DESCOBRIR POLARIDADES DO MOTOR

FIRJAN/SENAI.

Prof. Henrique Moura.

Aqui tem educação profissional e de qualidade.

 

Identificação de terminais de enrolamentos de motores trifásicos de 6 pontas.

henrique@remocorp.com.br

Quando perde-se a identificação dos terminais de um motor trifásico de 6 terminais , que já vem com os terminais identificados pelo fabricante, ou usa-se um motor trifásico com terminais sem identificação, para ensinar os alunos a fazerem a identificação dos mesmos para a ligação.

A identificação é teminais (1 e 4), (2 e 5), (3 e 6).

Método normalmente utilizado e não recomendado:

No entanto costuma-se com um ohmímetro medir a continuidade entre terminais e numera-se aleatóriamente os terminais encontrados na seguinte sequência: (1 e 4), (2 e 5), (3 e 6).

Após feita a numeração faz-se a ligação triângulo e se o motor não funcionar direito, com a rotação reduzida e emitindo um som caracteírstico de motor em curto, baixa rotação e alto ruído de 60Hz. O usuário inverte os terminais (1 e 4), (2 e 5), (3 e 6), sequêncialmente até o motor entrar em perfeita rotação. Acontece que este método o de numerar os terminais com continuidade, sem mais nenhuma análise envolvida no processo, não garente que sejam os terminais corretos. A chance da correta numeração acontercer são de 25%. Enquanto não acerta-se a ligação correta o motor está em curto eletro-mágnético, aquecendo e podendo ocorrer a sua queima, além do risco com a operação de energia trifásica em curto.

Solução:

Após ter de fazer esta operação, achei muito perigoso ligar um motor que pode estar em curto, até encontrar os terminais corretos. Desta forma resolvi desenvolver um método de análise com baixa tensão mais seguro e com identificação mais exata.

Utilize um um ohmímetro para medir a continuidade entre terminais e numera-se aleatóriamente os terminais encontrados na seguinte sequência: (1 e 4), (2 e 5), (3 e 6). Não os numere apenas identifique os indutores da seguinte forma:

Lique um trnasformador de 127Vac/220Vac para 12Vac com o secundário de 12Vac em qualquer indutor que encontrou continuidade. Numere-o como L1 e um terminal como 1a e o outro como 1b. Ao fazer isto o motor irá comportar-se como um transformador, pois os enrolamentos L2 e L3 irão converter a força eletromagnética gerada pela corrente aplicada no enrolamento L1 em tensão elétrica.

A correta polarização magnética dos indutores do motor trifásico, referente a Norte e Sul devem se identificadas da forma a baixo no desenho, o ponto encima de cada terminal do indutor equivale ao Norte, ou polarização elétrica positiva

Em seguida meça a tensão nos enrolamentos 2 e 3, aquele que tiver uma maior tensão é o enrolamento mais próximo de L1, logo ele será L2, numere os terminais como 2a e 2b. e O enrolamento com menor tensão será L3 e numere os terminais como 3a e 3b.

A tensão encontrada em L2, poderá ser maior ou menor depende da permeabilidade magnética do ferro e o tamanho da área magnética.

No teste feito no SENAI, com um motor trifásico a tensão aplicada em L1 pelo transformador de 12V foi igual a:

L1= 13,36Vac.

Tensões no secundário.

L2= 3,02Vac

L3= 2,49Vac.

A relação é VL3 = VL2 * sen 120º.

VL3 = 3,02 * 0,86 = 2,61Vac.

Descobrindo a polaridade magnética dos enrolamentos.

Seno de 120º = 0,86

Pronto já fizemos a identificação dos da órdem dos enrolamentos, só falta identificar os terminais.

Una como o indicado no desenhos os terminais 2b e 3a, se a tensão medida nos terminais 2a e 3c for maior que a tensão do enrolamento L2, os indutores estão polarizados corretamente, pois a tensão dos enrolamentos L2 e L3 estarão se somando. O resultado será VL2 + VL2 * sen120º ou VL2+VL3.

No nosso teste encontramos VL2=3,02V e VL3=2,61V

Logo V=3,02+2,61=5,51Vac.

Desoberta a polarização magnética dos enrolamentos 2 e 3, numere da seguinte forma:

Os terminais

2a 2

2b 5

3a 3

3b 6

Polarizações incorretas:

As tensões serão sempre menores que a menor tensão de um enrolamento, ou seja será sempre menor que a tensão de L3. Pois estando os enrolamentos com polarizações inversas as tensões irão se subtrairem. V = VL2 - VL2 * sen120º, ou VL2-VL3.

Medimos 3,02V-2,49V=0,53Vac.

Concluindo as ligações:

Faça a ligação triângulo abaixo e ligue o motor na rede trifásica, se não funcionar corretamente e somente por que L1 está polarizado invertido em relação a L2 e L3, como L2 e L3 já foram perfeitamente identificados, é só inverter a numeração de L1, trocar 1 e 4. Pronto o motor estrá perfeitamente polarizado.

 

 

Cor vermelha fornecimento de dados, usar tecla enter. Cor azul resultado. Valores decimais utilize ponto e não vírgula.

