Como bem sabemos existe uma pluralidade de motores elétricos e para as mais
diversas aplicações.
Complemento 1 - A definição e os tipos mais comuns de motores elétricos
Pois bem, com este artigo, pretendo concatenar detalhes diversos sobre os motores, sejam eles Brushless (sem escovas) ou Brushed (com escovas). Serão mostrados vários motores vistos em nosso cotidiano, mantendo o artigo focado na prática mas com alguma teoria.
Para nos situarmos
Enquanto motores de corrente contínua precisam de um trabalho mútuo entre imãs permanentes e eletroimãs, os motores de corrente alternada precisam operar com um material condutor e eletroimãs ou também, imãs permanentes e eletroimãs, sendo todos belos exemplos da magnetodinâmica. Mas o que são estes dois elementos?
-> Um imã permanente é uma peça metálica que mantém suas características ferromagnéticas por um longo período de tempo sem alterações significativas.
Seus dipolos magnéticos são orientados, e dependendo desta orientação são definidos como "imã pólo sul" e "imã pólo norte".
Imagem 1 - É por isso que os opostos se atraem!
Apenas existe atração entre um "pólo sul" e um "pólo norte" (lembre-se, os opostos se atraem :v) ou vice-versa. "pólo sul" com "pólo sul" da repulsão, da mesma forma com que "pólo norte" com "pólo norte" também dá repulsão;
CURIOSIDADE: Para entender melhor a atração e repulsão magnética, leia o texto sobre eletrostática! Para acessar, CLIQUE AQUI!
-> Um eletroimã é uma bobina, isto é, um enrolamento de fio sobre um núcleo que apenas gera atração ou repulsão quando percorrida por corrente elétrica.
O sentido da corrente, isto é, a mudança de polaridade determinará a organização dos dipólos magnéticos do núcleo ferromagnético e, portanto, sua polaridade. Observe o desenho:
Imagem 2 - Isso já é bastante difundido na eletrônica, mas talvez falte elucidar!
A regra da mão direita é aplicável em geradores de energia. O polegar significa o sentido da força (que gera o movimento), enquanto o indicador representa o vetor do campo B e os demais dedos representam o sentido da corrente elétrica.
Por convenção, a regra da mão esquerda se aplica aos motores, significando a mesma coisa. O polegar representa o sentido da força, o indicador o sentido do campo B e os demais o sentido da corrente.
CURIOSIDADE: Aprenda mais sobre eletromagnetismo lemndo os artigos sobre indutores (onde se aplica a regra da mão direita). Para isso, CLIQUE AQUI! (Capítulo 1) e CLIQUE AQUI! (Capítulo 2).
CURIOSIDADE: Saiba mais sobre o funcionmento de geradores de eletricidade. Para isso, CLIQUE AQUI! e CLIQUE AQUI!
Lembre-se que uma chapa de aço qualquer, ou um bloco cerâmico de Ferrite, uma lâmina de Aço-Silício ou um pedaço de Níquel é atraído por um imã sim, todavia, só se torna um quando passar por um processo de magnetização permanente. Um eletroimã tem capacidade de apenas organizar os dipólos enquanto houver corrente elétrica circulando sobre o enrolamento, ou seja, o núcleo será um imã enquanto a corrente de alimentação durar!
Rotor e estator?
A geometria de um motor ou gerador se baseia na combinação de um rotor e um estator.
-> Um estator é uma coroa fixa internamente na carcaça do motor ou gerador, isto é, uma peça estática, que não se movimenta durante seu funcionamento.
-> Um rotor é um cilindro, isto é, um componente que rotaciona em seu próprio eixo, eixo este que está apoiado em mancais com rolamento.
Imagem 3 - Este é um rotor 'gaiola de esquilo', retirado de um motor CA monofásico de indução. Note que a peça tem aparência laminada e há um anel de liga de Alumínio nas extremidades do cilindro, unindo todas as barras de mesmo material dispostas axialmente dentro da região laminada
Ele não se desloca de maneira axial (para frente e para trás) nem de forma radial (para cima, para baixo ou para os lados), apenas gira em seu próprio eixo, não tocando no estator. Esta geometria permite que a interação dos campos magnéticos não gere outra ação a não ser a de revolução.
