultar aviões. Devido à sua rápida evolução surgem na década de 1960 os primeiros fabricantes de motores lineares comerciais [07, 11, 64], tendo o maior fabricante a nível mundial, especializado em motores para aplicações em regime estático e para baixas velocidades, produzido e comercializado, desde da década de 60, cerca de meio milhão de unidades. Sobre este assunto, diversos livros e numerosos artigos têm sido publicados muito recentemente.
È de reconhecimento internacional que os ALIs tiveram uma significativa evolução, nos últimos quarenta anos, devido fundamentalmente aos trabalhos do Professor E. R. Laithwaite e de outros investigadores nacionais, Professores Carlos Cabrita e Leão Rodrigues, e internacionais. A grande maioria dos trabalhos de investigação sobre os MLIPs referem-se a máquinas para altas velocidades, havendo ainda mais alguns campos de estudo e de ensaio relativamente a motores de lineares para baixas velocidades [72]. Com efeito, devido ao entreferro do ALI ser comparativamente maior do que o do motor de indução rotativo, a densidade de fluxo no circuito magnético é também menor, o que se traduz por perdas no ferro desprezáveis.
Como se sabe, a qualidade de uma máquina eléctrica convencional é medida pelo seu rendimento. Embora de construção mais simples, os ALIs apresentam uma eficiência inferior aos clássicos motores assíncronos, mas têm a vantagem de não necessitarem de sistemas mecânicos de conversão no caso de se pretender directamente movimentos rectilíneos. Contrariamente ao que sucede com os motores lineares para tracção eléctrica, o rendimento e o factor de potência são parâmetros com menor importância no que respeita aos ALIs, não só pelo facto das potências em jogo serem bastante reduzidas, como também pelo conjunto de vantagens apresentadas, que tornam, por vezes, os accionamentos com ALIs imbatíveis face aos accionamentos rotativos homólogos [12, 26].
Os ALIs são máquinas electromagnéticas que, sem recorrer a complexos sistemas de transformação, podem ser capazes de produzir movimentos unidireccionais e/ou oscilatórios de pequeno curso. Este movimento ocorre por causa da força electromagnética desenvolvida no próprio actuador (força de Lorenz ou, simplesmente, força de Laplace); por outras palavras, são máquinas que transformam energia eléctrica em energia mecânica.
Assim os ALIs, como máquinas de movimentos lineares simples, são caracterizados pela obtenção de forças, em que a mais importante é geralmente a que se obtém segundo o eixo longitudinal. De um modo geral, as forças são avaliadas para um dado intervalo de tempo, ou para um simples pico de corrente de curta duração, quer em regime estático quer em regime dinâmico.
Poucos são os ALIs que trabalham continuamente. São típicos os que funcionam durante pequenos intervalos em cada ciclo de funcionamento. Por outro lado, o sistema de arrefecimento do primário deve ser especificado para se determinar, com alguma exactidão, o valor máximo da densidade de corrente nos enrolamentos dos ALIs.
Os ALIs para aplicações de baixas velocidades têm sofrido um incremento significativo nos últimos anos, como prova a qualidade e alguma quantidade de artigos técnicos e científicos apresentados na Bibliografia (Referências Bibliográficas). Esse domínio tem- se verificado não só na área da investigação teórica e experimental, essencialmente universitária, como também na indústria.
Os ALIs, quando utilizados como variáveis de tensão e de frequência, são geralmente implementados com conversores estáticos de potência ou com fontes inversoras de tensão, com o objectivo de se obterem boas conversões de energia e, para além disso, um controlo da força e do posicionamento. A fonte de corrente alternada (ac), geralmente trifásica com conversores estáticos de potência, é especificada em termos de tensão e de frequência.
O rendimento de um sistema de controlo de um ALI deve também ser especificado, devido ao balanço de todas as potências em jogo na transferência dos diversos tipos de energia (mecânica e eléctrica).
Finalmente, o primário de um ALI deve usar apoios ou chumaceiras lineares, ou, por vezes, ser ligado directamente à máquina de trabalho ou, ainda, usar um sistema de levitação para produzir movimentos sem contactos mecânicos. Para movimentos oscilatórios do primário, acima de 2 a 3 m, neste caso com enrolamentos trifásicos, o indutor geralmente é considerado a parte em movimento. Por vezes, é necessário um cabo eléctrico flexível, que alimenta da fonte ao primário. Se o comprimento do curso do ALI é considerado grande, acima de 20 m, as secções dos enrolamentos do primário são colocadas ao longo de um trilho, enquanto que o secundário, de enrolamentos, por exemplo, em gaiola, actua como peça móvel. Por outro lado, as configurações tubulares, de que é particularmente o objectivo do estudo deste trabalho, são aconselhadas para cursos não superiores a 0,5 m.
1.2 DESCRIÇÃO DOS ACTUADORES LINEARES DE INDUÇÃO
TUBULARES
Os motores lineares de indução tubulares (MLITs), também chamados ALITs, são máquinas assíncronas que têm vindo a despertar cada vez mais interesse na indústria devido à sua relativa simplicidade construtiva e à sua robustez. O princípio de funcionamento de um ALIT é análogo ao do seu homólogo linear plano (ALIP).
Os ALITs podem ser aplicados em cadeias de enchimento de vasilhame (unidades de transferência), abertura de portas de garagens, robótica, e no accionamento de sistemas de comando na indústria aeronáutica e naval; pois substituem com vantagem os clássicos êmbolos pneumáticos, hidráulicos ou óleo-hidráulicos, uma vez que não carecem de condutas, válvulas, e compressores que têm de estar intermitentemente ligados devido às perdas de carga nas canalizações. Estes actuadores tubulares, que são simples êmbolos eléctricos de movimentos alternativos ou bidireccionais, são máquinas que apresentam uma muito boa relação força peso a baixo custo, e são praticamente isentos de manutenção, o que os torna bastante fiáveis [16].