Os resultados abaixo foram encontrados no motor trifásico, testado no SENAI de Paciência, Rio de Janeiro-RJ. No dia 16/08/2007, com a turma de Eletrecista de Manutenção Elétrica EMI-28. Os valores poderão variar de acordo com o motor que você utilize, mas as análises vetoriais de polaridade magnéticas nunca muda.

Volts VL1 tensão aplicada no enrolamento 1.

Volts VL2

Volts VL3

   

Volts VL2 + VL3 polarização correta.

Volts VL2 - VL3 polarização incorreta.

Visualizar animação de ligação de motor.

Ensaio de Motor 12 pontas

Depois de várias consultas que me fizeram, tive dúvidas. Fui procurar na oficina, ninguém sabia algo convincente. Encontrei um método proposto no site abaixo e resolvi ensaiar.

Confiram na pesquisa abaixo.

EQUIPAMENTO:{Motor WEG, 2,2KW, 3CV, 1785rpm, 60Hz, 12 pontas}

OBJETIVO:Com todas as pontas sem marcação, numerá-las numa seqüência tal que seja possível fazer os fechamentos para 220/380/440/760V.

- O site { http://br.answers.yahoo.com/question/index?qid=20080728055046AAqJqYl } descreve um método que resumindo é o seguinte:

1- Identificar os pares de fios que correspondem a uma bobina testando continuidade.

2- Identificar o par de cada bobina do seguinte modo: escolher uma bobina e conectar o miliAmperímetro analógico de zero central. Em cada uma das outras, uma de cada vez, conectar uma bateria de 9V, ligando e desligando o circuito. Aquela que der a deflexão maior será o par. Marcar a primeira com 1 e 4 e a segunda com 7 e 10, (polaridade à confirmar). Repetir esse procedimento para os outros pares.

3- Determinar a polaridade das bobinas que formam o par, usando o seguinte procedimento: Na bobina onde o amperímetro está ligado, escolha o fio que está ligado à entrada do aparelho como início de bobina e à saída deste como final. Repita os testes do item 2. Se o ponteiro do aparelho defletir para o negativo, o condutor ligado para o positivo é inicio de bobina, caso contrario é fim de bobina. Repetir as operações para os outros grupos, fazer a numeração e depois os fechamentos para cada tensão e testar.

ENSAIO COM O MÉTODO INDICADOFoi verificado que a deflexão máxima do ponteiro depende do bom contato elétrico no momento em que encosta. Testando várias vezes o valor nunca é igual. Conforme o repique as vezes o ponteiro tenta ir para o lado contrario depois volta para o outro lado. Verificado tambem que o valor médio quando se liga e desliga rápido e constantemente depende alem do bom contato, da freqüência com que se pisca. Se alguem conseguiu, parabéns. Eu não consegui. Assim os resultados das leituras são imprecisos e confusos.

MÉTODO PROPOSTODevido as dificuldades encontradas no ensaio acima e de se conseguir um miliAmperímetro analógico de zero central, propusemos aplicar uma tensão 110VCA em uma das bobinas e medir tensão nas outras, pois o que se espera ao ligar e desligar uma fonte CC numa bobina é produzir nesta uma variação de fluxo que permitirá medir nas outras bobinas uma FEM induzida, onde baseado na informação do método apresentado a maior delas seria obtida na que for o par desta. Usamos um multímetro digital na escala CA.Para determinar a polaridade propusemos ligar em série com o voltímetro digital um diodo e posicioná-lo para a escala CC. Se o parelho indicar um sinal “negativo (-) ” antes da leitura o inicio de bobina será a que esta ligado o anodo do diodo.

INÍCIO DOS TESTES COM O MÉTODO PROPOSTODesligado o motor e ocultado as marcações e embaralhado os fios.

Afixados os fios com fita crepe sobre uma prancheta.

Testado continuidade e separado os pares.

Energizado o primeiro par com 110VCA e medido tensão CA em cada um dos outros pares e anotado numa planilha.

A seguir descobertas as marcações para verificar a correspondência entre as marcações aleatória e padrão.

Energizado cada par com 110VCA e medido a tensão VCA nos outros, desta vez com a marcação padrão.

Abaixo estão na sequência correspondente:

Primeira linha: Numeração padrão

Segunda linha: Numeração aleatória

Análise:

- Aplicando-se 110VCA para 1+4 da marcação aleatória, a maior medida recaiu em 2+5.

- Na marcação padrão seria 10+7 e 8+11. Como na verdade o par de 10+7 seria 1+4, a afirmação de que o par correto corresponde a maior medida, não funcionou.

- Analisando as duas outras linhas tambem se observam as discrepâncias.

- Fazendo o mesmo tipo de análise na tabela feita com a marcação padrão, tambem se observa o mesmo tipo de problema.

- A única possível coerência é que as leituras dos pares corretos são praticamente iguais

- Outra coisa que se nota é que o valor não é o maior nem o menor, mas o médio, conforme se vê na primeira tabela. Mesmo assim a imprecisão das medidas torna o método menos seguro e exige muito critério para observar e chegar a essa conclusão.

COMENTÁRIO:Todos dois métodos se mostraram inconclusivos, Tanto o teste indicado quando o teste alternativo proposto em sua substituição.