Quanto às características ferromagnéticas, um estator pode:
-> Ser uma coroa com dois ou mais pares de imãs permanentes norte e sul intercalados;
-> Ser uma coroa de chapas laminadas empilhadas não imantadas;
-> Ser uma coroa de chapas laminadas empilhadas não imantadas e com, no mínimo, um par de bobinas enroladas em seu entorno.
Quanto às características ferromagnéticas, um rotor pode:
-> Ser um cilindro com dois ou mais pares de imãs permanentes norte e sul intercalados;
-> Ser um cilindro de chapas laminadas empilhadas não imantadas;
-> Ser um cilindro de chapas laminadas empilhadas não imantadas e com, no mínimo, umas três bobinas enroladas em seu entorno.
Quando se fala em imãs, diversas composições químicas vem à cabeça. Talvez a mais comum seja o imã de cerâmica, composto por Óxido de Ferro e amplamente conhecido como "Ferrite". Caso queira saber mais sobre o Ferrite, CLIQUE AQUI!
Já quando se fala em chapas não imantadas, mas magnetizáveis, a primeira coisa que lembramos é do Aço-Silício, identificado facilmente pela característica de estar disposto em várias chapas empilhadas, e isso tanto em transformadores quanto em motores elétricos. Para saber mais sobre o Aço-Silício, CLIQUE AQUI!
Mas há muito mais além destes dois materiais. Carros elétricos, por exemplo, fazem uso de "imãs de terras raras" - fazendo referência aos Lantanídeos (e o Ítrio) da Tabela Periódica -, sendo os mais comuns composiçãoes de NdFeB e SmCo.
Em resumo, aplicações comuns do nosso dia-a-dia, como FANs de computador, motores de arranque de automóveis de combustão interna, furadeiras e ventiladores domésticos fazem uso do Ferrite e até do Aço-Silício, enquanto aplicações mais complexas, tais como os carros elétricos e geradores fazem uso dos "imãs de terras raras".
Em resumo, os imãs de acordo com a aplicação do motor:
Imagem 4
Agora, resumindo suas características...
Tabela / Gráfico 1 - Comparação entre os principais tipos de imãs
A Remanência (também magnetização remanescente ou magnetismo residual, medido pela unidade Tesla) é a magnetização deixada num material ferromagnético após a remoção de um campo magnético externo. Coloquialmente, após "magnetizado" um ímã mostra a Remanência (significa "aquilo que permanece"), pois é esta que explica a manutenção da magnetização após a remoção do campo externo que a induziu. Esse fenômeno fornece a memória magnética em dispositivos de armazenamento magnético, por exemplo.
CURIOSIDADE: Por vezes, o termo "retentividade magnética" é usado para designar a remanência medida em unidades de densidade de fluxo magnético. O termo equivalente "magnetização residual" é geralmente usado em aplicações de engenharia.
Em transformadores, motores elétricos e geradores, uma grande magnetização residual não é desejável (daí a existência de materiais ferromagnéticos com baixa remanência). Por exemplo, uma magnetização remanescente num eletroímã de um relé após a corrente na bobina ser desligada é um efeito indesejável. Onde não for desejada, a magnetização remanente pode ser removida por desmagnetização (degaussing).
Gráfico 2 - Um conjunto de curvas de histerese de um Aço-Silício GO (BR denota a remanência e HC a coercividade
Coercitividade ou coercividade é a capacidade que apresenta um material magnético de manter seus ímãs elementares presos numa determinada posição. Esta posição pode ser modificada colocando o tal material num campo magnético externo.
Um material da alta coercitividade consegue fazer com que seus ímãs elementares resistam bastante à mudança de posição, exigindo para a sua desmagnetização um campo magnético externo mais forte. O supracitado também não pode absorver mais campo magnético, de tal maneira que um aumento na magnetização não provoca mudança significativa na densidade do fluxo magnético.
Um fator que tem influência na desmagnetização do imã permanente é a própria corrente que circula pelos enrolamentos do motor, sejam estes enrolamentos no estator (como nos motores AC ou DC Brushless com imãs permanentes) ou no rotor (como nos motores DC Brushed com imãs permanentes).
O campo magnético criado pelos enrolamentos atua sobre o imã permanente e, com o passar do tempo, faz com que seu magnetismo se reduza até o ponto em que comece a afetar de modo sensível o rendimento da máquina. Assim, pulsos de correntes intensas devem ser evitados de qualquer forma pois eles podem causar este tipo de problema.
