Motor CC: Saiba como Funciona e de que forma
Especificar.
Um motor cc nada mais é do que um motor
alimentado por corrente contínua (CA), sendo esta
alimentação proveniente de uma bateria ou qualquer outra de
alimentação CC. A sua comutação (troca de energia entre rotor e estator) pode
ser através de escovas (escovado) ou sem escovas (brushless) e com relação
a velocidade, o motor cc pode ser controlado apenas
variando a sua tensão, diferentemente de um motor elétrico de corrente alternada (CA) cuja
a velocidade é variada pela frequência. Vejamos mais a frente como
funciona este tipo de motor.
Como explicado, os motores
elétricos CA necessitam de uma mudança na frequência caso houver a necessidade
de variar sua velocidade, envolvendo assim um controle de velocidade mais
complexo e dispendioso. Por outro lado, o motor cc precisa apenas de uma mudança
no nível de tensão para que possamos variar sua velocidade- Assim, ele
torna-se mais adequado para equipamentos alimentados por níveis de tensão de 24
Vcc ou 12 Vcc como no caso dos automóveis, ou aplicações industriais
que exigem um controle fino de velocidade.
Ao selecionar um motor cc, é fundamental que você identifique
as principais especificações de desempenho, além dos requisitos de
potência e tamanho. Também é importante considerar os requisitos ambientais
para a sua aplicação.
Este artigo foi escrito de forma a
explicar como o motor cc funciona e visa facilitar
o processo de seleção de motores elétricos de corrente
contínua. Assim, após entender os conceitos envolvidos no funcionamento,
vamos poder analisar quais são as características importantes para a
correta especificação de um motor CC.
1 – Como Funciona o Motor CC?
Um motor CC é
composto por um eixo acoplado ao rotor que é a parte girante do motor. Na
Figura 1, o estator é composto por um ímã e o comutador tem a função de
transferir a energia da fonte de alimentação ao rotor. Na Figura 1 é também é
possível observar as partes que compõem um motor CC.
1.1 – O Princípio de Funcionamento
Na Figura 2, o estator é constituído
pelos ímãs (norte e sul) e o rotor é representado por uma bobina que é
alimentada pelo comutador em que circula uma corrente I.
O princípio básico de funcionamento
do motor CC é o seguinte: “Sempre que um condutor conduzindo
uma corrente elétrica (em vermelho) é colocado em um campo magnético (em
azul), este condutor experimenta uma força mecânica (em verde)” gerando o
torque e o giro do eixo do motor.
1.2 – A Corrente
Ao alimentar o comutador com tensão CC,
é gerada uma corrente contínua que é transferida para a bobina através do
contato das escovas do comutador com esta bobina. Assim, a função
do comutador é ser o elo entre a fonte de alimentação e o rotor do motor
CC e ele é composto por escovas condutoras que fazem o contato com o eixo
girante do motor CC. Aqui, chamamos a corrente que circula pela bobina de I.
1.3 – O Campo Magnético
O campo magnético é gerado entre os
pólos norte e sul do ímã e possui um sentido partindo do norte para o sul.
O torque que vai impulsionar a bobina e por sua vez o rotor, como podemos
observar na Figura 5 será proporcional ao campo magnético entre os ímãs.
A densidade de fluxo magnético é chamada aqui de B.
1.4 -A Força e o Torque
A direção da força mecânica é dada
pela regra da mão esquerda de Fleming e sua magnitude é dada por:
F = ILB, onde:
- B = densidade de fluxo magnético,
- I = corrente da bobina,
- L = comprimento do condutor no campo magnético
2 – Especificação de um
Motor CC
2.1 – Especificações Básicas ou Primárias
Existem três fatores
principais que você precisa levar em consideração quando for selecionar um
Motor CC: A velocidade, o torque e a tensão. Sabendo estas três especificações,
você será capaz de saber qual o motor e fabricante atenderá suas necessidades.
Velocidade do eixo: Um motor CC aplica uma
tensão (V) para rodar um eixo a uma velocidade de rotação proporcional (ω). As
especificações de velocidade do eixo geralmente se referem à velocidade sem
carga, que é a velocidade máxima que o motor pode alcançar quando não há torque
aplicado. Tipicamente, a velocidade do eixo é dada em rotações ou rotações
por minuto (RPM). Estas rotações ou revoluções também podem ser representadas
em radianos por segundo (rad/s) e para cálculos numéricos, o valor em
radianos pode ser mais conveniente. A seguinte fórmula descreve a relação
entre radianos por segundo e rotações ou rotações por minuto.
