Motores de Comboios

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Os Motores em Engenharia Mecânica

Motores de Comboios

Projeto FEUP 2014 - Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica:

Coordenadores gerais: Armando Sousa & Manuel Firmino

Coordenador de Curso: Teresa Duarte

Equipa 1M6_4:

Supervisor: Teresa Duarte Monitor: José Sarilho

Estudantes & Autores:

Bárbara Beatriz Chapelo Braga – up201406204

Bruno Alves Ribeiro de Miranda – up201405646

Carolina Costa Leite Pereira de Melo – up201405900

Joana Costa Leite Pereira de Melo – uo201406409

Miguel Morais Trindade – up201405860

Rogério Filipe Ferreira Lopes – up201405367

Motores em Engenharia Mecânica – Motores de Comboios 2/34

Resumo

O presente relatório elaborado pelo grupo 4 da turma 6, no âmbito da unidade

curricular Projecto FEUP, inserida no curso de Mestrado Integrado em Engenharia

Mecânica (MIEM), tem por objectivo uma demonstração de todo o trabalho

desenvolvido à volta do tema “Motores em Engenharia Mecânica”, especialmente

focado nos motores presentes nos comboios.

Assim sendo, os motores utilizados nos comboios sofrerão uma análise vasta,

desde a sua origem/enquadramento histórico, funcionamento e os mecanismos

presentes neste tipo de maquinaria tão antiga e ao mesmo tempo tão moderna até às

suas vantagens e desvantagens. Focar-se-á principalmente três tipos de motores: o

motor a vapor como uma fotografia do passado, o motor eléctrico utilizado na

actualidade e o princípio de levitação utilizado nos Maglev como vislumbre do futuro.

Para enriquecimento deste projecto, foi possível ainda a construção de um

pequeno motor, com material caseiro que pode ser encontrado no dia-a-dia, o qual

assenta nos princípios dos motores que iremos abordar posteriormente. Com toda a

desafiante experiência detalhada, espera-se uma compreensão do leitor após a

análise de todo o relatório.


Palavras-chave

Motores

Pressão

Força Motriz

Magnetismo

Movimento


Agradecimentos

A realização deste projeto foi apenas possível devido à colaboração de todos

os membros do grupo e da orientação do monitor José Sarilho e da professora Teresa

Duarte.

Assim gostaríamos de agradecer ao nosso orientador José Sarilho pela sua

disponibilidade em esclarecer as nossas dúvidas e nos orientar no sentido de melhorar

o nosso trabalho.

Deixamos também um agradecimento especial para a professora Teresa

Duarte pelos seus conselhos e acompanhamento ao longo da realização do projeto

que foram um elemento essencial para o planeamento e realização deste trabalho.


Índice

1. Palavras-chave ...................................................................................................... 3

2. Agradecimentos .................................................................................................... 4

3. Índice ..................................................................................................................... 5

4. Lista de figuras ..................................................................................................... 7

5. Introdução ............................................................................................................. 8

6. Motor a vapor ........................................................................................................ 9

6.1. Enquadramento histórico ................................................................................. 9

6.2. Funcionamento .............................................................................................. 10

6.3. Impacto na sociedade .................................................................................... 11

6.4. Desvantagens ................................................................................................ 12

6.5. Vantagens ...................................................................................................... 12

7. Motor elétrico ...................................................................................................... 12

7.1. Introdução ...................................................................................................... 12

7.2. Funcionamento .............................................................................................. 13

7.3. Tipo de motor elétrico .................................................................................... 14

7.3.1. Motor de indução Trifasico ...................................................................... 14

7.3.2. Motor de indução monofásico ................................................................. 15

7.4. Desvantagens do motor monofásico em relação ao trifásico .......................... 16

8. Comboios de levitação magnética ..................................................................... 17

8.1. Levitação eletrodinâmica ................................................................................ 17

8.1.1. Princípio de propulsão ............................................................................. 18

8.1.2. Princípio de orientação lateral ................................................................. 19

8.1.3. Vantagens ............................................................................................... 19

8.1.4. Desvantagens ......................................................................................... 20

8.2. Levitação eletromagnética ............................................................................. 20

8.2.1. Sistema de propulsão.............................................................................. 21


8.2.2. Vantagens ............................................................................................... 21

8.2.3. Desvantagens ......................................................................................... 21

8.3. Levitação por indução .................................................................................... 22

8.3.1. Vantagens ............................................................................................... 24

8.3.2. Desvantagens ......................................................................................... 24

8.4. Consumo de energia ...................................................................................... 25

9. Experiência: Motor de Stirling/termodinâmico ................................................. 26

9.1. Enquadramento no trabalho ........................................................................... 26

9.2. Funcionamento .............................................................................................. 26

9.3. Materiais utilizados ......................................................................................... 27

9.4. Procedimento ................................................................................................. 27

9.5. Vantagens ...................................................................................................... 28

9.6. Desvantagens ................................................................................................ 28

9.7. Observações .................................................................................................. 29

9.8. Conclusão ...................................................................................................... 29

10. Conclusão ........................................................................................................... 30