Já a temperatura de Curie (Tc), ou ponto de Curie, é a temperatura acima da qual os materiais magnéticos perdem suas propriedades ferromagnéticas, se tornando paramagneticos.
CURIOSIDADE: A temperatura Curie deve o seu nome a Pierre Curie (1859 ~ 1906), que mostrou que o magnetismo se perdia em uma determinada temperatura crítica.
A permeabilidade magnética, cujo símbolo é μ, é uma constante de proporcionalidade, isto é, dependente do material e da sua preparação, que relaciona a indução magnética do material num determinado ponto, em função do campo magnético existente no ponto.
É calculada pela razão entre a densidade do campo magnético B numa substância e a intensidade do campo magnético, denominado H. Ou seja:
-> Nos materiais paramagnéticos, a permeabilidade é maior do que 1;
-> Nos dimagnéticos é menor do que 1;
-> Nos ferromagnéticos muito superior a 1.
Ao longo do texto. você verá que núcleos e estatores bobinados possuem chapas de Aço-Silício com alta Permeabilidade e baixa Remanência, afinal precisam 'responder' imediatamente ao fluxo de corrente que passa pela fiação. Em compensação, motores de indução - cujo rotor não é bobinado e nem imantado - a permeabilidade não precisa ser alta, apenas é necessário ser condutivo (até composições de Alumínio podem cumprir o papel), afinal, os eletroimãs do estator é que vão induzir correntes no rotor e faze-lo rotacionar.
Isolamento elétrico
Os fios de cada bobina não são apenas enrolados uma volta por cima da outra, pois isso geraria curto-circuito, então é necessário uma separação. Todo fio de Cobre ou Alumínio aplicado em sistemas elétricos indústriais, domésticos ou eletrônicos possui um ultra fino revestimento de proteção conhecido popularmente como 'esmalte', mesmo quando se trata de um condutor encapado.
O tal do 'esmalte' nada mais é que um polímero, isto é, uma resina plástica transparente e pouco viscosa (isto pois possui solventes, admitindo uma aparência de verniz) depositada sobre o metal, criando uma proteção física ultra fina contra oxidação e formando um isolamento elétrico 'primário'.
Complemento 2 - Estes são alguns exemplos de resinas plásticas aplicadas em revestimentos de fios condutores
Como você verá na Imagem 18, é o 'esmalte' polimérico que dá cor ao fio, fazendo com que ele fique vermelho forte, marrom ou até mesmo azul.
Para além disso, é comum em sistemas com bobinas no estator o uso de filme plástico isolante nas canaletas, isolando os condutores elétricos da carcaça do equipamento:
Imagem 5 - O papel é o tipo mais rudimentar de isolação das canaletas
Antigamente era mais comum o uso de folhas de papel 'Kraft' ou 'Presspan', é até hoje faz-se uso de combinações destas folhas de Celulose com revestimento de resina de Polietileno Tereftálico (PET) disposta numa camada muito fina, fazendo o papel marrom ter uma aparência lisa e brilhosa.
Entretanto, enquanto transformadores ainda privilegiam a Celulose com Poliéster, as indústrias de motores e geradores fazem muito uso de um papel branco 100% sintético, que usa meta-Aramida (mais conhecida pelo nome comercial Nomex) revestindo ambos os lados de um filme de Polietileno Tereftálico (mais conhecido pelo nome comercial Mylar). Tal compósito é conhecido como "papel NMN".
Imagem 6 - Note as folhas brancas de Poliéster
Na imagem acima, um motor de indução monofásico datado de 10 anos atrás aplicado em ventiladores de mesa. Não há interruptor centrífugo e o capacitor é permanente.
Observe este outro motor, retirado de uma máquina de lavar:
Imagem 7 - Um motor monofásico WEG datado de 2005
É comum que alguns motores passem por um processo de imersão em resina (ou verniz, cuja grande diferença é a presença de solventes para reduzir a viscosidade), cuja função é impregnar, colar e imobilizar toda a fiação, impedindo futuros danos (tal como curto-circuito) no 'esmalte' dos fios e isolamento do estator em decorrência da vibração e altas temperaturas.
