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Considerações sobre o design de servomotores para ambientes perigosos

Embora servomotores e drives sejam predominantes em uma ampla variedade de aplicações industriais, o que deve ser considerado quando eles operam em ambientes extremos ou perigosos? Em muitos casos, o próprio motor opera em ambientes extremos, enquanto os componentes eletrônicos do drive estão protegidos de perigos. Este blog aborda os desafios de desempenho do servomotor e as considerações de design necessárias quando um motor opera em ambientes extremos.

Tipos de ambientes:

Extremos de temperatura – O servomotor típico é classificado para um ambiente industrial baseado em uma temperatura ambiente de 40 °C. As temperaturas operacionais geralmente variam de um mínimo de -10 °C a uma tempeartura ambiente alta de 50 °C. Em aplicações adjacentes a um forno ou operações em um ambiente de fundo de poço, as temperaturas podem ser muito mais altas. Na refrigeração, armazenamento refrigerado, sistemas criogênicos ou no pólo sul, podem ocorrer temperaturas de -40 °C e inferiores.

Vácuo– Os motores padrão são projetados para operar dentro de uma faixa limitada de pressão atmosférica. Certas aplicações de usinagem ou conjuntos críticos podem exigir operação dentro de um vácuo para um determinado processo para limitar os efeitos causados pela pressão atmosférica. Aplicações relacionadas a alta altitude e espaço também operam dentro de condições relacionadas ao vácuo aumentado.

Sala limpa – Frequentemente vistas em conjunto com as aplicações de vácuo industrial, as salas limpas têm limitações estritas em relação aos contaminantes introduzidos no ambiente pela liberação de gás.

ÁguaMotores elétricos e água não combinam bem. Os motores padrão são classificados para níveis de vedação de poeira e umidade com base em uma classificação IP, com a maioria dos projetos estabelecidos em IP54. Ambientes úmidos exigem classificações de IP65 e superiores. Na indústria de processamento de alimentos, é comum encontrar uma variedade de condições em que a proteção é necessária contra pulverização de água e corrosão. Lavagens de alta pressão ou períodos de submersão também podem ser necessários. As aplicações submersíveis precisam de proteção contra a entrada de água e também precisam ser consideradas para requisitos de pressão mais elevados.

Higiênico – Um subconjunto de requisitos de processamento de alimentos, os ambientes higiênicos não apenas requerem lavagens de alta pressão e alta temperatura, mas também precisam prevenir o crescimento de patógenos nas superfícies do motor. Motores projetados com carcaças de alumínio ou aço funcionam bem na maioria dos ambientes industriais, mas são inaceitáveis para uso em condições higiênicas devido à oxidação e irregularidades de superfície que podem estimular agentes patogênicos.

Explosivo – Aplicações em elevadores de grãos, moinhos de farinha, moinhos têxteis ou outras instalações que contenham gases combustíveis, poeira, vapores ou fibras requerem projetos de motor particularmente adequados para esses perigos específicos.

Radiação – As aplicações de motores nas proximidades de um reator nuclear ou em certos ambientes do espaço sideral, onde altos níveis de radiação estão presentes, apresentam um desafio na seleção de materiais de motor para minimizar a degradação ao longo do tempo.

Alta vibração e choque  – Os servomotores padrão são projetados para lidar com a vibração em excesso em relação aos ambientes industriais típicos; no entanto, para altos níveis de vibração repetidos ou vibrações de impacto repentino, são necessárias considerações adicionais.

Considerações específicas baseadas no ambiente

Cada ambiente destacado acima representa desvios do ambiente industrial típico que o projetista do motor deve conciliar. As combinações dessas condições ambientais (como um ambiente extremamente frio e um ambiente extremamente quente) são ainda mais difíceis de atenuar.

Extremos de temperatura– Todos os motores são classificados com base no aumento de temperatura nas bobinas do motor em comparação com uma temperatura ambiente específica. O aumento de temperatura aquece as bobinas a uma classificação de temperatura máxima permitida com base no sistema de isolamento do motor, que é então atribuída a uma classificação de classe específica (F, H etc.). Em uma condição de ambiente quente, o motor é limitado na produção de torque por sua capacidade específica de dissipar as perdas para evitar o superaquecimento das bobinas do motor. Uma adaptação para este ambiente é reduzir a potência do motor com base na diferença entre a temperatura nominal e a temperatura ambiente. Outra consideração é melhorar o sistema de isolamento com um isolamento de classe com classificação mais alta, permitindo um maior aumento de temperatura. Outros métodos para lidar com o aumento da temperatura são resfriar o motor, movendo o ar sobre ou através da peça, ou por resfriamento por líquido que injeta fluido através de uma carcaça de motor personalizada. Ambientes frios afetam o motor de outras maneiras, como o desempenho da graxa do rolamento ou até mesmo o quão quebradiço o material do motor pode se tornar (como o fio condutor). A seleção cuidadosa dos materiais do motor e da lubrificação dos rolamentos pode satisfazer as preocupações com o ambiente em baixas temperaturas.