11. Bibliografia .......................................................................................................... 31


Lista de figuras

Ilustração 1: Comboio a vapor [20]. .............................................................................. 9

Ilustração 2: Fornalha de uma locomotiva a vapor [21]. .............................................. 10

Ilustração 3: Comboio a vapor desativado [22]. .......................................................... 11

Ilustração 4: Comboio elétrico [36]. ............................................................................. 13

Ilustração 5: Indução Eletromagnética [37]. ................................................................ 14

Ilustração 6: Motor de indução trifásico ....................................................................... 15

Ilustração 7: Motor de indução monofásico [42]. ......................................................... 16

Ilustração 8: Transrapid [27] ....................................................................................... 17

Ilustração 9: Maglev japonês [26]................................................................................ 17

Ilustração 10: Aplicação do princípio de levitação por repulsão magnética [28] .......... 18

Ilustração 11: Mecanismo de propulsão [18] ............................................................... 18

Ilustração 12; Trilho de um Maglev eletrodinâmico [29] .............................................. 19

Ilustração 13: Estrutura e eletroímanes que se encontram no comboio [30] ............... 20

Ilustração 14: Consumo de energia. [34]..................................................................... 25

Ilustração 15: Motor de Stirling [23] ............................................................................. 26

Ilustração 16: Esquema do Motor de Stirling [24] ........................................................ 26

Ilustração 17: Motor de Stirling Experimental Adaptado e legendado ......................... 27

Ilustração 18: Lata e Cilindros de Cortiça .................................................................... 27

Ilustração 19: Corte da lata ......................................................................................... 28


Introdução

Os motores são um elemento fulcral na Engenharia Mecânica. Neste trabalho,

serão abordados em especial os motores dos comboios.

Ora, sendo um tema tão geral porquê a selecção dos motores presentes nos

comboios? A verdade é que existe uma linha cronológica bastante marcante e

acentuada onde as evoluções são tão visíveis que despertam o interesse. O motor

utilizado no século XX nas locomotivas em pouco (ou nada) se compara com os

motores utilizados na actualidade. Apesar de o comboio continuar a servir sempre o

seu propósito – permitir o transporte da população e mercadorias – o que mudou até

agora? Essencialmente a concepção do motor.

Entenda-se como motor o mecanismo que transforma qualquer espécie de

energia em energia mecânica, originando uma força motora.

Existindo diversos motores como o motor a diesel, o motor a gás, elétrico e

também os híbridos, irá focar-se o motor a vapor como uma fotografia do passado, o

motor eléctrico utilizado na actualidade e a levitação magnética utilizada nos Maglev

como vislumbre do futuro. Ambos têm os seus prós e contras, história e

desenvolvimento. Para enriquecimento sobre o tema, foi até possível a criação de um

mini motor termodinâmico cujo mecanismo e fonte de energia se assemelha ao motor

a vapor. Assim sendo e não especializando em demasia o assunto, conseguimos

abordar o tema de uma maneira lúdica e simples, apreendendo todos os

conhecimentos necessários.


Motor a vapor

Enquadramento histórico

O motor a vapor foi o dispositivo que permitiu a criação de vários sistemas de

maquinagem cujo principal combustível é a água. Desenvolvido no século XVIII, foi

gradualmente evoluído, sendo um grande meio de transporte até ao início do século

XX.

As suas origens provêm de um engenheiro greco-egípcio de Alexandria que no

século explorava o vapor como força motriz.

Thomes Newcome, em 1712, criou o primeiro motor amplamente usado. James

Watt, passados 57 anos, projetou uma nova versão do mesmo, só que mais eficiente.

Este novo projeto minimizava perdas de calor e possuía novos mecanismos que

facilitavam a propulsão, e o movimento de rotação.

Graças às modificações de Watt, os motores a vapor passaram a ter como

principal função o movimento de comboios (ver: Ilustração 1) e de barcos, assim como

na indústria e na extração de carvão. Foi esta a base da “famosa” Revolução Industrial

[1].

Ilustração 1: Comboio a vapor [2].