PESQUISA:Como nenhum dos dois métodos funcionou, passado a buscar informações a respeito da disposição das bobinas para esclarecer e complementar as afirmações do método proposto no site que diz:

“(Você tem de ter em mente que um motor de dose pontas tem os mesmos três jogos de bobinas que um motor de seis pontas, a diferença é que cada bobina é cortada ao meio e cada pedaço suporta uma ddp de 220V). Então podemos dizer que a bobina na posição U tem um par de enrolamentos por exemplo a bobina com os condutores 1 e 4 é complementada pela bobina com condutores de numero 7 e 10,…)”.

A primeira dúvida de quem lê é se as duas bobinas ficam alojadas na mesma ranhura, ou em ranhuras diferentes e sendo assim em que posição estaria, uma vez que tudo isso influenciaria nas medidas. Isso é uma dúvida cruel que precisa ser esclarecida para

possibilitar algum tipo de análise e possivelmente a proposição de outro método.Pela entrevista que fiz com um bobinador bastante experimentado, essas bobinas não estão dentro da mesma ranhura nem nas ranhuras adjacentes, mas num ponto diametralmente oposto, ou seja, a metade do bobinado 1+4, 2+5 e 3+6 está de um lado e a outra metade, 7+10. 8+11 e 9+12 do lado oposto.

Ver desenhos seguintes:

- Na parte superior do desenho apresentamos doze grupos de bobinas para motor trifásico de 12 pontas, com as respectivas interligações.

- Na parte de baixo, figura mais a esquerda, a posição das bobinas que se complementam.

- Na figura abaixo mais a direita um padrão particular desse bobinador, porem não é um padrão universal e não é garantido que todos os bobinadores sigam, o que representa uma dificuldade para quem queira abrir o motor, desamarrar os fios e seguir para descobrir a numeração.

- Muitas vezes com o rotor extraído e aplicando tensão numa bobina eles precisam usar uma bússola para definir a bobina procurada.- Fica meio confuso e só um bobinador experiente é capaz de fazer isso com mais segurança.

CONCLUSÃO:

- O valor não é o maior nem o menor, mas o médio, conforme se vê nas tabelas.

- O método proposto poderá ser utilizado, mas é fundamental que se faça uma criteriosa análise como essa assinalada sobre a primeira tabela.

- Nunca é demais lembrar que a estabilidade da fonte de tensão VCA é importantíssima.

- Mesmo assim a imprecisão das medidas torna o método menos seguro e exige muito critério para observar e chegar a essa conclusão.

FOTO das pontas do motor separadas. A numeração de baixo é a padrão.

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Como funciona o motor elétrico (MEC060) Escrito por Newton C. Braga    Motores elétricos são parte integrante de uma infinidade de equipamentos. Máquinas industriais, automatismos domésticos e automotivos, portões elétricos, dispositivos mecatrônicos, robôs são alguns exemplos de lugares onde podemos encontrar motores. Os motores podem ser dos mais diversos tipos, formas e tamanhos o que leva a todo profissional da eletrônica a ter um conhecimento mais profundo destes dispositivos se quiser saber como trabalhar com eles. Neste artigo especial analisaremos os diversos tipos de motores, suas vantagens e desvantagens e a tecnologia que cada um emprega.

Os motores são transdutores que convertem energia elétrica em energia mecânica. Nesta função, eles fazer parte de uma grande quantidade de equipamentos que encontramos no dia a dia.

Nos últimos tempos com a união cada vez maior da eletrônica à mecânica com a criação de dispositivos mecatrônicos, os motores aparecem em cada vez maior quantidade e numa variedade de tipos até então nunca vista.

Como funcionam os diversos tipos de motores que encontramos nos equipamentos de nosso dia a dia, como trabalhar com eles é algo que todo profissional precisa saber e é isso que vamos levar neste artigo.

 

Fundamentos

A idéia de se obter energia mecânica a partir de energia elétrica, criando-se assim o primeiro motor de corrente contínua vem de 1830 quando Michael Faraday desenvolveu o primeiro motor de disco. Na figura 1 temos uma idéia de como ele funcionava.

 

Motor elementar de disco

 

No entanto, naquela época as próprias fontes de energia elétrica eram limitadas o que fez com que este motor apenas se tornasse uma curiosidade de laboratório sem aplicação prática alguma.

Os motores modernos se baseiam num princípio muito conhecido de todos os estudantes de física e eletrônica e que é mostrado na figura 2.

 

Força num conditor imerso num campo magnético.

 

Quando uma corrente elétrica percorre um fio imerso num campo magnético surge uma força perpendicular ao fio que tende a movê-lo.

Se em lugar de um simples condutor usarmos uma bobina com muitas espiras de fio, mesmo uma corrente relativamente fraca pode gerar forças bastante intensas quando a mesma configuração for montada.

Uma bobina com o formato mostrado na figura 3 quando percorrida por uma corrente e imersa num campo uniforme ficará sujeita a um binário que tende a girá-la.

 

Princípio de funcionamento de um motor DC

 

Evidentemente, nestas condições, se a bobina puder girar livremente ela só vai fazê-lo por um certo percurso, até que as forças não mais atuem no sentido de produzir este movimento, conforme mostra a figura 4.

 

Movimento da armadura até a estabilidade.

