MANCAIS MAGNÉTICOS ATIVOS

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Faculdade Pitágoras 
Júlio Cesar da Silva 
AVALIAÇÃO DE MANCAIS MAGNÉTICOS APLICADOS EM SOPRADORES DE 
AR PARA ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTO 
Betim 
 Julho 2015 
Faculdade Pitágoras 
Júlio Cesar da Silva 
AVALIAÇÃO DE MANCAIS MAGNÉTICOS APLICADOS EM SOPRADORES DE 
AR PARA ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTO 
Trabalho de Conclusão de Curso 
apresentado à Faculdade Pitágoras – 
Campus Betim como requisito parcial 
para obtenção do título de graduado 
em Engenharia Mecânica. 
 
Orientador: Prof. José Dias Pena 
 
 
 
Betim 
Julho 2015 
DEDICATÓRIA 
Aos colegas de turma pela oportunidade de convívio e crescimento que tivemos 
juntos durante essa etapa de nossas vidas, e aos mestres que, com coragem e 
sabedoria, souberam conquistar a minha admiração. 
À minha amada família que me deu todo apoio necessário, e em especial à minha 
querida filha Nathália Gabrielli. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
AGRADECIMENTOS 
Agradeço sobretudo à Deus pelo privilégio concedido, para que eu pudesse chegar 
até aqui. 
À minha família que durante toda essa jornada suportou a minha ausência, e ainda 
assim deu incentivo e apoio incondicional para que eu me ocupasse de ânimo para 
vencer mais essa etapa importante que hoje se concretiza. 
Ao Professor e orientador Geisiel Moreira de Assis, pelo apoio, dedicação e 
incentivo. 
Ao Coordenador e Professores do Curso de Engenharia Mecânica e demais 
colaboradores da Faculdade Pitágoras. 
Aos Colegas de Turma e a Todos que direta ou indiretamente contribuíram para a 
conclusão deste Curso. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
“Bom mesmo é ir à luta com determinação, abraçar a vida com paixão, perder com 
classe e vencer com ousadia, porque o mundo pertence a quem se atreve e a vida é 
‘muito’ para ser insignificante.” Augusto Branco 
RESUMO 
No processo de tratamento de esgoto com aeração, os sopradores de ar são usados 
para produzir ar pressurizado e enviá-lo para a área de oxigenação. Tipicamente, os 
sopradores de ar são aplicados quando se necessita de grande volume de ar e baixa 
pressão. Nas últimas três décadas os avanços tecnológicos permitiram uma 
verdadeira revolução no projeto de máquinas, e o mesmo foi observado em relação 
à evolução dos mancais de apoio, que ao longo do tempo passaram por várias 
melhorias significativas, tais como o surgimento dos mancais de cerâmica e o 
surgimento dos mancais magnéticos, que proporcionam projetos de máquinas de 
eixos com maior capacidade de cargas e velocidades de giro muito maiores que as 
observadas anteriormente. Esses e outros fatores de ordem tecnológica 
combinaram-se de forma a permitir que os projetos de máquinas atuais rompessem 
com os limites impostos pelas soluções puramente mecânicas, e entrassem em uma 
era de sistemas mecatrônicos integrados de alta eficiência. O trabalho em questão 
tem como objetivo investigar quais as principais vantagens e desvantagens dos 
mancais magnéticos frente aos mancais convencionais, aplicados em sopradores de 
ar nas estações de tratamento de esgoto, bem como verificar quais tecnologias são 
utilizadas na construção e emprego de um mancal magnético de levitação. A 
aplicação de sistemas de levitação magnética tem proporcionado características 
atraentes e na maioria dos casos possibilita o aumento do desempenho do sistema 
com redução significativa do consumo de energia. 
PALAVRAS-CHAVE: Mancais magnéticos, Compressores de ar, Estações de 
Tratamento de Esgoto. 
 