Complemento 3 - Resinas e Vernizes de base polimérica aplicadas em motores
Como conectar o rotor ao circuito?
Se tratando de qualquer sistema com bobinas no rotor faz-se necessário as chamadas "escovas", afinal, como faríamos energizar os enrolamentos do circuito elétrico durante o movimento rotacional?
Imagem 8 - Duas pequenas escovas portando fios de Cobre, terminais de latão e molas helicoidais
Uma escova é um nome não muito receptivo para um componente que permite a conexão elétrica das bobinas do rotor com o circuito externo a ele.
Se tratam de dois contatos metálicos, ou então duas barras de composto de Carbono, tal como Grafite ou Negro de Fumo (variante Acetileno) sinterizadas.
CURIOSIDADE: As barras de composto de Carbono podem ser genericamente referidas como "carvão". Você ouvirá com frequência "abri o motor da máquina 'x' e troquei o par de carvão".
Tendo um coeficiente de atrito muito bom, estes derivados de Carbono ficam em contato com um anel coletor, isto é, algo que pode ser entendido como uma Bronzina, onde os terminais das bobinas do rotor são conectados. Veja a seguinte imagem:
Imagem 9 - Um serra tico-tico Bosch com motor CC/CA monofásico (220 Volts)
Observe a seta azul destacando o rolamento do eixo do motor apoiado sobre o mancal, que neste projeto faz parte da própria carcaça do equipamento, toda construída em PA66-GF35. As escovas - duas barras de Grafite - são montadas em invólucros de PA na cor preta (destacados pela seta amarela), que por sua vez são apoiados também na carcaça, não fazendo-se necessário um 'porta-escovas' dedicado.
Observe que dentro de cada invólucro há uma pequena mola metálica helicoidal, responsável por manter pressionado a barra de Grafite contra a Bronzina (destacada com a seta rosa). Esta 'pista' - mais conhecida como anel coletor, ou comutador - para as escovas, que não por acaso é confeccionada em Bronze ou Latão (condutores metálicos com ótimo coef. de atrito) possui várias seções para a ligação dos terminais dos enrolamentos dispostos no rotor.
Ao girar o eixo, as barras de Grafite fecham contato com cada bobina do rotor.
Em sistemas mais complexos, as barras de "carvão" e seus invólucros de plástico podem ser montados em um 'porta-escovas' metálico, como é o caso de motores de partida e alternadores para automóveis, caminhões e tratores:
Imagem 10 - Note que este possui as duas escovas do mesmo lado
Alternadores de automóveis costumam usar dois anéis coletores, um do lado do outro apenas para manter o contato elétrico positivo e negativo (a alimentação do rotor é tensão contínua) com o enrolamento de campo presente no rotor.
Resumindo as geometrias aplicadas:
-> Enquanto alternadores trazem duas escovas posicionadas em paralelo (uma ao lado da outra), sendo cada uma montada numa pista radial;
-> Motores DC Brushed ou até mesmo monofásicos CA (como o da serra tico-tico mostrada anteriormente) trazem duas escovas compartilhando a mesma pista, também disposta em posição radial. Em motores de arranque automotivos (DC), por exemplo, é comum o uso de quatro escovas na mesma pista;
-> Alguns projetos de motores DC ou monofásicos CA contemplam uma pista axial com duas ou até quatro escovas, como é o caso do motor monofásico deste barbeador Philips PhilisHave De Luxe datado dos anos 1970:
Imagem 11 - Um velho PhilisHave com escovas montadas de forma axial. Perceba os pequenos pinos de Grafite no fundo da estrutura metálica que sustenta o estator
Outros projetos usam molas de torção para pressionar as escovas contra o anel coletor, como é o caso deste motor fabricado pela Ametek para a máquina de cortar grama Trapp Master 700:
Imagem 12 - Note o posicionamento da mola de torção
Perceba que a própria mola já faz o contato elétrico entre a escova e o terminal do enrolamento do estator, dispensando um cabo para cada conexão. Nesta outra Trapp Super 1000 há um 'cordão' de liga de Cobre interligando o terminal do enrolamento do estator na respectiva escova:
Imagem 13 - O pino guia da mola de torção quebrou, então a solução foi adaptar, já que é uma peça estrutural, impossível de repor sem trocar o motor
Talvez isto seja o mais interessante:
Se você testar com um multímetro a continuidade nas seções do anel coletor de um motor DC, vai notar que não há um isolamento muito bom entre elas, no entanto, não há um grande curto-circuito dada a resistência elétrica envolvendo o rotor e o porta-escovas - ou seja, há um elemento consumidor ali. Você verá mais adiante neste texto sobre os pequenos curto-circuitos gerados quando as escovas trocam de seção.