Funcionamento

O típico motor a vapor de pistão, funciona a partir de uma válvula corrediça, cuja

função é a permissão da entrada do vapor a alta pressão em qualquer lado do cilindro.

Para que a válvula deslize, é necessário uma haste de comando, geralmente

conectada a uma ligação com uma cambota. O vapor de seguida é libertado para a

atmosfera através da chaminé. Isto explica duas coisas acerca dos comboios a vapor:

A água é constantemente perdida devido à descarga de vapor. Esta é a

principal razão pela qual se pode observar em cada estação grandes

reservatórios de água;

O som que podemos ouvir de um comboio a vapor, não é nada mais, nada

menos, que a libertação de vapor a altas pressões, fazendo assim o som

característico, assobio, que todos nós conhecemos.

Num comboio a vapor, a cambota geralmente liga-se à haste motriz, e daí às

hastes de emparelhamento, cuja responsabilidade é o acionamento das rodas da

locomotiva, que por sua vez liga-se a três rodas motrizes. As três rodas são

conectadas por hastes de emparelhamento de modo a que as rodas girem de forma

semelhante.

Os primeiros automóveis utilizavam também o motor a vapor, (ver: Ilustração 2),

mas foi gradualmente sendo substituído pelo motor de combustão interna. Estes por

sua vez eram mais eficientes em termos de segurança e conforto [1].

Ilustração 2: Fornalha de uma locomotiva a vapor [3].


Impacto na sociedade

Transporte de mercadorias

A locomotiva a vapor permitiu o transporte de mercadorias a uma taxa muito mais

rápida do que a cavalo. Com os caminhos-de-ferro as pessoas sabiam exatamente

onde e quando as mercadorias chegariam ao destino. Os comboios também deram a

possibilidade de um passeio mais seguro, visto que é muito mais difícil assaltar um

comboio do que uma carroça a cavalos.

Transporte de Passageiros

Apenas cinco anos após a primeira viagem dum comboio de cargas, foi criado um

de passageiros. Isso provocou uma maior necessidade de construção de linhas

ferroviárias. Com tal feito, o tempo médio duma viagem foi reduzido cerca de 90 %.

Isso abriu um novo mundo para a população pois poderiam aceder áreas de

localização remota. Com o aumento das necessidades das pessoas, aumenta também

a necessidade de mais conforto e mobilidade mais rápida. Assim sendo estas

locomotivas foram sendo gradualmente substituídas por outras mais eficientes, (ver:

Ilustração 3).

Ilustração 3: Comboio a vapor desativado [4].

Vendas estimulam mais empregos

O aparecimento da locomotiva desencadeou a necessidade da construção de

caminhos-de-ferro o que levou á criação de novos postos de trabalho. Além disso

proporcionou uma melhor acessibilidade aos bens e consequentemente um aumento

da empregabilidade com o objetivo de responder ao alargamento de produção [5].


Desvantagens

- Baixo rendimento, cerca de 30%;

- Preço de compra e de funcionamento elevado;

- Alta taxa de poluentes libertados;

- Perigo devido à alta pressão do vapor;

- Apenas 30% do vapor é utilizado, o qual requer muita energia para a sua produção.

Vantagens

- Qualquer tipo de energia térmica pode ser usado na produção de vapor;

- Não é afetado pelas grandes altitudes.

Motor elétrico

Introdução

Na conceção dos sistemas de tração elétricos foram necessários previamente,

autores como Hans Christian Oersted, que se manifestou como o primeiro ‘grande’

contribuinte, no início do séc. XIX, na descoberta da indução eletromagnética, o que

permitiu relacionar a interação de um íman permanente (estático) com a corrente

elétrica. Assim, houve também o interesse de génios como Ampére, Faraday e Arago

que a partir de observações experimentais alcançaram novos conhecimentos acerca

de fenómenos físicos e leis que ditam as ações eletromecânicas. Porém, apenas

muitos anos depois foram dominados na íntegra os conhecimentos que estão na base

da construção de máquinas capazes de promover a conversão de energia elétrica em

energia mecânica. [6]

Hoje em dia, os motores elétricos detêm um papel extremamente importante no

progresso da humanidade. Devido à extrema versatilidade que possuem, podem ser

utilizados nos mais variados campos de aplicação. Daí que haja um grande

aproveitamento deste recurso na área dos comboios, visto que a utilização de motores


elétricos acarreta inúmeras vantagens, como por exemplo: o preço ser reduzido face à

utilização de um outro tipo de motor (a diesel); maior capacidade de aceleração e

travagem, o que o torna ideal para o transporte de passageiros em zonas

populacionais densas, e, por último, a sua utilização em comboios de alta velocidade,

visto que não há necessidade de transportar a energia que é requerida para a viagem,

pois esta é transferida para as locomotivas através de fios elétricos (a energia provém

de centrais elétricas).