 
 
ABSTRACT 
In the process of sewage treatment aeration, air blowers are used to produce 
pressurized air and send it to the oxygenation area. Typically, the air blowers are 
applied when it requires large air volume and low pressure. In the last three decades, 
technological advances have enabled a revolution in machine design, and the same 
was observed regarding the evolution of the support bearings, which over time have 
undergone several significant improvements such as the emergence of ceramic 
bearings and the emergence of magnetic bearings, which provide axis machine 
designs with greater load capacity and working speeds much higher than those 
observed previously. These and other technology-related factors have combined in 
order to allow current machine designs break with the limitations imposed by purely 
mechanical solutions, and enter into an era of integrated mechatronic systems with 
high efficiency. The work in question aims to investigate what are the main 
advantages and disadvantages of magnetic bearings compared to the conventional 
bearings, applied to air blowers in sewage treatment plants as well as determine 
which technologies are used in the construction and use of a magnetic bearing 
levitation. The application of magnetic levitation systems have provided compelling 
features and in most cases provides increased system performance with a significant 
reduction of energy consumption. 
KEY WORDS: Magnetic bearings, Air compressors, Sewage Treatment Plants. 
 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
FIGURA 1 - Comparação da eficiência energética dos tipos de acionamento .......... 13 
FIGURA 2 - Mancal deslizamento ............................................................................. 18 
FIGURA 3 - Mancal de rolamento ............................................................................. 19 
FIGURA 4 – Mancal radial magnético de levitação ................................................... 20 
FIGURA 5 - Funcionamento típico de um mancal de levitação magnética ativo ....... 22 
FIGURA 6 - Projetos de conjunto acionamento direto. .............................................. 23 
FIGURA 7 – Trem de levitação magnética ................................................................ 24 
FIGURA 8 - Mancal de ímãs permanentes ............................................................... 25 
FIGURA 9 - Mancal axial supercondutor ................................................................... 25 
FIGURA 10 - Vista aérea da estação de tratamento do Arrudas ............................... 26 
FIGURA 11 - Casa dos sopradores e reatores de lodo ativado ................................ 27 
FIGURA 12 – Consumo elétrico dos sopradores ...................................................... 28 
FIGURA 13 - Soprador de ar HV Turbo, modelo KA66-SV ....................................... 29 
FIGURA 14 - Soprador de ar Sulzer, modelo HST 40-400 ........................................ 30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS 
ABCM – Associação Brasileira de engenharias e Ciências Mecânicas 
COPASA – Companhia de Saneamento de Minas Gerais 
E.T.E. – Estação de Tratamento de Esgotos 
MMA – Mancais Magnéticos Ativos 
PID - Proporcional Integral Derivativo 
RLA – Reator de Lodo Ativado 
VSD – Variable Speed Drive (Drive de velocidade variável) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 10 
1.1. Objetivo ........................................................................................................ 11 
1.1.1. Objetivos específicos ............................................................................. 11 
1.2. Justificativa ................................................................................................... 11 
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................... 152.1. Estação de tratamento de esgoto ................................................................ 15 
2.1.1. ETE Arrudas .......................................................................................... 16 
2.2. Sopradores de ar ......................................................................................... 17 
2.3. Mancais de deslizamento ............................................................................. 17 
2.4. Mancais de rolamento .................................................................................. 18 
2.5. Mancais não fluidodinâmicos ....................................................................... 19 
2.5.1. Mancais magnéticos de levitação .......................................................... 19 
2.6. Campo de aplicação dos mancais magnéticos ............................................ 20 
2.7. Funcionamento típico de um mancal magnética ativo ................................. 21 
2.8. Mancais magnéticos nos projetos de acionamentos diretos ........................ 22 
2.9. Classificação dos mancais magnéticos de levitação .................................... 23 
2.9.1. Mancais magnéticos passivos ............................................................... 23 
2.9.2. Mancais magnéticos passivos de imãs permanentes ............................ 24 
2.9.3. Mancais magnéticos passivos supercondutores ................................... 25 
3. ESTUDO DE CASO ............................................................................................ 26 
4. METODOLOGIA ................................................................................................. 31 
5. RESULTADOS ................................................................................................... 32 
5.1. Sugestões para trabalhos futuros ................................................................ 32 
6. CONCLUSÃO ..................................................................................................... 33 
 