Princípio fundamental
Partindo do princípio de que um motor DC com escovas e um AC sem escovas movimentam o rotor pela repulsão / atração entre os ímãs permanentes e o campo magnético gerado quando a corrente flui nas bobinas, então, controlando a direção da corrente altera-se o 'sentido' do campo, mudando os dipolos magnéticos do eletroimã de direção (pólo sul e norte) e gerando interação (atrativa ou repulsiva) com os imãs permanentes.
Como a geometria do mecanismo não permite a ejeção para longe quando há repulsão entre um imã e um eletroimã, muito menos 'colar' um imã e um eletroimã quando há atração, o rotor é forçado a girar, iniciando uma revolução.
Para compreender melhor o funcionamento de um motor elétrico, precisamos antes entender um bocado de mecânica...
Complemento 4 - Um motor elétrico na verdade é pura eletromecânica!
Os motores AC de indução também funcionam desta forma, porém, aqui já há apenas eletroimãs variando de pólo norte para pólo sul - e vice-versa - que induzem correntes no rotor metálico e o fazem girar.
Em suma, dividi os motores em quatro principais tipos:
-> DC Brushed (com escovas);
-> DC Brushless (sem escovas);
-> AC Brushless (sem escovas) - inclui os de indução e imãs permanentes;
-> AC Brushed (com escovas) - inclui os monofásicos AC/DC;
Agora, vamos ao resumo de cada tipo:
DC Brushed
Motores de corrente contínua (DC) em muitos casos possuem escovas, isto é, um elo de contato que permite a passagem de corrente elétrica para o rotor, que está em movimento.
O estator é composto por um ou mais pares de imãs permanentes. Cada par é composto por um polo norte e outro polo sul. Ao mudar constantemente o fluxo da corrente elétrica através do comutador de escovas, as bobinas no rotor (também dois ou mais pares de eletroimãs) repelem e atraem os imãs permanentes, gerando revoluções, isto é, rotações.
Em suma, há apenas bobinas no rotor e o estator é uma espécie de “coroa” ferromagnética de imãs norte e sul permanentes.
Resolvi começar por um sistema muito simples. Desmontei um drive de CD/DVD para computadores de mesa e destrinchei o mecanismo da gaveta:
Imagem 14 - O mecanismo que empurra e puxa a gaveta é todo montado na 'carcaça' feita de PS-HI (Poliestireno de Alto Impacto)
O motor é do tipo 'blindado', difícil de abrir sem inutiliza-lo:
Imagem 15 - O motor possui apenas um polo positivo e outro negativo de tensão contínua (5,9 V)
Perceba na imagem acima que os terminais negativo e positivo são ligados em lâminas metálicas:
Imagem 16 - As minúsculas escovas destes motores são metálicas. Infelizmente ao desmontar o pequeno motor, a lâmina à esquerda entortou um bocado
Estas pequenas lâminas de latão galvanizado não precisam de mola, pois a liga metálica possui uma boa elasticidade. Além do mais, como podemos notar, elas já são dispostas de uma forma a ficarem pressionadas no coletor de corrente do rotor, que por sua vez possui três terminais ao longo da pista:
Imagem 17 - Note que há uma pequena arruela branca, feita de Poliamida, que serve como rolamento
A arruelinha branca ficará em contato com aquele disco metálico dourado (provavelmente feito de Bronze ou Latão, no centro da base das escovas) da imagem anterior.
Voltando ao principal, note que há três seções (coletores de corrente) metálicas formando a pista de contato das escovas. Ao girar o rotor, o polo positivo e negativo vai alternando, gerando nas bobinas campos magnéticos de atração e repulsão aos imãs permanentes.
Mas são duas escovas, três seções no coletor de corrente, três bobinas (eletroimãs) e apenas dois imãs permanentes?
Imagem 18 - Três eletroimãs para dois imãs permanentes de Ferrite
O núcleo de cada bobina possui uma alta Permeabilidade, Permissividade magnética e baixa Remanência.