Com base em alguns estudos, o motor elétrico, atualmente, é um dos meios

mais eficientes para a transformação de energia elétrica em mecânica. Para que estes

possam ser ‘catalogados’ corretamente, é necessário saber alguns dados acerca dos

tipos de motores existentes, princípios de funcionamento, características construtivas

e regras a seguir para a seleção do motor mais adequado à aplicação pretendida.

Ilustração 4: Comboio elétrico [7].

Funcionamento

O motor elétrico baseia-se no princípio do eletromagnetismo, esquematizado

na ilustração 5. Entre os polos do íman existe um espaço no qual são colocadas várias

espiras duma bobina. O campo magnético gerado pelo íman é uniforme, quando existe


passagem de corrente pela bobina é criada uma força elétrica com ponto de aplicação

na bobina que a faz movimentar. O sentido da corrente é o que irá influenciar o sentido

da força.

Ilustração 5: Indução Eletromagnética [8].

Tipo de motor elétrico

Motor de indução Trifasico

Este motor, representado na ilustração 6, é dos motores de mais robusta e

simples construção. A sua elaboração consiste em duas partes: o estator e o rotor.

O estator é fixo, fundamenta-se em enrolamentos colocados no perímetro

interno do núcleo de ferro. Esses enrolamentos são alimentados por tensão trifásica, e

produzem um campo magnético que gira com velocidade síncrona.

O rotor pode ser de dois tipos:

Rotor bobinado: consta num núcleo em tambor, nos quais há ranhuras

onde são alojados enrolamentos semelhantes ao do estator. Estes

enrolamentos são ligados em estrela.

Rotor gaiola: um núcleo em tambor, nos caios existe fios ou barros de

cobre.


A tensão nos enrolamentos do estator produz um campo magnético variável no

tempo. Esse campo magnético possui uma velocidade proporcional a frequência da

rede trifásica. Os enrolamentos estão em curto-circuito logo uma corrente irá percorrer

o enrolamentos do rotor, o que resultará num fluxo magnético no rotor que se tentará

alinhar com o campo magnético do estator [9].

Ilustração 6: Motor de indução trifásico [10]

Motor de indução monofásico

O motor de indução monofásico, é dos elementos electromecânicos mais

utilizados pois revela alta eficiência e simplicidade. Uma vez que a maior parte das

utilizações doméstica não necessitam de elevada potência este motor demonstra ser

um forte candidato na resposta a estas necessidades. Este motor possui no entanto a

inconveniência de necessitar dum circuito secundário que o ajuda no arranque, ao

contrário do motor trifásico.

O motor monofásico apresenta algumas particularidades, em vez de uma

bobina concentrada, o enrolamento encontra-se disposto em ranhuras de modo a

obter uma fmm sinusoidal. Devido a fmm o motor não apresenta conjugado de partida,

pois existe um cancelamento mútuo dela. Este motor não apresenta um campo

girante, mas sim um campo magnético pulsante. No arranque serão accionados


enrolamentos auxiliares e um condensador de modo a obter a obter uma fase falsa,

desta forma consegue sair do repouso [11].

Desvantagens do motor monofásico em relação ao trifásico

Apresentam maior volume e peso para potências e velocidades iguais (em

média 4 vezes); em razão disto, o seu custo é também mais elevado

comparativamente com os motores trifásicos;

Necessitam de manutenção mais apurada devido ao circuito de partida e aos

seus acessórios;

Detêm rendimento e factor de potência menor logo maior consumo de energia

(em média 20% maior);

Possuem menor conjugado de partida;

São difíceis de encontrar no comércio para potências mais elevadas (acima de

10 cv) [12].

Ilustração 7: Motor de indução monofásico [13].


Comboios de levitação magnética

Embora não seja muito comum, já existem comboios que se movem devido ao

fenómeno de levitação magnética. Estes comboios possuem barras supercondutoras

em vez de rodas e calhas, com eletroímanes em vez de carris. As forças magnéticas,

geradas ao contrariar o peso, permitem a flutuação bem como a capacidade de

alterações de velocidade, uma vez que o atrito é inexistente. Este tipo de comboio

consegue deslocar-se a grandes velocidades na ordem dos 500km/h utilizando uma

força propulsora inferior aos comboios convencionais. Já existem alguns exemplares

de comboios movidos por levitação magnética como é o caso do transrapid alemão,

visível na ilustração 8. Contudo, o país onde este projeto se encontra mais avançado é

o Japão, onde o Maglev, observável na ilustração 9, já atingiu os 580km/h [14].