ωrad/s = ωrpm ·
(2π/60)
Para um motor CC ideal (que não
possui perdas), a velocidade rotacional é
proporcional à tensão fornecida, sendo:
ω = j · V
onde j é uma constante de
proporcionalidade, dada em rad/(s.V).
Torque de saída: A rotação do eixo gera uma
força de rotação chamada torque (τ). O torque é dado em unidades de
força-distância (lb-ft, oz-in, N-m, etc.) ele pode ser de dois tipos:
torque de partida ou torque contínuo. O torque de partida é o τ no
qual a velocidade do eixo é zero ou o motor está parado. Já o torque
contínuo é o máximo τ em condições normais de funcionamento. Observe abaixo
pela fórmula que o torque (τ) de um motor CC é proporcional à
corrente de indução (I), sendo que neste caso temos a constante de torque
(k). A seguinte equação descreve as relações entre torque e corrente.
τ = k · I ou I = τ / k
A importância da constante de torque
é evidenciada na equação acima. Para um dado torque, um valor alto de k limita
a corrente a um valor baixo. Esta é uma medida de eficiência, uma vez que um
menor consumo de corrente significa menor dissipação de energia (calor).
Conhecendo a constante de torque e o torque produzido podemos calcular a
corrente através da armadura, que é utilizada para sabermos
a classificação de temperatura (como será mostrado mais adiante). Como o
toque é proporcional à velocidade, podemos traçar um gráfico de torque x
velocidade conforme Figura 7:
Tensão disponível: Os motores de corrente contínua
podem ser projetados para operar a uma tensão específica caso houver a
necessidade. No entanto sempre devemos observar a disponibilidade de fonte de
alimentação adequada para cada aplicação. As fontes de alimentação
mais comuns no mercado são 12Vcc e 24Vcc, mas é comum conversores que realizam
a retificação de tensões em 110V e 220V a fim de fornecer qualquer nível de
tensão necessário para a sua aplicação. Não se esqueça que como a velocidade
depende da tensão, a alimentação poderá ser um limitante caso não for feita uma
especificação adequada do motor CC.
2.2 – Especificações Derivadas ou Secundárias
As folhas de dados dos motores CC
também possuem parâmetros que são derivados ou relacionados com os requisitos
fundamentais (tensão, velocidade e torque). Podemos citar:
Potência de saída: Uma especificação comum e
importante é a potência nominal de saída (Po) que representa o produto do
torque pela velocidade do motor. Na forma de equação, a potência de saída
é dada por:
Po = τ · ω
A potência máxima de saída ocorre
quando o motor está em 50% da velocidade sem carga e 50% do torque de
parada e muitos fornecedores especificam a potência de saída em termos de CV ou
HP. Lembre-se que para converter um valor calculado de potência de unidades de
watts (W) para unidades de HP, divida a potência em Watts por 746.
Dissipação de potência: A corrente produzida em um
motor de corrente contínua aquece o mesmo e cria uma potência
dissipada (Pdis). A valor de Pdis está relacionado com a resistência
total do sistema (RT), que é a resistência de todo o conjunto do motor
incluindo as perdas por atrito no estator (Rstator)
e no rotor (Rrotor). Através da corrente do motor, podemos calcular a
dissipação de potência e, por sua vez, o aumento da temperatura do rotor (ΔT)
devido à rotação. A partir de ΔT, a temperatura total do motor (TM) pode
ser calculada pela adição da temperatura ambiente (Tamb). As seguintes
equações ilustram os passos utilizados para calcular a temperatura final do
motor:
Pdis = I2RT
RT = Rrotor +
Rstator (exceto para o motor cc de íma permanente)
ΔT = Pdis(Rtot)
TM = Tamb +
ΔT
2.3 – Parâmetros de Construção
A adequação de um motor CC para uma
aplicação também depende da sua construção, outro aspecto do processo de
seleção. Existem vários tipos diferentes de motores de corrente contínua,
cada um dos quais oferece vantagens e desvantagens com base na sua construção.
Vejamos abaixo as características de cada um no que tange à construção:
Os Motores de Derivação apresentam
variação mínima de velocidade através da faixa de carga e podem ser
configurados para potência constante em uma faixa de velocidade ajustável. Eles
são usados para aplicações onde há necessidade de controle preciso de
velocidade e torque. Na Figura abaixo você pode ver uma curva típica de velocidade
x torque para um motor de derivação, onde o torque permanece
relativamente constante em uma grande faixa de velocidade.