Vácuo– No vácuo, há recursos de convecção limitados para dissipar o calor do motor, então, assim como no caso de preocupações com alta temperatura, o motor precisa ser reduzido ou deve-se empregar um meio para aumentar a condução de calor para longe do motor. A seleção do material do motor e do rolamento também pode ser crítica devido às propriedades de liberação de gases dos materiais do motor e lubrificação do rolamento.

Sala limpa – A seleção do material é crítica para um motor usado em um ambiente de sala limpa. Dependendo do nível de classe da sala limpa, os materiais usados na construção do motor devem ser examinados quanto às propriedades de liberação de gás com base nos níveis de temperatura e pressão atmosférica que estarão presentes na sala limpa. Materiais como fio condutor, graxa de rolamento e vedações de eixo são muito suscetíveis à liberação de gases por partículas moleculares que podem contaminar o ambiente da sala limpa.

Água – Métodos de vedação evitam infiltração indesejada de água que pode entrar em contato com materiais internos sujeitos à corrosão. A simples adição de vedações pode não resultar em um design robusto e resistente à água. Um motor considerado bem vedado pode, na verdade, ter um problema inerente relacionado à pressão interna associada aos ciclos naturais de aquecimento e resfriamento do motor. Conforme a temperatura do motor aumenta, a pressão interna resultante empurra as vedações. Conforme o motor esfria, a redução na pressão interna puxa a vedação para dentro. A flexão contínua da vedação eventualmente fará com que a vedação falhe. Se o motor puder respirar conforme sua temperatura aumenta, a pressão interna não aumentará para criar desgaste nas vedações. Os projetos de motores elétricos submersíveis incorporam um fluido interno não corrosivo e uma bexiga de pressão que acomoda as mudanças de pressão quando o motor é submerso em profundidades maiores.

Higiênico – Semelhante a ambientes úmidos, a vedação é importante em aplicações higiênicas. Além disso, para evitar o crescimento de patógenos em rachaduras e fendas, o aço inoxidável é necessário em todas as superfícies expostas do motor. A carcaça do motor deve ter bordas arredondadas, sem juntas ou ferragens de conexão que possam coletar líquidos e todas as áreas planas são inclinadas em relação à posição de montagem. Os materiais de vedação e os cabos são especificados com base nos requisitos de grau alimentício em aplicações da indústria alimentícia. O requisito de vedação típico é IP69K (alta pressão, alta temperatura com produtos químicos cáusticos).

Explosivo – As questões de ambientes explosivos requerem mitigação com base no gás, vapor, fibra ou poeira específica no ambiente que pode causar uma explosão. O motor é projetado de forma que, se os enrolamentos entrarem em curto e criarem uma explosão interna, a carcaça do motor limitará e conterá caminhos potenciais de chama em cada junta do motor. As classificações específicas à prova de explosão são regidas pela UL nos Estados Unidos, ATEX na Europa ou pelo CCC na China. A classificação especifica o perigo explosivo específico e a gravidade.

Radiação – Ambientes radioativos são medidos pela dose total integrada, que identifica o nível de radiação em um período de tempo específico. A seleção do material do motor é baseada nesta métrica. Os materiais padrão do motor se degradarão em um curto período de tempo em altos níveis de radiação. No entanto, um motor endurecido por radiação com seleção de material tolerante aos níveis de dose integrados totais resistirá por longos períodos.

Vibração e choque – A direção do choque e a frequência da vibração determinarão as melhores opções para mitigar potenciais danos ao motor. Uma solução comum envolve a escolha do sistema de rolamento e dispositivo de feedback. Em um ambiente de alto choque, um dispositivo de feedback robusto, como um resolver, é uma escolha melhor do que um encoder de escala de vidro frágil. Diferentes tipos ou tamanhos de rolamentos podem ser apropriados, dependendo dos níveis de choque e vibração.

Embora cada uma dessas condições represente desafios para o projetista do motor, vários motores operaram com sucesso nesses tipos de ambientes. Os projetistas devem examinar as aplicações bem-sucedidas em ambientes semelhantes para ajudar a escolher os materiais corretos do motor e a construção mecânica adequada para o ambiente perigoso ou extremo.

Sobre o Autor

Kollmorgen Experts

Esse blog foi um esforço colaborativo do time de motion e dos experts em automação na Kollmorgen, incluindo especialistas da engenharia, atendimento ao cliente e de desenvolvimento de projetos. Sempre que você começar um projeto, estamos aqui para ajudá-lo.

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