Vários protótipos foram elaborados mas todos tendo por princípio a levitação

magnética, contudo existem três principais métodos utilizados nos comboios:

Levitação eletrodinâmica (por repulsão);

Levitação eletromagnética (por atracão);

Levitação supercondutora (por indução).

Levitação eletrodinâmica

Este tipo de levitação necessita do movimento do campo magnético próximo de

um material condutor. [15]

A levitação por repulsão consiste na utilização de bobinas supercondutoras

colocadas no interior do comboio. Estas geram um campo magnético,

induzindo corrente elétrica nas bobinas encontradas nos trilhos, como é

possível observar na ilustração 10, que, por sua vez, geram um campo

Ilustração 9: Maglev japonês [17] Ilustração 8: Transrapid [16]


magnético induzido e contrário ao que lhe foi aplicado, proporcionando a

levitação do comboio resultante da força de repulsão magnética [18].

Ilustração 10: Aplicação do princípio de levitação por repulsão magnética [19]

Princípio de propulsão

Ao contrário dos comboios tradicionais, no Maglev, o mecanismo de propulsão

não está localizado no veículo, mas sim nos trilhos, visível na ilustração 15.

Neste meio de transporte, as forças de repulsão e de atração geradas são

responsáveis por propulsionar o veículo. As bobinas existentes na lateral dos trilhos

são alimentadas por uma corrente trifásica, provocando um deslocamento do campo

magnético do corredor. Assim, as bobinas supercondutoras serão atraídas e repelidas

por esse campo em movimento, resultando na propulsão do Maglev [18], observado

na ilustração 15.

Ilustração 11: Mecanismo de propulsão [20]


Princípio de orientação lateral

Existem umas bobinas, designadas bobinas de levitação, cuja sua configuração

é em forma de "8" e se localizam na lateral dos trilhos, como é possível observar na

ilustração 16. Quando o MAGLEV se aproxima da lateral do corredor, é lhes induzida

corrente elétrica, o que conduzirá à repulsão do comboio por parte das bobinas de

levitação mais próximas e da força de atração das bobinas que se encontram mais

afastadas.

Ilustração 12: Trilho de um Maglev eletrodinâmico [21]

Vantagens

Eficiência na energia: pela utilização da levitação magnética e da propulsão

elétrica. Por exemplo, o sistema Maglev consome cerca de um sétimo da

energia gasta por um Boeing 737-300 numa viagem de 125-620 milhas;

A operação do sistema Maglev não depende da utilização de combustíveis

derivados de petróleo, apenas da energia elétrica, que pode ser gerada por

outros meios;

Eficiência mecânica: resultados da redução drástica do atrito e perdas de

energia por aquecimento na operação do veículo;

Velocidades altas: em torno de 500km/h ou acima, devido a operação do

veículo sem nenhum contato físico com os trilhos;


Desgastes e manutenções mínimas requeridas pelo sistema [18].

Desvantagens

Utilização de sistema de refrigeração para as bobinas supercondutoras [18].

Levitação eletromagnética

A levitação magnética resulta da interação entre um eletroíman e um corpo

ferromagnético, que origina a suspensão do corpo.

Quando a força magnética e o peso estão em equilíbrio, o Maglev permanece

em levitação a cerca de 10 mm dos trilhos. Contudo, o equilíbrio gerado é muito

instável, por isso é necessário um sistema de realimentação e correções. Logo, sem

uma fonte de realimentação, não é possível a levitação do comboio [22].

Ao longo de todo o veículo existem eletroímanes, que se encontram tanto nas

laterais que envolvem o trilho como, na parte inferior, observável na ilustração 17.

Estes eletroímanes são controlados eletronicamente assim, os que estão encurvados

para baixo da pista exercem uma força de repulsão sobre as barras ferromagnéticas

que consequentemente provocará a levitação do comboio, enquanto que os que se

encontram na parte lateral do trilho são responsáveis pela sua orientação lateral [23].

Ilustração 13: Estrutura e eletroímanes que se encontram no comboio [24]


Sistema de propulsão

O sistema de propulsão utiliza um motor linear síncrono que além de fazer

mover o comboio também pode ser utilizado para o fazer parar. Este motor funciona

como um motor elétrico.

