BR112017012887B1

BR112017012887B1 - Sistema de aterramento de mancais de máquinas elétricas girantes e máquina elétrica correspondente

Info

Publication number: BR112017012887B1
Application number: BR112017012887-0A
Authority: BR
Inventors: Nathan Magno Dos Santos; Alberto Brondani
Original assignee: Weg Equipamentos Elétricos S.a.
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2022-01-04
Also published as: BR112017012887A2; US10644575B2; WO2016094972A1; US20170353087A1

Abstract

a presente invenção se refere a um sistema de aterramento de mancais de máquinas elétricas girantes (200), especialmente para máquinas elétricas girantes (200) controladas por conversores de frequência, compreendendo um anel externo (1), um anel de contato (2), um anel de suporte (3), elementos de fixação dos anéis (4), eventualmente elementos de fechamento (5), elementos de fixação do conjunto (6), elementos de ajuste da escova (7), escova de material condutivo (8) e elemento de fixação por compressão (9), em que o anel externo (1) é dotado de pelo menos dois, preferencialmente de quatro a seis furos de alojamento (8a) para alojar uma ou mais escovas de aterramento (8). além disso, a presente invenção se refere a uma máquina elétrica dotada de um sistema de acordo com a invenção.

Description

Campo da invenção

[001] A presente invenção refere-se a um sistema de aterramento de mancais de máquinas elétricas girantes, preferencialmente para máquinas controladas por conversores de frequência, de forma a promover o aterramento elétrico do mancal evitando que a corrente elétrica danifique o dito componente.

Fundamentos da invenção

[002] Em máquinas elétricas girantes, a presença de corrente elétrica induzida é conhecida e é normalmente encontrada em motores trifásicos acionados por conversores de frequência.

[003] Os ditos conversores utilizam a tecnologia de modulação de largura de pulso para variar a velocidade de máquinas de corrente alternada, permitindo, assim, o uso de motores AC de menor custo em aplicações onde motores DC, atualmente mais caros, eram utilizados. A principal desvantagem da utilização de motores trifásicos com conversores de frequência é que a tensão de modo comum gerada pelo conversor aumenta as correntes induzidas no rotor da máquina elétrica.

[004] Com isso há o surgimento de um fluxo de corrente através dos rolamentos para a carcaça do motor onde tal corrente encontra o aterramento. Enquanto o motor está funcionando, os rolamentos tendem a se tornar mais resistentes ao fluxo de corrente, causando um acúmulo de carga elétrica nas superfícies do rotor.

[005] Durante um curto período de tempo, a tensão de modo comum produz cargas elétricas de níveis elevados e, devido a isso, tais cargas vencem a resistência elétrica conferida pelo mancal e um arco voltaico instantâneo passa através do dito mancal. Esta descarga provoca uma eletroerosão no componente, que pode danificar as superfícies das pistas de rolamento e as esferas do rolamento. Este fenômeno reduz a vida útil do mancal, podendo implicar em falha prematura do mesmo.

Estado da técnica

[006] Várias tecnologias têm sido utilizadas na tentativa de superar este problema. Tentativas conhecidas incluem o uso de graxas condutivas, rolamentos isolados e o uso de escovas de aterramento.

[007] Uma solução comum, de baixo custo e que tem sido largamente empregada, consiste em um eixo aterrado por escovas de cobre tensionadas por mola que fornecem um fluxo contínuo de corrente para o aterramento. Escovas de cobre, no entanto, se desgastam muito rapidamente e exigem frequentes manutenções. Outro aspecto desvantajoso relevante é a acumulação de óxido sobre o eixo e outras barreiras entre as escovas e o eixo tendem a reduzir o fluxo de corrente e provocar uma eletroerosão através da escova e o eixo.

[008] Os sistemas de aterramento que utilizam escovas possuem um suporte sem proteção contra choques mecânicos, o que leva a possíveis desalinhamentos das escovas e consequente vibração entre escova e eixo, o que pode resultar no surgimento de faíscas, fenômeno igualmente indesejado.