 
10 
 
1. INTRODUÇÃO 
Mesmo antes do início da revolução industrial, já se tinha notícias da utilização dos 
mancais de apoio, também conhecidos como mancais de rolamentos, em sua forma 
mais rudimentar. Foi no início da era industrial que os rolamentos começaram a se 
aperfeiçoar pela necessidade de produzir e conduzir objetos com maior rapidez nos 
processos de manufatura mecanizada. Até meados dos anos 70 do século XX, os 
mancais de apoio evoluíram somente com base em soluções puramente mecânicas, 
passando por uma transformação significativa de sua forma construtiva, de um modo 
geral tornando-os mais compactos através da redução de massa e principalmente 
da redução do atrito, com a utilização de materiais e lubrificantes de alto 
desempenho. 
O funcionamento das máquinas e equipamentos modernos depende, principalmente, 
do funcionamento perfeito dos mancais nelas existentes. A falha dos mancais sejam 
eles dos tipos deslizamento, rolamento ou mancais magnéticos é motivo suficiente 
para fazer as máquinas pararem de funcionar. A maioria das máquinas e 
equipamentos possui mancais e é sua função posicionar um elemento de máquina 
que gira em relação a outro, em outras palavras, os mancais são componentes de 
máquinas destinados a assegurar movimentação rotativa com baixo nível de atrito 
entre duas superfícies, também é destinado a suportar as solicitações de carga e 
rotação de eixos, rotores e árvores. 
De um modo geral, os mancais fluidodinâmicos ou convencionais se dividem em 
dois principais tipos, tais como os mancais de deslizamento e os mancais de 
rolamentos. Essa classificação tem como parâmetro o tipo de movimento a ser 
realizado. Os mancais de deslizamento, normalmente são empregados em 
condições que se têm uma carga elevada e uma baixa rotação, por outro lado os 
mancais de rolamentos têm seu emprego em condições de baixas cargas e 
elevadas rotações. 
 Atualmente, além da classificação dos mancais fluidodinâmicos, surgiram os 
mancais magnéticos, como uma nova concepção de mancais que se apresenta de 
forma inovadora com a proposta de solução das principais limitações de aplicação 
11 
 
dos mancais fluidodinâmicos. Os mancais magnéticos podem ser empregados em 
condições onde se têm cargas elevadas e rotações maiores que as envolvidas nos 
mancais fluidodinâmicos. 
A aplicação de sistemas de levitação magnética nos mancais de sopradores de ar 
aplicados nas estações de tratamento de esgoto proporciona características 
atraentes, podendo citar como a principal delas a redução do atrito mecânico entre 
as partes envolvidas e consequentemente o desgaste das mesmas, levando assim a 
redução dos esforços de manutenção, nesse caso possibilita também o aumento do 
desempenho do equipamento. 
1.1. Objetivo 
Avaliar a aplicação de mancais magnéticos em substituição aos mancais 
convencionais para medição da eficiência de um soprador de ar aplicado em uma 
estação de tratamento de esgoto. 
1.1.1. Objetivos específicos 
 Estudar a viabilidade técnica e o campo de aplicação dos mancais 
magnéticos em sopradores de ar aplicados nas estações de tratamento de 
esgoto. 
 Identificar o uso e aplicação da tecnologia dos mancais magnéticos nos 
diversos tipos de equipamentos industriais; 
 Conhecer sobre a tecnologia utilizada nos mancais de levitação magnética; 
 Verificar as vantagens e desvantagens da aplicação dos mancais magnéticos 
frente aos mancais fluidodinâmicos. 
1.2. Justificativa 
O emprego dos mancais magnéticos em máquinas e equipamentos abre uma nova 
era no conceito de projetos e construção de equipamentos, isto porque esta 
12 
 
tecnologia possibilita alcançar determinados objetivos de forma simples, eliminando 
diversos problemas gerados por componentes sujeitos ao atrito e consequentemente 
perda de energia através de calor, sendo necessária a aplicação de lubrificantes 
para a redução do mesmo. Também a utilização dos mancais magnéticos, confere 
ao projeto de máquinas uma concepção de vida útil aumentada em muitas vezes, 
uma vez que não existe desgaste entre as partes dos mancais, por não haver 
contato físico entre as mesmas. Como exemplo, podem-se citar os modernos turbos 
compressores que possuem uma avançada tecnologia de rolamentos magnéticos e 
motor de alta velocidade, acionado por um inversor de frequência embutido 
(SULZER, 2015). Assim, estudar a viabilidade técnica da aplicação dos mancais 
magnéticos em sopradores de ar para aplicação em estações de tratamento de 
esgoto se justifica. 
Segundo dados fornecidos pelo fabricante de compressores Atlas Copco o custo de 
energia pode chegar a 80% dos custos de ciclo de vida de um soprador. A geração 
de ar comprimido pode representar mais de 40% dos custos totais de eletricidade de 
uma estação de tratamento de esgoto. A concepção de compressores sem 
engrenagens de acionamento direto com mancais magnéticos proporciona o mais 
alto volume de ar ao menor consumo de energia (Atlas Copco, 2015). A velocidade 
variável integrada, tecnologia VSD (Variable Speed Drive) oferece cerca de 35% de 
economia de energia extras por ajustar automaticamente o fluxo de ventilador para a 
demanda de ar necessária. 
A Figura 1 representa uma comparação do ganho energético entre os principais 
tipos de máquinas com acionamento convencional e a tecnologia de acionamento 
direto com mancais magnéticos de levitação. 
13 
 