 

A configuração é interessante pois pode produzir força mecânica em boa quantidade, mas existe o problema de se obter um movimento contínuo da bobina, ou seja, fazê-la girar sem parar.

Isso pode ser conseguido por um processo denominado comutação e que é mostrado na figura 5 e que já nos leva a um motor com possibilidade de aplicações práticas.

 

O sistema de escovas

 

A bobina é enrolada num clindro que é montado num eixo capaz de girar sobre mancais.

Neste eixo deixamos duas regiões isolantes em que colocamos "meia calhas" de contatos comutadores que são ligados aos fios da própria bobina.

Dois contactos fixos ou "escovas" fazem contato elétrico com estas meia calhas de modo a transferir energia para as bobinas.

A ligação destes comutadores é tal que em meia volta do percurso, os comutadores A e B são ligados a bobina e com isso a corrente circula num sentido. Na outra meia volta os comutadores C e D é que são ligados na bobina e a corrente circula no sentido oposto.

Tudo isso nos leva ao seguinte comportamento mecânico do dispositivo assim formado.

a) Quando aplicamos a corrente nos contactos que alimentam a bobina circula uma corrente num sentido tal que tende a movimentar a bobina de meia volta num sentido que depende justamente do sentido de circulação desta corrente.

b) Quando a bobina alcança a posição que seria de repouso, meia volta depois, as escovas comutadores mudam os contactos e com isso a corrente inverte seu sentido de circulação.

c) O resultado disso, é que a posição em que a bobina alcançou não é mais a posição de repouso, já que surge uma nova força que tende a fazê-la continuar girando. A nova posição de repouso estará agora meia volta adiante.

d) A bobina gira mais volta para alcançar a nova posição de repouso, mas ao chegar próxima dela, novamente entram em ação os comutadores e a corrente é invertida. Uma nova posição de repouso aparece.

e) A nova posição de repouso estará novamente meia volta à frente e a bobina continua girando.

 

É fácil perceber que a bobina nunca vai parar enquanto houver disponibilidade de corrente para alimentar o circuito e obteremos com isso um movimento giratório da bobina e de seu eixo constante. A figura 6 ilustra o que ocorre.

 

Rotação constante.

 

A força que aparece no eixo deste tipo de motor vai depender de diversos fatores tais como o número de espiras da bobina, a intensidade do campo magnético e também a intensidade da corrente.

 

Motor DC com Escovas

Este tipo de motor é o mais tradicional conhecido por "brush DC motor" onde "brush" significa escova, para designar a operação com o sistema comutador.

Na figura 7 temos um motor deste tipo visto em corte, como os muito encontrados em aplicações comuns tais como brinquedos, ventiladores de carro, etc.

 

Motor DC com escovas (em corte).

 

Observe que são usados imãs permanentes no estator, que o rotor onde é enrolada a bobina é feito de metal ferroso para concentrar as linhas de força do campo magnético criado pela bobina, tornando-o mais intenso e que as escovas são fetas ou de pedaços de grafite ou ainda com lâminas de cobre, dependendo do tipo.

Motores deste tipo podem ser encontrados em versões de todos os tamanhos e tipos, sendo as mais comuns as alimentadas por pilhas na faixa de 1,5 a 12 V conforme mostra a figura 8.

 

Pequenos motores de corrente contínua.

 

Estes pequenos motores podem operar com potências de poucos watts, já que as correntes drenadas variam entre 50 mA e 2 A tipicamente.

 

Características:

Os motores deste tipo na realidade são especificados para operar dentro de uma faixa de tensões. Assim, um motor de 3 V, realmente funcionará quando alimentado com tensões na faixa de 1,5 a 4,5 V sem problemas.

Acima desta tensão o problema maior é a dissipação de calor pela enrolamento. Aquecendo demais os fios podem ter sua isolação queimada já que são do tipo esmaltado.

A velocidade de rotação deste tipo de motor depende da tensão aplicada e também da carga, ou seja, da força que devem fazer.

Assim, é comum termos um gráfico para especificar a relação tensão x velocidade conforme mostra a figura 9.

 

Curva típica de motores.

 

Pequenos motores para a faixa de 1,5 a 12 V podem ter rotações sem carga na faixa de 1 000 a 10 000 rpm.

Quando carregados, a corrente aumenta e a rotação cai, nos levando a um gráfico conforme mostra a figura 10.

 

Curva típica rotação x corrente de um motor DC

 

Por este motivo, numa aplicação prática é preciso especificar tanto a tensão aplicada como a carga para que se possa ter uma idéia exata da rotação em que ele vai trabalhar.

Nas aplicações mais críticas em que o motor precisa manter uma rotação constante existem diversas técnicas que podem ser empregadas para esta finalidade.

Uma delas é regulagem mecânica da velocidade que pode ser conseguida com contrapesos conforme mostra a figura 11.

 

Regulando a velocidade com contrapesos.

 

Esta regulagem opera fazendo com que, au aumentar a velocidade os pesos se afastem do eixo de rotação e com isso seja preciso uma força maior para mantê-los em rotação

compensando desta forma o ganho de velocidade.

Outra possibilidade é a regulagem eletrônica que pode empregar diversas configurações práticas.