[009] Outra solução empregada no estado da técnica para aterramento de mancais é a utilização de filamentos que deslizam sobre o eixo do motor. Esta solução, contudo, além de possuir um alto custo não possibilita uma simples manutenção do sistema de aterramento, sendo necessário substituir o sistema de aterramento por completo.

[010] O documento US2004233592 descreve um sistema de aterramento com uma pluralidade de filamentos fixados a uma estrutura anular posicionada em torno do eixo do motor. Os filamentos são dobrados ao meio e presos no anel deixando as pontas projetadas para o centro onde tocam a superfície do eixo. Este sistema possui muitas desvantagens na tentativa de atenuar a corrente elétrica do eixo, como a sua fragilidade, exposição e dificuldade para realização da sua manutenção, que exige parada e desacoplamento do motor.

[011] O sistema revelado pelo documento US2004233592 inclui numerosos filamentos individuais. Quando o sistema é montado sobre o eixo de uma máquina, o alinhamento correto do anel para com eixo do motor depende apenas dos filamentos de fibra que suportam o anel de maneira uniforme em torno do eixo. Com exceção dos filamentos de fibra, não há nada para assegurar que os filamentos estejam adequadamente alinhados em relação ao eixo do motor. Em suma, os filamentos podem estar desalinhados em relação ao eixo do motor, diminuindo, desse modo, a mitigação de carga elétrica. Além disso, observa-se que não há possibilidade alguma de manutenção dos filamentos em caso de desgaste dos filamentos.

[012] O documento patentário de número US20110193446 descreve um sistema de aterramento por filamentos muito similar ao revelado por US2004233592. Ambos os sistemas não permitem a substituição das escovas que coletam a corrente do eixo sem a parada do equipamento e completa desmontagem do conjunto de aterramento.

[013] No documento patentário de número CN202435202U e também no documento US20070159763, as escovas são compostas por filamentos de uma fibra condutiva e estão expostas ao ambiente.

[014] Assim, existe a demanda por um sistema eficiente e robusto de aterramento que possa ser utilizado de forma eficaz durante um período prolongado de tempo, e que, ao mesmo tempo, requeira um mínimo de esforço para a substituição da escova de aterramento sem o uso de ferramentas e com possibilidade de substituição da mesma sem a necessidade de parada da máquina e sem comprometer o aterramento do eixo em operação.

Objetivos da invenção

[015] A presente invenção visa contornar as desvantagens do estado da técnica, eliminando a necessidade da parada da máquina elétrica girante para a manutenção do sistema de aterramento elétrico, através de um sistema mecanicamente protegido compreendendo uma pluralidade de escovas de aterramento removíveis sem a necessidade de utilização de ferramentas, em que as ditas escovas deslizam sobre o eixo ou sobre uma pista de deslizamento removível, sendo esta última configuração a preferencial. Este anel tem por objetivo preservar o eixo da máquina elétrica girante das marcas deixadas pelas escovas na superfície na qual entram em contato e promover um caminho de menor resistência para a corrente elétrica, usando materiais com resistência à passagem da corrente elétrica menor do que a do aço.

[016] A presente invenção também se propõe a oferecer um ambiente protegido para as escovas de aterramento com a possibilidade de instalação de vedações à frente do conjunto de aterramento, aumentando o grau de proteção de todo o conjunto.

[017] Finalmente, a presente invenção visa prover uma máquina elétrica girante utilizando o sistema proposto.