FIGURA 1 - Comparação da eficiência energética dos tipos de acionamento 
 
Fonte: Adaptado de Atlas Copco (2015) 
Segundo Santisteban (2006), a levitação magnética aplicada às máquinas elétricas 
rotativas é uma tecnologia relativamente recente e muito promissora. A substituição 
dos tradicionais mancaismecânicos pelos mancais magnéticos tem como 
característica principal a ausência de atrito mecânico, o que torna vantajosa sua 
utilização em motores que operam em altas velocidades ou naqueles que 
necessitam ser operados em ambientes esterilizados. Sob o aspecto acadêmico, 
esta tecnologia aborda conceitos básicos de vários campos da engenharia elétrica: 
eletromagnetismo, controle, máquinas elétricas, sistemas digitais, eletrônica linear e 
eletrônica de potência. 
De acordo com Schweitzer (2013), os Mancais Magnéticos Ativos (MMA) geram 
forças através de campos magnéticos controlados, de modo que um rotor possa ser 
mantido suspenso no ar. Não existe contato mecânico de apoio para o rotor e isto 
permite operação sem lubrificação e sem nenhum desgaste. Estas propriedades 
especiais de sustentação permitem novas concepções de projeto, altas velocidades 
de rotação com possibilidade de controle ativo de vibração, alta densidade de 
14 
 
potência, operação sem desgaste mecânico, menor manutenção e, portanto, custos 
mais baixos. 
No entendimento de Mark J. Jansey (NASA, 2004), a idéia do mancal magnético e 
seu uso em aplicações exóticas tem sido conceituada por muitos anos, mais de um 
século, na verdade. Patenteado, sistemas passivos que utilizam ímãs permanentes 
datam de mais de 150 anos. Mais recentemente, os cientistas da década de 1930 
começaram a investigar sistemas ativos usando eletroímãs para turbomáquinas de 
alta velocidade. No entanto, mancais magnéticos passivos são fisicamente instáveis 
e sistemas ativos só fornecem rigidez e amortecimento adequado através de 
controladores e algoritmos sofisticados. É por isso que, até a última década, os 
mancais magnéticos não se tornaram uma alternativa prática para elementos de 
mancais rotativos. Hoje, a tecnologia de mancais magnéticos tornou-se viável por 
causa de avanços nos controladores de microprocessamento que permitem o 
controle ativo confiável e robusto. 
 
15 
 
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
Existem relatos de que o início do uso dos mancais se deu por volta do ano 4.000 
A.C., ajudando os Scandinavos a deslizar com seus trenós. Os egípcios também 
apresentam diversas provas do seu uso. A construção de seus inúmeros 
monumentos foi muito facilitada quando passaram a usar rolos de madeiras para 
transportar pedras de grande peso. 
Ao longo do período da idade média, o chamado “período negro” em termos de 
desenvolvimento tecnológico, existe poucas evidências do uso ou desenvolvimento 
continuado de mancais. Isto é, na verdade, uma realidade para vários aspectos da 
tecnologia e da cultura em geral, de modo que somente por volta do ano 1.500, 
volta-se a falar em rolamentos, com Leonardo da Vinci, quando este menciona 
construir um veículo que se locomove sem o emprego de força muscular. 
A ideia fundamental da redução do atrito e a consequente economia de energia com 
a utilização dos mancais permanecem até hoje. A concretização técnica deste 
princípio básico foi imposta com o surgimento das bicicletas em meados do século 
XIX, quando a necessidade de se economizar força podia ser sentida no próprio 
corpo. 
Durante muito tempo, os estudos sobre redução de atrito nos mancais ficaram 
limitados às buscas de novas tecnologias dos lubrificantes e consequentemente 
melhor desempenho, contudo, ainda persistem diversas limitações para os projetos 
de equipamentos atuais, utilizando os mancais fluidodinâmicos. Nesse sentido, 
destacam-se os mancais magnéticos, uma evolução tecnológica dos mancais 
convencionais que tem a proposta de superar as barreiras limítrofes dos mancais 
diversos convencionais. 
Os mancais fluidodinâmicos são todos aqueles que necessitam de alguma forma de 
lubrificantes durante seu funcionamento, tais como os mancais de rolamento e os 
mancais de bucha ou deslizamento (NAMERIKAWA et al., 1997). 
2.1. Estação de tratamento de esgoto 
16 
 