Uma delas consiste no uso de algum tipo de circuito regulador de corrente ou fonte de corrente constante, conforme mostra a figura 12.

 

Usando uma fonte de corrente constante.

 

Este circuito é usado quando o motor deve acionar uma carga com uma força constante e manter a velocidade dentro de certos limites.

Parte-se da idéia de que a corrente depende da carga e da rotação e uma vez ajustada, uma alteração na velocidade tende a modificar a corrente que é compensada pelo circuito.

Outra possibilidade consiste no uso de algum tipo de sensor acoplado ao eixo do motor que faça a leitura de sua rotação, conforme mostra a figura 13.

 

Regulagem da velocidade com sensor óptico.

 

Um sensor magnético ou ainda óptico informa ao circuito qual é a rotação e compara com o valor ajustado gerando um sinal de erro. Este sinal é usado para aumentar ou diminuir a tensão no motor, corrigindo-se assim a velocidade até que ela chegue ao valor

desejado.

 

Este tipo de motor tem várias limitações como:

a) A velocidade máxima está limitada tanto pelas características mecânicas das escovas como também pelo núcleo. Em altas rotações, a corrente inverte e desinverte milhares de vezes por segundo gerando assim correntes de foucault no núcleo ferroso do motor. Esta corrente faz com que o núcleo se aqueça fazendo cair o rendimento do motor.

b) Nas comutações é gerado ruído elétrico que pode interferir nos circuitos mais sensíveis do aparelho em que o motor funciona. Se bem que possam ser usados filtros para eliminar estes ruídos, como por exemplo c apacitores em paralelo, existe um limite para sua ação.

c) As escovas ou contactos gastam com o tempo reduzindo a vida útil do motor.

 

Diversas tecnologias possibilitam a construção de motores DC com escovas com rendimento mais elevado.

Uma delas é a que possui uma armadura em forma de disco gravada e que é mostrada na figura 14.

 

Motor com armadura impressa.

 

Este tipo de motor não possui partes de ferro móvel o que elimina os problemas do aquecimento do núcleo nas altas rotações pelas correntes de turbulência ou foucault geradas pelas altas frequências.

Na figura 15 temos um outro tipo de motor DC que possui uma armadura em forma de concha, sendo chamado também de "shell armature" em inglês.

 

Motor com armadura em concha.

 

A grande vantagem destes motores em relação aos tradicionais é que eles podem alcançar rotações muito mais altas.

 

Perdas nos Motores DC

A finalidade básica de um motor é converter energia elétrica em energia mecânica. Evidentemente, o melhor motor é o que consegue converter a maior parte da energia elétrica em energia mecânica, ou seja, tem o maior rendimento o menores perdas.

As perdas nos motores de corrente contínua, além das que já comentamos no item anterior podem ter diversas outras origens.

Na figura 16 mostramos num gráfico os diversos tipos de perdas que podem afetar o rendimento deste tipo de motor.

 

Perdas nos motores com escova.

 

a) Perdas nos enrolamentos

Estas perdas ocorrem porque o fio usado nos enrolamentos dos motores apresentam certa resistência elétrica. Para vencer esta resistência, energia elétrica é convertida em calor e não em força mecânica.

As perdas pela resistência do enrolamento podem ser calculadas pela expressão:

 

P = R x I2

 

Onde: P é a potência elétrica perdida - transformada em calor (W)

R é a resistência do enrolamento (Ω)

I é a intensidade da corrente no motor

 

Um fator importante que deve ser levado em conta nestas perdas é que a resistência do enrolamento aumenta quando ele se aquece, ou seja, quando o motor passa a rodar em regime de maior potência.

 

b) Perdas pelos contactos

As escovas não possibilitam a realização de um contacto elétrico perfeito quando o motor gira. Na verdade, a eficiência deste tipo de contacto diminui bastante à medida que a velocidade do motor aumenta.

 

Com a diminuição da eficiência do contacto, a resistência aumenta e com isso a quantidade de calor que é gerado neste ponto do motor.

A análise da forma como os contactos atuam é bastante complexa já que existe o problema do repique que gera pulsos de transientes quando comutam uma carga altamente indutiva como é o enrolamento do motor.

Em lugar do simples estabelecimento da corrente conforme mostra a figura 16(a) temos a produção de uma sequência de pulsos muito rápidos que, atuando sobre a indutância do motor fazem com que a corrente estabelecida não alcance imediatamente o valor esperado e além disso sejam gerada uma tensão de retorno mais alta. Isso é mostrado na mesma figura 16(b).

 

c) Perdas no Ferro

As características de magnetização do ferro usado como núcleo nos motores devem ser consideradas quando analisamos o funcionamento de um motor de corrente contínua com escovas.

A principal se deve às correntes de turbulência ou Foucalt. que são geradas devido à histerese do material usado no núcleo.

Como este material não consegue acompanhar as inversões muito rápidas de polaridade do campo magnético quando o motor gira em alta velocidade. são induzidas correntes no núcleo que causam seu aquecimento.

Este aquecimento pode influir no aumento da resistência do enrolamento (como já vimos) e também nas próprias características magéticas do material usado no núcleo do motor.