A mágica está aí!
Vídeo 1 - Observe os três coletores de corrente, um para cada bobina
Agora veja este GIF da Toshiba:
GIF 1 - Como funciona um pequeno motor DC 5,9 V com escovas
Aqui está a sequência de operação do motor DC Brushed 5,9 V:
-> No ponto base, a bobina 1 está situada no pólo S e as bobinas 2 e 3 nos pólos N, e elas giram no sentido horário pela atração e repulsão;
-> Na posição 30° para a direita, a bobina 1 está situada no pólo S e a bobina 2 permanece no pólo N. A corrente para de fluir na bobina 3 e então continua a girar para a direita pela atração e repulsão;
-> Na posição 60° para a direita, a bobina 1 está situada no pólo S, a bobina 2 permanece no pólo N e a bobina 3 está situado no pólo S e continua girando para a direita pela atração e repulsão;
-> Na posição 90° para a direita, nenhuma corrente fluirá na bobina 1. A bobina 2 está situada no pólo N, e a bobina 3 permanece no pólo S, e então continua a girar para a direita pela atração e repulsão;
-> Na posição de 120 graus, a bobina 3 gira para a posição da bobina 1 (que é o ponto base), a bobina 1 para a posição da bobina 2 (que é o ponto base) e a bobina 2 para a posição da bobina 3 (que é o ponto base).
Quando as escovas mudam de seção passando de um enrolamento para outro no giro de um motor, por uma fração de segundo, o contato ocorre em dois enrolamentos ao mesmo tempo:
Diagrama 1 - Curto-circuito momentâneo entre bobinas
Neste instante temos um curto-circuito de curta duração que absorve energia convertendo-a em calor. Outro problema que este curto causa é atuar como um freio eletro-dinâmico, já que as espiras são momentaneamente colocadas em curto, gerando assim uma carga para o motor.
Se pegarmos, por exemplo, um motor de partida de um gerador térmico de carro ou caminhão, notaremos uma grande quantidade de lâminas magnetizadas formando o estator:
Imagem 19 - Observe os vários imãs dispostos na carcaça do motor. Créditos: AutoDOC Portugal (You Tube)
São imãs permanentes de Ferrite:
Imagem 20 - São peças encaixadas na carcaça. Créditos: AutoDOC Portugal (You Tube)
Há também várias bobinas no rotor e contatos no coletor de corrente. Aqui, as escovas podem ser barras de Grafite ou Negro de Fumo:
Imagem 21 - O rotor possui uma pluralidade de condutores espessos e, em geral são 4 escovas Créditos: AutoDOC Portugal (You Tube)
São motores com elevada potência e operam em 12 Volts, ou seja, há uma alta demanda de corrente elétrica, tanto que o rotor utiliza fios bastante espessos.
Imagem 22 - Um motor de arranque desmontado. Créditos: AutoDOC Portugal (You Tube)
Um motor elétrico de arranque com 900 Watts de potência é necessário para pôr um propulsor FireEvo 1.4 em marcha:
Imagem 23 - Fragmento do manual do FIAT Palio Attractive 2012. Repare que o propulsor 1.6 16v precisa de um motor de partida com potência ainda maior
Em uma conta simples, podemos deduzir a corrente elétrica aproximada para este motor de 0,9 kW:
900 W / 12 V = 75 A
Para comporvar isso, usando um alicate amperímetro fizemos o teste na prática:
Vídeo 2 - Veja este vídeo e muitos outros no canal Hardware 'DailyCentral', no DailyMotion
Em uma temperatura ambiente de quase 30 °C, no verãozão de Dezembro, com o motor frio e óleo lubrificante trocado à poucos meses, conseguimos um pico de 48,02 A.
CURIOSIDADE: Caso queira saber mais sobre a corrente de partida a frio das baterias (CCA), bem como um punhado de outras informações sobre acumuladores de Chumbo-Ácido, CLIQUE AQUI! e CLIQUE AQUI!