Uma ETE (Estação De Tratamento De Esgoto) é a unidade operacional do sistema 
de esgotamento sanitário que através de processos físicos, químicos ou biológicos 
removem as cargas poluentes do esgoto, devolvendo ao ambiente o produto final, 
efluente tratado, em conformidade com os padrões exigidos pela legislação 
ambiental. 
2.1.1. ETE Arrudas 
A Estação de Tratamento de Esgotos da Bacia do Ribeirão Arrudas é a principal 
estação de tratamento de esgotos do estado de Minas Gerais e uma das maiores da 
América Latina com uma área ocupada equivalente a 42 hectares, localiza-se na 
margem esquerda do Ribeirão Arrudas, sendo que o tratamento preliminar fica no 
perímetro urbano de Belo Horizonte, e as demais unidades da ETE dentro da área 
de expansão de Sabará. 
17 
 
2.2. Sopradores de ar 
Os sopradores de ar são Turbomáquinas aplicados quando se necessita de grande 
volume de ar e baixa pressão. O turbocompressor ou compressor dinâmico é uma 
máquina rotativa utilizada para aumentar a pressão do fluido de trabalho. 
Considerando a direção do escoamento, o turbocompressor pode ser classificado 
como compressor de fluxo axial, onde o escoamento é paralelo ao eixo do rotor, e 
compressor de fluxo radial ou centrífugo, onde o escoamento entra no rotor paralelo 
ao eixo e saí perpendicular a este. 
2.3. Mancais de deslizamento 
Os mancais de deslizamento, representado na Figura 2, também chamados de 
mancais planos, não possuem partes móveis como esferas ou roletes internos, eles 
oferecem uma solução de custo relativamente baixa e suportam altas cargas, tem 
maior capacidade de absorver impactos e são mais compactos, apresentam menor 
peso, trabalham numa faixa mais ampla de temperatura e operam de forma mais 
silenciosa. São constituídos de uma bucha fixada num suporte, e são usados em 
máquinas pesadas ou em equipamentos de baixa rotação. As buchas são, em geral, 
corpos cilíndricos ocos que envolvem os eixos, são feitas de materiais macios como 
o bronze e ligas de metais leves (LLE et al., 2006). 
18 
 
 FIGURA 2 - Mancal deslizamento 
 
Fonte: Wordpress (2015). 
2.4. Mancais de rolamento 
Os mancais de rolamento são todos os mancais cujo trabalho se baseia no 
rolamento dos elementos envolvidos, além de serem os mais utilizados nas 
indústrias mecânicas. A construção na maioria dos rolamentos é constituída de 
anéis com pistas (um anel interno e um anel externo), corpos rolantes (tanto esferas 
como rolos) e um elemento retentor dos corpos rolantes (gaiola). O retentor (gaiola) 
separa os corpos rolantes em intervalos regulares entre as pistas internas e externas 
permitindo que girem livremente. Os rolamentos se apresentam em diferentes 
formas e variedades, cada um com suas características. Entretanto, quando 
comparados com mancais de deslizamento ou mancais planos, todos os mancais de 
rolamentos apresentam maiores vantagens. A Figura 3 mostra um exemplo de 
mancal de rolamento típico e seus componentes. 
 
 
 
19 
 
 FIGURA 3 - Mancal de rolamento 
 
Fonte: OBR (2015) 
2.5. Mancais não fluidodinâmicos 
Os mancais não fluidodinâmicos são todos aqueles não necessitam de nenhuma 
forma de lubrificantes durante seu funcionamento, tais como os mancais de 
levitação. 
2.5.1. Mancais magnéticos de levitação 
Presente em diversas aplicações e alvo de várias pesquisas, os mancais magnéticos 
renovaram o conceito de mancais e suas aplicações. Diferentemente da força 
mecânica de reação presente nos mancais de deslizamento e fluidodinâmicos, estes 
mancais são projetados para manter um eixo em levitação dentro do mancal apenas 
por forças magnéticas. Devido às suas características e princípios de 
funcionamento, eles podem ser utilizados com importantes vantagens dependendo 
de suaaplicação, sendo uma delas o controle ativo de vibrações de rotores 
(KASARDA, 2004). A Figura 4 mostra o esquema de um mancal magnético de 
20 
 
levitação, construído de dois anéis radialmente magnetizados, no qual é possível 
notar a ausência de contato metal-metal. 
FIGURA 4 – Mancal radial magnético de levitação 
 