Quando se faz passar corrente alternada no motor é gerado um campo

eletromagnético viajante que vai induzir o movimento do comboio. A velocidade pode

ser continuamente controlada através da regulação da corrente alternada. Se a

direção do campo eletromagnético for alterada para o sentido oposto o comboio inicia

a travagem, a energia de travagem pode ser regenerada e aproveitada na rede elétrica

pública [23], [25].

Vantagens

Não há emissão de poluentes em toda a sua trajetória;

Não há emissão sonora dos rolamentos nem da propulsão, por ser uma

tecnologia baseada na levitação, não existe contacto mecânico;

Motor linear síncrono possibilita altas potências na aceleração e

desaceleração, possibilitando subidas de elevado grau de inclinações;

Viagens confortáveis e seguras com velocidade de 200 a 350km/h regionais, e

acima de 500km/h para viagens a longa distância;

Baixa utilização de espaço na construção de trilhos elevados. Por exemplo,

nas áreas agrícolas os trilhos podem passar acima das plantações [18].

Desvantagens

Maior instabilidade por ser baseado em forças de atração magnética;

Cada vagão deve possuir circuitos com feedback que controlam a distância

entre a pista e o suporte;

Perdas de energia no controlo dos circuitos ou dos eletroímanes, podem

causar a perda de levitação [18].


Levitação por indução

Ainda não existe nenhum modelo em escala real de comboios com este modo

de funcionamento, contudo estão a ser desenvolvidos alguns protótipos e projetos

como o da ilustração11 do Inductrack (nome dado a estes comboios) [26].

Ilustração 11: Projeto de um comboio de indução magnética [27]

Este tipo de levitação é o único que não necessita de eletroímanes potentes

nem ímanes supercondutores. Em vez destes, utiliza apenas ímanes evidenciados na

ilustração 12 que não necessitam de uma refrigeração especial e que são pouco mais

potentes do que ímanes vulgares.


Ilustração 12: Aplicação do princípio de levitação por indução magnética [28]

Existe uma cadeia de barras de ímanes em cada vagão denominada cadeia de

Halbach representada na figura13. Nesta cadeia cada barra tem uma determinada

posição e orientação específicas para que quando as barras são colocadas nessas

posições haja uma interação entre as linhas de campo, formando um campo

magnético forte por baixo do comboio. Nos trilhos são colocadas bobinas isoladas que

serão as responsáveis pela levitação do comboio através da indução magnética

nessas bobinas que geram corrente induzida e, consequentemente, um campo elétrico

contrário ao que lhe foi induzido, exercendo força de repulsão [23].

Ilustração 13: Esquema da cadeia de Halbach [29]


O Inductrack apenas começa a levitar a partir de uma determinada velocidade

ficando apenas a 2,54cm do trilho. Este método de levitação permite uma maior

estabilidade já que a força de atração aumenta com a diminuição de afastamento entre

o comboio e o trilho.

Para a estabilidade lateral é colocada uma cadeia de Halbach embora mais

pequena de cada um dos lados [18].

Vantagens

Sistema simples comparado com levitação por atração e repulsão magnética;

Sistema muito mais económico do que os anteriores [30].

Desvantagens

Esse modelo não possui um protótipo na escala real, possuindo apenas

protótipos em laboratório;

Utilização da levitação magnética apenas em movimento acima da velocidade

limite, sendo que nesse intervalo, é necessário a utilização de rodas para o

movimento inicia [18].


Consumo de energia

Através da análise do gráfico representado na ilustração 14 podemos concluir

que o consumo de energia de um comboio de levitação magnética é muito menor do

que o consumo de energia de um comboio de alta velocidade tradicional e garantem

uma eficiência maior já que alcançam velocidades muito maiores. As principais razões

que levam à diminuição do consumo de energia são a diminuição do atrito, uma vez

que não há contacto com a pista, a elevada eficiência do motor e a diminuição da

resistência do ar devido à aerodinâmica do veículo.

Ilustração 14: Consumo de energia. [31]


Ilustração 15: Motor de Stirling [34]

Experiência: Motor de Stirling/termodinâmico

Enquadramento no trabalho

O motor de Stirling (ilustração 15) foi inventado por um

escocês chamado Robert Stirling, em 1816, com o objetivo de

criar um mecanismo mais seguro do que o motor a vapor, devido

às muitas explosões existentes derivadas do mau

desenvolvimento das caldeiras da altura [32], [33].

Funcionamento

O motor de Stirling utiliza um gás que pode variar desde hélio, ar ou outros

tipos de substâncias gasosas como fluído de trabalho. Assim todas as ações ocorrem,

lembrando que o gás não é de qualquer forma desperdiçado ou expulso, através das

variações de volume desse gás que depende por sua vez das variações de

temperatura existentes nas extremidades da lata (neste caso), ou seja, o gás expande-

se quando é aquecido e contrai-se quando é refrigerado.