Em suma, maior velocidade para este tipo de motor pode significar perdas consideráveis pelas correntes induzidas desta forma. O uso de chapas de metal em lugar de núcleos sólidos reduz o problema mas não o elimina completamente.

 

d) Perdas por Frição

Estas perdas se devem às características mecânicas do motor que deve rodar sobre mancais com o mínimo de atrito possível. Evidentemente, na prática não podemos reduzir este atrito a zero e as perdas ocorrem.

 

A própria pressão mecânica das escovas sobre os contactos no rotor do motor também induzem perdas por atrito que além do inconveniente de atuar como um freio, também geram calor que, conforme vimos, são um dos fatores que causam uma perda de rendimento para este tipo de motor.

Materiais como a grafite, que além de serem bons condutores elétricos têm um coeficiente de atrito muito baixo ajudam bastante a se obter motores com baixas perdas por atrito dos contactos, mas elas não são totalmente eliminadas e devem ser consideradas em certas aplicações mais críticas.

 

e) Perdas por Curto-Circuito

Quando as escovas mudam de contacto passando de um enrolamento para outro no giro de um motor, por uma fração de segundo, o contacto ocorre em dois enrolamentos ao

mesmo tempo, conforme mostra a figura 17.

 

As perdas por curto-circuito.

 

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.

 

Outras Perdas:

Além das causas analisadas existem outras que afetam o desempenho de motores de corrente contínua que fazem uso de escovas. analisemos algumas delas.

 

a) Ripple de Torque

Devido as característic as indutivas do enrolamenro do motor e também devido à inversão da corrente constantemente pela ação nas escovas dos motores de corrente contínua não é possível manter constante a corrente e com isso o torque.

Na prática, o torque varia conforme uma curva ondulação (ripple) que é mostrada na figura 18.

 

Ondulação (ripple) no torque do motor.

 

Esta característica costuma trazer problemas de funcionamento principalmente em altas velocidades e pode ser minimizada com a utilização de enrolamentos múltiplos no motor ou ainda aumentando-se o número de pólos de comutação, mas isso sem dúvida encarece o dispositivo.

Outras técnicas podem ser empregadas para se minimizar este tipo de problema.

 

b) Desmagnetização

Os imãs permanentes usados nos motores de corrente contínua para criar o campo sobre o qual se baseia seu funcionamento não são tão permanentes assim, perdendo seu magnetismo com o tempo.

 

Outro fator que tem influência na desmagnetização do imã permanente é a própria corrente que circula pelos enrolamentos.

O campo magnético criado pelos enrolamentos atua sobre o imã permanente e com o tempo faz com que seu magnetismo se reduza até o ponto em que ele começa a afetar de modo sensível no rendimento do motor.

É importante observar que uma intensidade de corrente acima de certo valor nos enrolamentos do motor pode criar um campo suficientemente intenso para desmagnetizar de modo completo os imãs permanentes.

Assim, pulsos de correntes intensas devem ser evitados de qualquer forma pois eles podem causar este tipo de problema.

 

c) Ressonância Mecânica

Todos os corpos tendem a vibrar com maior intensidade em certas frequências e isso é

válido para as partes mecânicas de um motor.

Assim, se deixarmos um motor de corrente contínua girar livremente sem carga ele tende a se acomodar numa rotação em que suas partes mecânicas oscilem na sua freqüência de ressonância.

Nesta freqüência, podem surgir esforços mecânicos que tanto pode afetar a integridade do motor como seu rendimento.

Na prática, o que se faz é utilizar partes que tenham frequências bem diferentes de ressonância e até girem em sentidos contrários para que este efeito seja anulado.

 

d) Contra - FEM Induzida

A comutação rápida das escovas de uma carga indutiva faz com que surga uma tensão induzida que é conhecida como força contra-eletromotriz.

Na figura 19 mostramos a característica desta força com a velocidade de rotação de um motor comum.

 

Característica de c.f.e.m.

 

Observe que esta força contra-eletromotriz aumenta com a velocidade de rotação do motor. Normalmente, para os motores comuns ela é expressa para uma rotação de 1000 rpm.

Esta força faz com que o motor funcione como um gerador quen "devolve" parte da energia para para o circuito que o alimenta atuando assim como uma espécie de freio.

 

Motores sem Escovas

Conforme vimos, a maior limitação para a operação dos motores de corrente contínua está na necessidade de se adotar um sistema comutador mecânico que inverta e desinverta a corrente durante o movimento para se manter as forças atuando sempre no

mesmo sentido e assim ser obtida uma rotação contínua.

Estas escovas gastam, geram ruídos e além disso estão sujeitas à problemas de contactos que se agravam à medida que as rotações aumentam.

A terminologia usada especifica os motores sem escova como um tipo especial de servomotor. Esta observação deve ser feita, pois os motores de passo também são motores sem escovas do mesmo modo que um motor de indução de corrente alternada.

Na categoria dos motores sem escovas temos dois tipos básicos: o motor trapezoidal e os motores para ondas senoidais.

O motor trapezoidal, na verdade é um servo DC enquanto que o senoidal se assemelha a um modor AC síincrono.

Para entender melhor como eles funcionam vamos partir da evolução dos motores sem escovas.