Fonte: PEE UFRJ (2015) 
2.6. Campo de aplicação dos mancais magnéticos 
Os mancais magnéticos apresentam como uma nova concepção na tecnologia de 
mancais. Segundo Allaire (1993) eles são dispositivos eletromagnéticos projetados 
para manter um eixo suspenso dentro do mancal sem que haja nenhum contato 
entre ambos. Os mancais magnéticos podem suportar tanto cargas radiais quanto 
cargas axiais utilizando apenas forças magnéticas para a levitação do eixo, 
diferenciando-se dos mancais fluidodinâmicos ou dos mancais de rolamento que são 
baseados em forças mecânicas para a sustentação do eixo. 
 De acordo com Kasarda (2000) os mancais magnéticos apresentam várias 
vantagens sobre os mancais convencionais para uma variedade de aplicações 
práticas. As vantagens principais dos mancais magnéticos são a baixa perda de 
carga ou baixo consumo de potência e a longa vida, tendo em vista que não há 
contato entre o rotor e o estator. Devido a essa ausência de contato, não há 
desgaste das peças, enquanto que nos mancais fluidodinâmicos ocorrem elevadas 
perdas por fricção devido ao efeito de cisalhamento do óleo. 
Beale (1992) afirma que as perdas dos mancais magnéticos ficam reduzidas a 
alguma resistência do ar entre o rotor e o estator e a correntes marginais (eddy 
21 
 
currents) ou histerese. Também por serem limpos, ou seja, livres de óleo ou graxa e 
sem ruídos, os mancais magnéticos são convenientes para aplicações de 
bioengenharia (bombas cardíacas e projetos de corações artificiais), indústrias 
farmacêuticas e alimentícias. Outra vantagem importante é que eles podem operar 
em velocidades mais elevadas que os mancais convencionais de rolamento ou 
fluidodinâmicos com relativamente baixa perda mecânica. As altas velocidades que 
esses mancais possibilitam, são devidas à ausência de contato, que não 
proporciona o aquecimento deste sistema. Também podem operar em ambientes 
onde as condições seriam adversas para outros tipos de mancais, como em 
altíssimas ou em baixíssimas temperaturas que poderiam modificar 
consideravelmente as características do óleo de lubrificação dos mancais de 
rolamento ou fluidodinâmicos. 
Um mancal magnético é um dispositivo que permite a rotação de uma peça girante 
(rotor) sem nenhum contato mecânico com qualquer outra peça fixa ou móvel. Sua 
principal aplicação é na substituição dos mancais mecânicos. Esta tecnologia 
elimina o atrito mecânico entre peças móveis e, com isso, a necessidade de 
lubrificação. Estas características permitem a operação do rotor em altas 
velocidades de rotação e/ou em locais que não admitem o emprego de lubrificantes. 
2.7. Funcionamento típico de um mancal magnética ativo 
Um sensor de deslocamento irá medir a posição de um rotor em relação a uma 
posição de referência. Um controlador PID (Proporcional Integral Derivativo) irá ler 
os sinais gerados pelos sensores, processá-los e gerar sinais de controle para um 
amplificador de potência que irá, então, gerar correntes que serão capazes de levar 
o rotor para uma posição desejada. A lei de controle utilizada deverá ser 
responsável pela estabilidade, rigidez e amortecimento como um sistema de 
suspensão (ABCM – Associação Brasileira de engenharias e Ciências Mecânicas, 
2010). A Figura 5 representa o diagrama de funcionamento de um sistema de 
mancais de levitação magnética ativo. 
 
22 
 
FIGURA 5 - Funcionamento típico de um mancal de levitação magnética ativo 
 
Fonte: Mecatrônica sem Atrito (2013) 
2.8. Mancais magnéticos nos projetos de acionamentos diretos 
Um exemplo típico de aplicação da tecnologia dos mancais de levitação magnética 
são os novos projetos de acionamentos diretos, conforme mostrado na Figura 6, no 
qual todos os componentes estão integrados a um único conjunto, dispensando a 
utilização de engrenagens e outras formas de transmissão. 
 
 
 
 
 
23 
 
FIGURA 6 - Projetos de conjunto acionamento direto. 
 