Adaptando o motor à experiência, as extremidades da lata vão funcionar como

dois locais onde irão existir

variações de temperatura

alternadas, ou seja, quando na

parte de baixo o ar está a

aquecer (porque a superfície

inferior da lata irá estar em

contacto com a chama da vela)

o êmbolo encontrar-se-á em

cima, e, por sua vez, em cima

o ar está frio ou a refrigerar. Uma

vez quente, o ar que se encontra

em baixo, é menos denso que o ar frio (que se encontra em cima) e terá tendência a

subir, neste passo o êmbolo irá baixar e o ar frio que outrora estivera em cima vai para

baixo começando a aquecer. Logicamente o ar quente que, neste momento, foi para

Ilustração 16: Esquema do Motor de Stirling [35]


cima começa a ficar frio (causa: superfície superior fria) e o ciclo começa, assim, de

novo.

Em analogia aos fenómenos meteorológicos poderá dizer-se que existe um

género de correntes de convecção, daí que este tipo de motores seja considerado

termodinâmico.

Materiais utilizados

Tábua de madeira

Barras de alumínio

Cruzeta de metal

Balões

Pioneses

Barrinhas de madeira

Lata de refrigerante

Vela

Cilindro de cortiça

Fio

Prego

Procedimento

1º A partir da cruzeta metálica cortar, com auxílio de um alicate de corte, um

segmento de metal com cerca de 30 cm de comprimento, o que corresponde,

aproximadamente, à parte retilínea da cruzeta;

2º Com a ajuda de um alicate de pontas

transformar o segmento metálico, predefinido

inicialmente (no 1º passo), numa cambota;

3º Cortar a parte de cima de uma lata de

refrigerante com um xisato, para que esta sirva de

‘camisa’ e que dentro de si se desloque um

êmbolo (um cilindro de cortiça) (ilustrações 18 e

19);

Ilustração 17: Motor de Stirling Experimental Adaptado e legendado

Ilustração 18: Lata e Cilindros de Cortiça


4º Criar um suporte para a cambota e a camisa do motor (lata). Para tal, fazer

um buraco circular na tábua de madeira com o diâmetro da lata, de modo a que esta

caiba no seu interior. Nas extremidades da tábua aparafusar 2 barras de alumínio,

previamente furadas, verticalmente, para que nelas seja fixada a cambota do motor;

5º Nas duas barrinhas de madeira fazer um furo em cada

uma delas, para que estas, depois de devidamente enfiadas no

êmbolo, auxiliem o pistão;

6º Recortar um balão de modo a que este consiga cobrir

a superfície cortada da lata, realizando a sua função de

pistão/diafragma;

7º No cilindro de cortiça pregar um prego no centro da

base, de maneira a que se consiga amarrar um fio que deverá

servir de ligação entre o êmbolo e a cambota, não esquecendo que como o balão se

localiza no meio destes dois componentes é necessário furar o balão com um alfinete,

para que o fio realize o seu percurso sem obstáculos;

8º Por último, no lado do balão que ficará voltado para o interior da lata

deverão ser afixados pioneses de modo a que estes unam as barrinhas de madeira ao

balão, conseguindo desta forma atingir o movimento de contração e descontração

pretendido de forma a que o motor entre em funcionamento.

Vantagens

Pode ser alimentado por qualquer tipo de fonte de calor (exemplos: gasolina,

álcool, biomassa, sol);

Funcionamento silencioso;

Eficiência em volta dos 40%, ou seja, um rendimento bastante considerável em

relação a outras tecnologias;

Longo período de vida (25000 horas).

Desvantagens

Dificuldade no isolamento do gás e na pressurização do mesmo;

Motores de pequena densidade energética;

As fontes de calor podem deixar resíduos que afetem o motor (alcatrão,

ferrugem). [32]

Ilustração 19: Corte da lata


Observações

Como auxílio e orientação foi necessário

recorrer a vídeos do youtube

(http://www.youtube.com/watch?v=FCjYZT6FJm4)

que ensinam didaticamente a produzir motores de

Stirling caseiros (ilustração 20). No entanto,

existiram algumas adversidades na produção do

protótipo do grupo sendo a mais notória a

construção da cambota através da cruzeta porque

era necessário que esta se normalizasse com

medidas rigorosamente definidas não podendo

ocorrer nenhum deslize nas dobras efetuadas no

ferro da cruzeta, o que se tornou difícil devido à

rigidez do material em causa e às ferramentas

precárias (apenas alicates) que constavam no inventário.