Breve descrição das figuras

[018] Figura 1: apresenta uma vista em perspectiva de um sistema deaterramento de mancais de máquinas elétricas girantes de acordo com a invenção;

[019] Figura 2: apresenta uma vista frontal de um sistema deaterramento de mancais de máquinas elétricas girantes de acordo com a invenção;

[020] Figura 3: apresenta uma vista lateral de um sistema deaterramento de mancais de máquinas elétricas girantes de acordo com a invenção;

[021] Figura 4: apresenta uma vista frontal de um sistema deaterramento de mancais de máquinas elétricas girantes de acordo com a invenção;

[022] Figura 5: apresenta uma vista lateral do corte A-A da figura 4;

[023] Figura 6: apresenta uma vista lateral do corte B-B da figura 4;

[024] Figura 7: apresenta uma vista frontal do conjunto da pista do anelde contato;

[025] Figura 8: apresenta uma vista lateral do corte A-A da figura 7; e

[026] Figura 9: apresenta uma vista em perspectiva de uma máquinaelétrica girante dotada de um sistema de acordo com a invenção.

Descrição detalhada da invenção

[027] O sistema de aterramento mecanicamente protegido de acordo com a invenção, ou simplesmente sistema (100), compreende um anel externo (1), um anel de contato (2), um anel de suporte (3), elementos de fixação dos anéis (4), eventualmente elementos de fechamento (5), elementos de fixação do conjunto (6), preferencialmente parafusos, elementos de ajuste da escova (7), escova de material condutivo (8) e elemento de fixação por compressão (9).

[028] O anel externo (1) oferece suporte e proteção para os demais componentes centralizando o conjunto através de um encaixe interno ou externo localizado na tampa frontal de uma máquina elétrica girante (200) dotada de eixo (210).

[029] O anel externo (1) é confeccionado em material condutivo, preferencialmente alumínio (1), sendo dotado de furos de alojamento (8A) nos quais serão alojadas escovas de aterramento (8), igualmente de material condutivo, furos de fixação para alojar os elementos de fixação (6), e, finalmente, um espaço para alojar o conjunto da pista do anel de contato (2). Caso seja solicitado, nele é possível a instalação de sistemas de vedação, tornando o sistema protegido com grau de proteção até IP66.

[030] Em uma modalidade preferencial da invenção, o anel externo (1) é dotado de pelo menos dois, preferencialmente de quatro a seis furos de alojamento (8A).

[031] O conjunto da pista de contato é formado por um anel de contato (2), de material com condutividade superior à do aço, preferencialmente cobre, pelo qual ocorre o contato com as escovas de aterramento (8) e seus elementos de fixação, que são: um anel de suporte (3), elemento de fixação por compressão (9) e os elementos de fixação dos anéis (4).

[032] Quando o elemento de fixação dos anéis (4) desse conjunto é apertado, promove-se a aproximação dos anéis de suporte (3) e do anel de contato (2). No diâmetro interno desses anéis (2, 3), são usinados chanfros onde se aloja o elemento de fixação por compressão (9). Com a aproximação dos anéis (2, 3), o ângulo entre os chanfros se fecha,forçando o elemento de fixação por compressão (9) contra o eixo (210) da máquina elétrica girante (200). A pressão deste elemento de fixação por compressão (9) sobre a superfície do eixo (210) mantém o conjunto fixo.

[033] Em uma modalidade preferencial da invenção, alguns furos de alojamento (8A) podem não ser ocupados por escovas de aterramento (8), sendo os furos de alojamento (8A) não utilizados fechados por elementos de fechamento (5). Os elementos de fechamento (5) são, preferencialmente, parafusos sem cabeça que servem, portanto, para tampar os furos de alojamento (8A) que não possuem escovas de aterramento (8) no seu interior.

[034] As escovas de aterramento (8) são, preferencialmente, bastões de material condutivo, especialmente grafite puro ou grafite com componentes metálicos. Possuem uma mola condutiva (8B) presa em sua extremidade superior e um ponto de contato elétrico na extremidade da mola condutiva (8A).

[035] A fixação das escovas de aterramento (8) pode ser feita em qualquer um dos furos de alojamento (8A) presentes no anel externo (1). Os furos de alojamento (8A) possuem parte do seu comprimento roscado, e parte lisa. A parte lisa apenas aloja as escovas de aterramento (8), mantendo-as posicionadas radialmente em relação ao eixo (210). Na parte roscada dos furos de alojamento (8A) são montados os elementos de ajuste da escova (7), os quais limitam o comprimento de cada um dos furos de alojamento (8A) a fim de comprimir as molas condutivas (8B) das escovas de aterramento (8).