Fonte: MNSP (2015) 
2.9. Classificação dos mancais magnéticos de levitação 
Segundo Schweitzer (2009) os mancais magnéticos podem ser classificados em 
dois principais tipos: 
 Mancais passivos; 
 Mancais ativamente controlados. 
Os mancais passivos se subdividem em duas classes principais: 
 Mancais magnéticos de imãs permanentes; 
 Mancais supercondutores. 
2.9.1. Mancais magnéticos passivos 
24 
 
São semelhantes aos mancais mecânicos em que nenhum controle ativo é 
necessário para a operação. A Figura 7 mostra um exemplo de aplicação dos 
mancais magnéticos passivos. 
FIGURA 7 – Trem de levitação magnética 
 
Fonte: OMEL (2015) 
2.9.2. Mancais magnéticos passivos de imãs permanentes 
Empregam ímãs permanentes, no qual as forças geradas de posicionamento não 
podem estabilizar o rotor em todos os graus de liberdade. A Figura 8 mostra um 
exemplo de um motor elétrico utilizando mancal magnético de imãs permanentes. 
25 
 
FIGURA 8 - Mancal de ímãs permanentes 
 
Fonte: MNSP (2015) 
2.9.3. Mancais magnéticos passivos supercondutores 
Utilizam a propriedade diamagnética dos materiais supercondutores, que possuem a 
vantagem de serem intrinsecamente estáveis (Postrekhin, 2003). A Figura 9 mostra 
um exemplo de aplicação de um mancal axial supercondutor em um motor elétrico. 
FIGURA 9 - Mancal axial supercondutor 
 
Fonte: Adaptado de MNSP (2015) 
Mancal axial 
26 
 
3. ESTUDO DE CASO 
A motivação para a pesquisa do trabalho em questão surgiu da necessidade de 
substituição dos sopradores de ar, instalados na principal planta de tratamento de 
esgoto da COPASA, E.T.E. Arrudas (COPASA, 2015). A Figura 10 mostra uma vista 
aérea da estação de tratamento de esgoto do Arrudas. 
FIGURA 10 - Vista aérea da estação de tratamento do Arrudas 
 
Fonte: COPASA (2015) 
Os sopradores de ar difuso tem por finalidade fornecer o ar de processo necessário 
aos RLA’s (Reatores de Lodos Ativados), a finalidade do reator de lodos ativados e 
promover a oxidação da matéria orgânica dissolvida e coloidal procedente do 
efluente dos decantadores primários. Esta remoção de matéria orgânica (DBO) e 
conseguida pelas operações controladas de fornecimento de ar (compressores de ar 
difuso), recirculação do lodo sedimentado nos decantadores secundários e descarte 
do lodo excedente gerado pelo processo. A Figura 11 mostra a localização da casa 
dos sopradores de ar e dos reatores de lodo ativado. 
27 
 
FIGURA 11 - Casa dos sopradores e reatores de lodo ativado 
 
 
 Fonte: COPASA (2015) 
O funcionamento desses equipamentos demanda um alto consumo de energia 
elétrica, em torno de 65% do consumo de energia elétrica total da estação. A Figura 
12 indica o consumo elétrico total dos sopradores em relação à vazão de ar. 
 
 
 
 
Casa dos Sopradores de ar Reatores de lodo ativado 
28 
 
FIGURA 12 – Consumo elétrico dos sopradores 
 
Fonte: COPASA (2013) 
A Figura 13 mostra o modelo do soprador substituído, fabricante HV Turbo, modelo 
KA66-SV (soprador de ar com tecnologia convencional). 
 
 
 
 
 
 
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FIGURA 13 - Soprador de ar HV Turbo, modelo KA66-SV 
 
Fonte: ATLAS COPCO (2015) 
A concepção construtiva dos sopradores de ar convencionais, como os fabricados 
pela HV-Turbo originalmente instalados na E.T.E., é considerada uma concepção 
obsoleta, se comparada comas novas tecnologias de projeto de compressores de ar 
modernos ou atuais. O conjunto do soprador é constituído por um motor elétrico 
acoplado a uma caixa de engrenagens multiplicadora de velocidade, que por sua 
vez, aciona o propulsor e bombeia o ar admitido pelo compressor, além de outros 
mecanismos de controle de pressão e vazão. Essa concepção de projeto de 
máquina apresenta perdas significativas de energia em torno de 9% devidas 
principalmente aos mancais de deslizamento e engrenamentos presentes nessas 
máquinas. Outro problema é a necessidade de um grande volume de lubrificante 
utilizado para lubrificação dos mancais de deslizamento, em torno de 600 litros de 
óleo por máquina, o que é um agravante perigoso para o meio ambiente. 
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A decisão de substituição dos sopradores de ar se deu em função da necessidade 
de melhorar a eficiência energética com a significativa redução de energia elétrica 
obtida no consumo na planta, bem como a redução do alto custo de manutenção 
envolvida nos sopradores. 
A Figura 14 mostra os novos sopradores de ar instalados, do fabricante SULZER, 
modelo HST 40-400 (sopradores de ar com tecnologia de acionamento direto). 
FIGURA 14 - Soprador de ar Sulzer, modelo HST 40-400 
 