Conclusão

A realização da experiência revelou-se a parte mais desafiante e ambiciosa do

trabalho. Numa primeira tentativa o motor não funcionou devido à existência de muito

atrito entre as peças e material utilizado não apropriado, por consequência a rotação

do eixo realiza-se com muitas oscilações, o suporte era frágil, o balão usado era

demasiado pequeno para a área da lata a cobrir. Após avaliação, concluiu-se o que

haveria de ser melhorado, sendo construída uma nova versão do motor, na qual foi

reduzido o peso do êmbolo, passando a ser usada cortiça; reduziu-se o diâmetro da

lata para obtenção de espaço para o balão, e o eixo ficou simétrico.

No ensaio de teste, o motor funcionou quando lhe foi transmitida energia

cinética através duma roda ligada ao eixo, no entanto, a chama não foi

suficientemente forte para manter o motor em rotação. Alterou-se, portanto, a chama

por uma mais forte, proveniente duma lamparina, (antes estava a ser usada uma vela)

sendo assim possível perceber a diferença de uma para a outra. Porém, não era

suficiente para vencer as forças de atrito.

Ilustração 20: Resultado final do Motor de Stirling


Conclusão

O trabalho teve como objetivo a abordagem aos motores utilizados nos

comboios. Os tópicos relatados foram gerais, visto que o grupo não possuía um

grande conhecimento específico acerca dos princípios utilizados no funcionamento

dos motores.

Durante a realização do projeto, diversos desafios apareceram, tanto a nível

teórico como prático. Uma das primeiras dificuldades descobertas foi o explicar do

funcionamento do motor, onde existiu informação em demasia e em diferentes

formatos (eletrónicos, livros, teses…), em que a qualidade não teve o sinónimo de

quantidade. No entanto, graças a vídeos didáticos pesquisados no Youtube o projeto

começou a ganhar dimensão e uma maior adesão a nível da compreensão (de cada

motor e respetivo funcionamento).

Com a leitura do relatório, depreende-se a abordagem de 3 grandes tipos de

comboios: o a vapor, o elétrico e o de levitação magnética. Este estudo visa não só

compreender a evolução ferroviária como também o crescimento da sociedade nos

últimos dois últimos séculos. Portanto, com a informação averiguada, é de notar que a

evolução permitiu uma deslocação rápida e segura da população assim como a

criação de redes de distribuição em que o comboio teve um papel crucial no ramo

logístico.

É possível também relacionar esta temática de trabalho com as energias

renováveis e a preocupação ecológica, acompanhando a evolução através de uma

sequência cronológica, que se inicia no comboio a vapor, no qual eram lançados para

a atmosfera grandes quantidades de CO2, provenientes da queima de toneladas de

carvão, passando pelo elétrico em que a fonte de energia é a eletricidade,

maioritariamente gerada a partir de poluentes, até, finalmente, ao comboio de

levitação magnética que é visto como tecnologia de ponta, tanto em termos ambientais

como em velocidade e sofisticação.

Conclui-se assim, que os motores, para o caso, presentes nos comboios, têm

um papel essencial no quotidiano e na evolução da sociedade, sendo mesmo tidos em

conta como um dos maiores feitos da espécie humana.


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[4] Acedido a 12 de outubro de 2014, http://www.cacadevolutos.pt/maquinas-a-

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[12] Neves, Eurico, Máquinas e Transformadores Elétricos, consultado a 25

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[14] 2012, FEUP, " Comboios de levitação magnética", acedido a 29 de

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[15] Bezerra, Rodrigo Otávio das Neves, 2007, Universidade federal do Rio

de Janeiro, acedido a 30 de setembro de 2014,

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[16] Acedido a 15-10-2014, http://techsmate.com/wp-

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[18] Kaminishikawahara, Celso Ossamu, acedido a 8 de outubro de 2014,

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[19] Acedido em 13 de outubro de 2014,

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[20] Consultado a 15 de outubro de 2014,

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http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/trens-maglev/trens-maglev.php

[22] Rodrigues, Augusto, 2009, Faculdade Assis Gurgacz, acedido a 9 de

outubro de 2014, http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAOw4AB/levitacao-

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[23] Departamento de engenharia eletrotécnica, "comboios de levitação

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[25] Vaz, Othon Hugo de Lima, 2009, "Levitação Magnética: uma aplicação

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[26] Lucas, João, 2013, "TRENS MAGLEV NO BRASIL?", acedido a 8 de

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[30] 2010, "Trens com levitação magnética", acedido a 12 de outubro de

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Motores de Comboios