Um motor covencional com escovas, conforme mostra a figura 20, consiste numa rotor com uma bobina que fira num campo magnético produzido pelo estator. Se as conexões da bobina são feitas atracvés de aneis deslizantes, este motor se comporta como um motor de passo (invertendo a corrente o rotor gira de 180 graus).

 

Motor convencional com escovas.

 

Incluindo o comutador e escovas a reversão da corrente será feita automaticamente e o rotor vai continuar girando na mesma direção.

Para transformar este motor num motor sem escovas devemos partir da eliminação dos enrolamentos do rotor. Isso pode ser conseguido virando "ao avesso" o motor. Em outras palavras, colocamos o imã permanente como parte rotativa do motor e colocamos as bobinas nos pólos do estator.

É claro que precisamos ainda pensar em algum meio de inverter a corrente automaticamente - uma chave acionada por um ressalto poderia ser usada para esta finalidade conforme mostra a figura 21.

 

Usando uma chave inversora mecânica.

 

É claro que um arranjo que ainda inclua um disposiitivo mecânico de comutação não é a melhor solução para o problema.

Podemos, em lugar da chave mecânica, usar um amplificador para excitar as bobinas e que seja acionado por algum dispositivo que possa verificar a posição do rotor em cada instante, por exemplo, um sensor óptico ou um sensor de efeito Hall, conforme mostra a figura 22.

 

Usando um encoder.

 

Este circuito de leitura da posição e acionamento das bobinas é denominado "encoder de comutação" na linguagem técnica.

Fica claro que um motor deste tipo não pode ser conectado diretamente a uma fonte de corrente contínua para funcionar.

O motor deve ser ligado a um circuito que inverta constantemente a corrente, o que em última análise significa que o motor é acionado por uma corrente alternada.

Voltando aos motores comuns com escovas, vemos que um rotor que tenha apenas uma bobina apresenta uma caracteristica de grande variação de torque com a rotação.

De fato, a caracteristica será senoidal com o máximo torque já que o rotor corta o campo magnético numa forma que resulta neste comportamento, conforme mostra a figura 23.

 

Característica de torque.

 

Um motor DC na prática possui diversas bobinas no rotor e cada uma é ligada não somente ao seu próprio par de comutadores como também a outras bobinas.

Desta forma, temos um toque mais constante pelo efeito da média da corrente circulando através delas.

Como obter o mesmo comportamento para um motor sem escovas? Isso vai exigir um grande número de bobinas no estator, o que em princípio não é difícil de conseguir, mas tem o agravante de que precisaremos de um circuito excitador para cada uma delas.

Na prática um motor sem escovas possui dois ou três conjuntos de bobinas ou "fases" conforme mostra a figura 24.

 

Construção de um motor sem escova.

 

No motor mostrado na figura é do tipo de dois pólos e três fases. O rotor normalmente

possui quatro ou seis pólos no rotor com um aumento correspondente no número de pólos do estator.

Veja que isso não aumenta o número de fases pois elas podem ser distribuidas entre diversos estatores.

A característica de torque deste tipo de motor é mostrada na figura 25.

 

Característica senoidal de torque.

 

Através desta figura podemos ver que o torque máximo é conseguido quando os campos do estator e do rotor estão com uma defasagem de 90 graus.

Limitando o número de fases a três isso significa eu se pode avançar o campo do estator apenas em incrementos de 60 graus da rotação do eixo, o que significa que não dá para manter esta diferença de fase de 90 graus.

Na prática o que se faz é manter esta diferença oscilando entre 60 e 120 graus de modo que na média teremos 90 graus com o que se consegue uma boa aproximação da condição de maior torque.

 

O Motor Trapezoidal

Com uma intensidade de corrente fixa nos enrolamentos, pode-se conseguir um bom aumento do torque.

Consegue-se com isso um achatamento de sua caracter[istica de toque mostrada na figura 26, que, pela sua forma dá nome a este tipo de motor.

 

Achatamento da característica de torque.

 

Na prática isso não é muito simples, já que um certo grau de não linearidade sempre permanece. O efeito principal é um pequeno "soquinho" no ponto de comutação do circuito, o que pode ser importante nas aplicações de muito baixa rotação.

O ripple ou ondulação de torque resultante desta característica tende a produzir uma espécie de modulação de velocidade na carga. No entanto, num sistema que use um feedback de velocidade de grande ganho o problema é eliminado. Isso significa eu um pequeno aumento da velocidade gera um grande sinal de erro, reduzindo a demanda de torque para corrigir a velocidade.

Na prática, a corrente do amplificador tende a ser um espelh da caracteristica de torque resultando numa modulação de velocidade muito pequena conforme mostra a figura 27.

 

Mantendo o torque constante.

 

O Motor Senoidal

No motor senoidal que também é chamado de servo AC sem escovas, nenhum cuidado é tomado para se corrigir as características senoidais básicas de torque.

Este motor pode ser alimentado como um motor AC sincronizado simplesmente aplicando-se aos enrolamentos uma tensões senoidais com o deslocamento de fase

apropriado, 120 graus no caso de motores de três fases.

Se for necessária uma precisão em baixas velocidades uma precisão maior nas tensões deve ser conseguida. Isso significa que o drive deve gerar três correntes que estejam em fase de acordo com a posição do eixo. Para obter a necessária precisão nesta codificação normalmente são usados codificadores ópticos.