Fonte: ATLAS COPCO (2015) 
Os novos sopradores de ar instalados por não possuem peças de desgastes e não 
requerem lubrificação tornando-se livre da necessidade de manutenção. Além disso, 
possui uma tecnologia de acionamento direto, utilizando mancais magnéticos, 
acionados por um inversor de frequência integrado que permite alta eficiência de 
operação com o mínimo consumo de energia. 
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4. METODOLOGIA 
Neste trabalho procedeu-se um levantamento bibliográfico relacionado com o tema 
mancais magnéticos aplicados em sopradores de ar para estações de tratamento de 
esgotos, que engloba desde um histórico de seu surgimento até suas vantagens e 
desvantagens frente aos mancais convencionais e suas aplicações práticas em uma 
grande variedade de equipamentos industriais. Além disso, fez-se um levantamento 
das mais recentes linhas de pesquisas científicas, em amplo desenvolvimento, que 
envolvem a aplicação de mancais magnéticos em sopradores de ar para estações 
de tratamento de esgoto. Em termos de projeto de um mancal magnético ativo, são 
apresentados seus elementos constitutivos mecânicos e eletromagnéticos e os 
equipamentos básicos do circuito de controle, bem como a teoria básica de 
funcionamento dos mancais magnéticos ativos. 
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5. RESULTADOS 
O resultado obtido com a substituição dos sopradores antigos da HV-Turbo pelos 
novos sopradores da SULZER, para atendimento da demanda de oxigênio dos 
reatores de lodo ativado, apresentou-se de imediato totalmente positivo, com uma 
redução significativa do consumo de energia elétrica, cerca de 7 a 9% de economia 
em relação ao consumo total dos sopradores antigos. Outro importante benefício 
apresentado foi à redução na ordem de 90% nas intervenções de serviços de 
manutenção planejada, visto que a necessidade de manutenção foi praticamente 
extinta, uma vez que os novos equipamentos são totalmente dotados de 
instrumentação de auto monitoramento, somente necessitando de serviços de 
inspeção e limpeza ao longo de sua operação. 
5.1. Sugestões para trabalhos futuros 
Visto o vasto campo de aplicação dos mancais magnéticos, pode-se sugerir como 
continuidade pesquisas sobre as diversas possibilidades de aplicação dos mesmos, 
em especial, bombas hidráulicas, por ser um equipamento de ampla aplicação, 
desde indústrias em geral até a agricultura e saneamento. 
 
 
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6. CONCLUSÃO 
Como dito neste trabalho, os sopradores de ar utilizados em estações de tratamento 
de esgotos são de fundamental importância para o bom funcionamento do processo 
de oxigenação dos reatores de lodo ativado, que garantem a continuidade do 
processo da estação com seu bom funcionamento. 
A tecnologia dos mancais magnéticos aplicada nos sopradores de ar para estações 
de tratamento de esgotos supera a tecnologia dos sopradores convencionais, 
apresentando, sobretudo, um menor consumo de energia elétrica. Essa 
característica torna viável a aplicação de mancais magnéticos em sopradores de ar 
para estações de tratamento de esgotos, uma vez que esses equipamentos são 
grandes consumidores de energia, gerando assim, uma significativa redução e 
consequente economia nos custos relativos ao consumo de energia elétrica. 
Outro fator a ser considerado com a aplicação da tecnologia dos mancais 
magnéticos nos sopradores de ar, é a redução do número de intervenções de 
serviços de manutenção planejada, que, por sua vez, implica diretamente na 
redução dos custos de manutenções atrelados aos sopradores de ar, bem como a 
maior disponibilidade das instalações. 
Todavia, apesar dos vários benefícios tecnológicos apresentados com a substituição 
dos sopradores de ar convencionais por sopradores de ar com a tecnologia dos 
mancais magnéticos, deve-se considerar o alto custo de implantação dos mesmos, o 
que dificulta o retorno do investimento realizado. 
Contudo, a justificativa para a implantação da nova tecnologia não deve ser vista 
apenas do ponto de vista financeiro, uma vez que a redução do consumo de energia 
elétrica é uma necessidade atual. 
 
 
 
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