[036] Na extremidade aparente dos elementos de ajuste das escovas (7), há um manípulo recartilhado para que possam ser montados e removidos sem o uso de ferramentas dando acesso às escovas de aterramento (8).

[037] O sistema (100) conta com a previsão para a montagem de uma pluralidade de escovas de aterramento (8), em posições diversas podendo estar localizadas em posições simétricas ou não.

[038] O objetivo do sistema (100) é oferecer um caminho alternativo ao rolamento (não mostrado) para o escoamento eficaz da corrente elétrica.

[039] Essa corrente passa do eixo (210) da máquina elétrica girante (200) para a pista do anel de contato (2) montada no eixo (210), sendo então transferida para as escovas de aterramento (8) em contato com ela. As escovas de aterramento (8) são mantidas em contato com a pista do anel de contato (2) por molas condutivas (8B), de material condutivo, com um contato elétrico na sua extremidade. Esse contato transfere a corrente para os elementos de ajuste das escovas (7) e para o anel externo (1) que suporta o conjunto. Dalí, finalmente, a corrente elétrica pode escoar para o aterramento (não mostrado) através do contato entre o sistema (100) da invenção e a superfície usinada da tampa do mancal da máquina elétrica girante (200).

[040] As escovas condutivas (8) e a pista de contato do anel de contato (2) estão protegidas robustamente pelo anel externo (1). Este anel externo (1) pode ainda ser adaptado para a instalação de vedações na sua parte dianteira, podendo elevar-se o grau de proteção do sistema até o nível IP66.

Conclusão

[041] Será facilmente compreendido por aqueles versados na técnica que modificações podem ser realizadas na presente invenção sem com isso se afastar dos conceitos expostos na descrição acima. Essas modificações devem ser consideradas como compreendidas pelo escopo da presente invenção. Consequentemente, as concretizações particulares descritas em detalhe anteriormente são somente ilustrativas e exemplares e não limitativas quanto ao escopo da presente invenção, ao qual deve ser dada a plena extensão das reivindicações em anexo e de todos e quaisquer equivalentes da mesma.

Claims

1. Sistema de aterramento de mancais de máquinas elétricas girantes controladas por conversores de frequência, compreendendo um anel externo (1), um anel de contato (2), um anel de suporte (3), elementos de fixação dos anéis (4), eventualmente elementos de fechamento (5), elementos de fixação do conjunto (6), elementos de ajuste da escova (7), a escova de material condutivo (8) e um elemento de fixação por compressão (9), caracterizado pelo fato de que o anel externo (1) é fornecido com entre dois e seis furos de alojamento (8A) para alojar uma ou mais escovas de aterramento (8), em que são usinados chanfros em um diâmetro interno do anel de contato (2) e do anel de suporte (3) onde se aloja o elemento de fixação por compressão (9).

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fixação do conjunto se dá com o aperto dos elementos de fixação dos anéis (4), pelo que se dá a aproximação dos anéis (2, 3) e a diminuição do ângulo entre os chanfros, forçando o elemento de fixação por compressão (9) contra o eixo (210) da máquina elétrica girante (200).

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os furos de alojamento (8A) quando não utilizados são fechados por elementos de fechamento (5).

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as escovas de aterramento (8) são bastões de material condutivo compostos por grafite puro ou grafite com componentes metálicos e que possuem uma mola condutiva (8B) presa em sua extremidade superior e um ponto de contato elétrico na extremidade da mola condutiva (8A).

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os furos de alojamento (8A) possuem parte do seu comprimento roscado, e parte lisa.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que na extremidade aparente dos elementos de ajuste das escovas (7), há um manípulo recartilhado.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma parte dianteira do anel externo (1) pode igualmente compreender uma ou mais vedações.

8. Máquina elétrica correspondente, caracterizado pelo fato de compreender um sistema (100) conforme as reivindicações 1 a 8.