Para se fazer o controle de rotação de motores Brushed, a melhor maneira é regulando a tensão de alimentação. Se você usar como exemplo os eletroventiladores aplicados no radiador do sistema de arrefecimento e ar-condicionado dos automóveis de combustão interna - e até veículos elétricos -, evidenciará a existência de dois estágios de rotação. O segundo, com 12 ~ 13 Volts e velocidade máxima, e um primeiro com cerca de 8 Volts e uma rotação obviamente inferior. Quem faz a queda de tensão do primeiro estágio é uma pequena placa com um ou dois resistores e um fusível térmico instalada junto da ventoinha, se aproveitando da circulação de ar, já que existe uma grande dissipação térmica nos componentes.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre a aplicação de resistores no controle de rotação de motores de tensão contínua, CLIQUE AQUI!
Como estamos falando de bobinas alimentadas com tensão contínua, temos um visível efeito da indução, provocando uma contrária Força Eletromotriz (Contra FEM, também chamada de Back EFM) no momento em que a bobina é energizada. Para entender toda esta teoria, recomendo a leitura do texto "MecAut - Bobinas de Ignição". Para ler este conteúdo, clique na propaganda abaixo:
Propaganda de conteúdo do HC!
O que precisamos entender é que esta Contra FEM induzida gera uma queda na corrente de alimentação das bobinas, sendo proporcional à velocidade do rotor, ou seja, durante o momento da partida, a corrente inicial é alta - e, consequentemente, a geração de calor também é alta - e cai conforme a velocidade aumenta. Isso significa que, posteriormente à partida, quanto maior for a carga acoplada sobre o rotor, maior tenderá a ser esta Contra FEM.
Imagem 24 - Sim, motores DC Brushed podem ter eletroimãs no estator, entretanto, a construção com imãs permanentes é muito mais comum!
Motores DC muito parrudos podem contemplar um sistema de controle de alimentação durante a partida para evitar danos às bobinas devido a alta corrente inicial.
Nesta concepção, denominada Shunt, onde as bobinas do rotor são ligadas em paralelo com as bobinas do estator, a corrente se divide entre os dois nós.
Diagrama 2 - As bobinas possuem resistência e indutância, por isso são representadas com o símbolo do resistor e do indutor. As escovas foram omitidas neste desenho genérico
Em geral, os estatores possuem um fio mais fino e mais espiras, logo, sua reatância indutiva é maior que a do rotor, comprometendo seu uso em redes de tensão alternada (já que a defasagem de sinal entre rotor e estator será acentuada).
Imagem 25
Aqui, a curva velocidade / carga sobre o eixo é um pouco mais 'alinhada' do que nos AC Brushed seriais, descritos na sequência.
Confesso que até o momento não me deparei com nenhum equipamento que traga em seu interior um motor DC Brushed Shunt, e talvez isso se deva pelo seu maior custo de produção, fazendo com que os tradiiconais sistemas com estator de imãs permanentes prevaleçam no mercado.
Os DC Brushed Shunt podem variar a rotação entre um mínimo e um máximo controlando a tensão ou a corrente de alimentação.
CURIOSIDADE: Podemos controlar a corrente que alimenta o enrolamento de campo (estator) e assim variar o campo magnético. Ao diminuir esse campo magnético, a contra-FEM do rotor prevalece e a rotação sobe. Ao aumentar esse campo magnético, a contra-FEM sofre oposição e a rotação declina. Estando o propulsor em pleno funcionamento, se desligar o estator a contra-FEM do rotor deixa de encontrar resistência em seus arredores e o motor dispara!
Para CA faz-se uso de uma outra versão deste motor:
AC Brushed
Já os motores de tensão alternada monofásicos com escovas são amplamente utilizados em ferramentas para marcenaria - tal como a serra tico-tico Bosch mostrada anteriormente -, cortadores de grama, furadeiras, eletrosserras e liquidificadores, por exemplo. Estes tipos não precisam de capacitor de partida, isto pois, tornando o rotor um eletroimã, é possível 'simular' o funcionamento de um motor de imãs permanentes.
O desempenho é satisfatório em aplicações pequenas, e além do mais, eles podem funcionar com corrente contínua!
Sim, o AC Brushed é amplamente e genericamente conhecido como "Motor universal", pois é uma adaptação do DC Brushed Shunt mostrado anteriormente capaz de operar com tensão alternada monofásica.