 

Torque Constante

Para entender melhor como pode-se obter torque constante deste tipo de motor, é melhor analisar um caso em que tenhamos apenas duas fases.

Este motor tem dois conjuntos de bobinas que são alimentadas com um sinal trapezoidal defasadas de 90 graus, uma em relação a outra.

Se reprsentarmos a posição do eixo por um ângulo x, as correntes nos enrolamentos estarão na forma:

 

I = Io sen x

I = Io cos x

 

Voltando ao modelo básico de motor, podemos observar que a característica de torque fundamental do motor também é senoidal, o que quer dizer que o torque instantâneo ser

a dado por:

T1 = Io K sen x

 

Onde k é a constante de torque do motor.

Tornando a corrente no motor senoidal, e em fase com as características de torque do motor, o toque obtido de uma das fases será:

T1 = (Io sen x) K sen x = I k sen2 x

E, da mesma forma, o torue obtido será dada por:

 

T 1= Io K cos2 x

 

O torque total obtido (nas duas fases) será então:

 

T1 + T2 = Io K (sen2 x + cos2 x)

 

Mas:

 

sen2 x + cos2 x = 1

 

Onde obtemos:

 

T1 + T2 = Io x k

 

Assim, para correntes senoidais aplicadas ao motor, o torque resultante será independente da posição do eixo.

Veja entretanto que, para que isso ocorra, deve haver uma precisão na aplicação destas correntes no motor, o que exige o emprego de um encoder apriopriado para enviar a informação necessária ao circuito de processamento que a gera.

 

Servos Híbridos

Com relação ao princípio de funcionamento, o motor de passo e o servo motor sem escoivas são semelhantes.

Cada um possui um sistemas de imãs totativos e um estator com bobinas enroladas.

A única diferença está no fato de de que eles possuem números de pólos diferentes. São apenas 3 pares no servo híbrido e até 50 no motor de passo.

Assim, para efeito de análise podemos considerar um servo híbrido como um motor de

passo simpificado.

Baseados nos mesmos princípios podemos usar um motor de passo como servo simplesmente agregando algum recurso de feedback, como por exemplo um encoder óptico.

O nome híbrido vem justamente do fato de que sua construção tanto se baseia nos princípios de funcionamento dos servos comuns como dos motores de passo.

Eles até são chamados em alguns de "servos de passo".

Neste tipo de motor um drive de 2 fases fornece as correntes defasadas (seno e cosseno) que os enrolamentos precisam para a excitação sempre comandados pelo dispositivo de realimentação. Este dispositivo tanto pode ser um encoder óptico como um sensor de contactos. Como o motor tem 50 pares de pólos, devem ser gerados 50 ciclos de sinal para cada volta do eixo.

Um servo híbrido tem aproximadamente o mesmo torque do motor equivalente de passo quando alimentado pela mesma tensão e corrente, mas deve-se considerar que a operação deve ser sempre em laço fechado.

Um servo híbrido é mais caro que um motor d epasso num determinado sistema, mas mais barato do que um servo sem escovas.

Da mesma forma que nos motores de passo a operação contínua em altas velocidades não é recomendada para este tipo de motor já que podem ocorrer muitas perdas no núcleo. Outra vantagem deste tipo de motor é que ele costuma operar de modo mais silencioso e aquecer menos do que os motores de passo comuns.

 

Motores de Acionamento Direto

Este tipo de motor é acoplado diretamente nas cargas que devemmovimentar sem o uso de caixas de redução, engrenagens ou correias. Em algumas aplicações motores sem escovas e mesmo motores de passo podem apresentartorque e resolução adequadas para este tipo de aplicação.

Em outros, entretanto, as caixas de redução e correias são usadas para se modificar o torque e a velocidade de acordo com as especificacões exigidas pelo projeto.

Na figura 29 temos um tipo de motor de acionamento direto em corte.

Um motor deste tipo não possui escovas e nem engrenagens de modo a se obter maior torque e maior resolução, sacrificando entretanto, a velocidade e a precisão.

Uma vantagem importante do acionamento direto e a eliminação do atrito e fricção das engrenagens que são responsáveis por perdas importantes de potência.

Este tipo de motor contém componentes de precisão e um sistema de feedback num invólucro muito compacto.

O torque deste tipo de motor depende de seu diâmetro e em segundo lugar do número de dentes de que criam o campo magnético de modo a se obter o maior número de passos de acionamento.

Estes motores tem como principais vantagens a alta precisão, maior velocidade de reposta, maior torque em altas velocidades e rotação suave.

 

CONCLUSÃO

Motores de todos os tipos são encontrados numa variedade enorme de apicações na industria, na eletrônica de consumo e embarcada. O profissional deste setor deve conhecer cada tipo, e se for um projetista deve saber que tipo empregar numa aplicação específica.

O que vimos neste artigo foi apenas uma breve introdução ao princípio de funcionamento dos principais tipos de motores que podemos encontrar nos diversos equipamentos modernos.

O leitor interessado pode ir além aprofundando-se em cada tipo de modo a saber como fazer projetos específicos e tirando o máximo proveito das vantagens que cada um oferece.