Ao invés de uma ligação em paralelo, há uma ligação em série entre bobinas do rotor e bobinas do estator:
Diagrama 3 - As bobinas possuem resistência e indutância, por isso são representadas com o símbolo do resistor e do indutor. As escovas foram omitidas neste desenho genérico
Aqui, as bobinas do estator e do rotor possuem uma reatância indutiva semelhantes, além da tensão se dividir entre ambos (lembre-se que a tensão elétrica se divide em componentes ligados em série).
Observe este outro desenho genérico, mais didático sobre o AC Brushed Serial:
Diagrama 4 - Este é o esquema mais comum
Notamos esta construção ao abrir uma máquina de cortar grama Trapp Super 1000:
Imagem 25 - Anteriormente já foi mostrada outra foto desta mesma máquina e que também explana bem este tópico
Na concepção em série, o torque no momento em que o motor é acionado é grande, entretanto, cai de forma exponencial conforme é inserido carga em seu eixo.
Já o próximo diagrama mostra um esquema parecido, porém, com duas velocidades de funcionamento:
Diagrama 5 - Note o interruptor, que ativa e desativa o diodo
Tal sistema é visto nesta velha furadeira Arno de 500 W, datada dos anos 1990:
Imagem 26 - São dois diodos SK1/01 em paralelo, que suportam 1,2 A cada
A primeira velocidade funciona com o interruptor aberto e a energia passando pelos dois diodos em paralelo, enquanto a segunda velocidade ocorre quando o interruptor é fechado, direcionando a corrente pelo caminho de menor resistência, inutilizando os diodos no circuito.
Para entender o funcionamento deste tipo de motor, primeiro precisamos saber que eles também são capazes de funcionar com corrente contínua. Agora o diodo em paralelo com o interruptor faz todo sentido. Ele corta o semi-ciclo negativo da tensão alternada fornecida pelo rede elétrica, fazendo com que os enrolamentos operem com tensão pulsada:
Gráfico 3 - Comportamento do diodo num circuito de tensão alternada
Como o diodo possui uma certa resistência elétrica, uma ligação direta em paralelo com ele permite que a corrente vá pelo caminho de menor resistência, deixando o semicondutor inoperante. Essa técnica também é vista na tico-tico Bosch Super Hobby já mostrada anteriormente:
Imagem 27 - Se trata de um 1N5406, que suporta 3 A e 600 V de VRRM
Muitas furadeiras possuem inversão do sentido de rotação, e isto é feito com um interruptor. Artesanalmente pode ser utilizado um interruptor de três posições e seis pinos ligados num esquema de ponte H:
Diagrama 6 - A alteração do sentido de rotação é feita mudando o sentido da corrente pelo interruptor
A ponte H (5) é feita diretamente nos seis terminais do interruptor.
Um dimmer também pode ser utilizado em tais motores, como é o caso desta lixadeira roto-orbital:
Imagem 28 - Um lixadeira Vonder LRV 430 W
Ao ligar um AC Brushed com rotor e estator em série em tensão contínua, ele pode até funcionar, mas com uma potência muito baixa, já que um simples sinal de 12 Volts se tornará 6 Volts no estator e 6 Volts no rotor. Já num motor AC Brushed Shunt, ao liga-lo em tensão alternada a corrente se dividirá, mas devido à reatância indutiva maior do estator, teremos um desequilíbrio no sinal que resultará em, no máximo, trancos no motor.
Este artigo é apenas o começo de uma longa série sobre motores, sendo também uma sequência dos artigos sobre indutores, além de exemplos práticos de aplicação de materiais ferromagnéticos na área da mecânica e da elétrica.
Ao longo do tempo este artigo vai ser atualizado com mais informações técnicas sobre motores DC. Caso queira contribuir com mais informações, fique à vontade para entrar em contato conosco pelo e-mail hardwarecentrallr@gmail.com.
FONTES e CRÉDITOS:
Texto: Leonardo Ritter; c2o.pro.
Imagens, diagramas e gráficos: Leonardo Ritter; c2o.pro; Lesics português; Google Imagens.
Fontes: Desmonte de motores AC e DC; outros conteúdos do próprio HC; c2o.pro (https://www.c2o.pro.br/automacao/apk.html); AutoDOC Portugal (You Tube); Instituto Newton C. Braga; Lesics português (You Tube); Mundo da Elétrica; Campo Girante (You Tube); Manuais de instruções de automóveis; Documentos técnicos da Weg; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).
Ultima atualização: 08 de Setembro de 2024.