Os Motores Bobinados em Série exibem
altos torques de partida para cargas permanentemente conectadas que são
necessárias a fim de evitar danos em condições de alta velocidade. Estes
motores desenvolvem um grande torque e podem ser operados a baixas
velocidades. Eles são mais adequados para aplicações industriais pesadas que
exigem cargas maiores movendo-se
lentamente ou cargas mais leves movendo-se
rapidamente. Abaixo, podemos ver uma curva
típica de velocidade x torque para motores com bobina em série:
Os Motores Bobinados
Compostos são projetados com bobinas derivadas compostas para
aplicações de velocidade constante que requerem torque mais elevado. Eles são
freqüentemente usados onde a carga primária requer um torque de partida
alto e a velocidade ajustável não é necessária. As aplicações incluem
elevadores, guindastes e equipamentos para lojas industriais. Abaixo podemos
ver uma curva típica de velocidade x torque para os motores de bobina
compostos, combinando características de derivação em série:
Motores CC de ímã permanente possuem um ímã
permanentemente embutido em sua montagem (no estator). Eles oferecem
velocidade constante com carga variável (escorregamento zero) e excelente
torque de partida. Comparado com os outros tipos, a construção de ímã
permanente proporciona maior eficiência e menores ajustes de velocidade.
Abaixo podemos ver uma curva de velocidade para motores de ímã permanente, com
proporcionalidade de torque e velocidade linear.
Motores CC com armadura em forma
de disco, também chamados de “panquecas” ou
“discos impressos”, utilizam rotores planos movidos
por um campo magnético alinhado axialmente. Sua construção fina permite baixa
inércia, resultando em alta aceleração. Esses motores são bons para aplicações
que exigem uma rá PID a inicialização e desligamento
enquanto acoplados a uma carga constante, como em um veículo elétrico.
Veja abaixo o desenho de uma armadura a disco:
Os Motores CC sem Núcleo e sem ranhura incorporam um
enrolamento cilíndrico que está fisicamente fora de um conjunto de ímãs
permanentes. Devido ao fato do enrolamento ser laminado e não existir
gaiola de ferro, motores cc sem núcleo possuem inércia muito menor. Possuem
alta aceleração, eficiência e excelente controle de velocidade
com pouca ou nenhuma vibração. Eles são comumente usados como servo motor para aplicações de controle de
processo.
Comutação
A comutação do motor de CC pode ser
com ou sem escovas (brushless), sendo que cada tipo oferece vantagens
específicas.
Os motores elétricos escovados usam escovas de contato que se
conectam com o comutador para alimentar o rotor. A construção escovada é menos
onerosa do que o motor sem escovas e o controle é mais simples e barato. Outra
característica é que o escovado pode operar em ambientes extremos devido à sua
ausência interna de componentes eletrônicos. Por outro lado, motores
escovados exigem manutenção periódica para substituição das
escovas desgastadas.
Os motores sem escovas ou Brushless usam um ímã permanente
incorporado no conjunto do rotor. Eles podem usar um ou mais dispositivos de
Efeito Hall para detectar a posição do rotor e uma eletrônica de
acionamento associada a ele controla a rotação do eixo (velocidade). Os motores
Brushless são similares aos motores CA, mas são comutados eletronicamente (ESM)
de modo que possam ser alimentados em CC.
A comutação sem escovas (Brushless) é
mais eficiente, requer menos manutenção, gera menos ruído e tem uma maior
densidade de potência e faixa de velocidade se comparado ao motor de
comutação escovada. No entanto, a eletrônica dos motores brushless
geralmente contribuem para o seu custo de aquisição, que também possuem maior
complexidade e maiores limitações ambientais.
2.4 – Tamanho e Considerações Ambientais
Ao selecionar motores de corrente
contínua, você deve considerar também o design e os fatores ambientais
como veremos a seguir:
2.4.1 – Considerações de
dimensionamento
Se um motor CC tiver
que se encaixar em um espaço ou satisfazer uma exigência de peso, então as
características físicas podem ser fatores de seleção importantes. A
configuração do eixo e o redutor, caso for aplicado também são
considerações que devem receber atenção.
A configuração do eixo determina
como o motor é montado e conectado ao sistema que ele irá acionar e é essencial
sua correta seleção de forma com que ele seja compatível com o
sistema. A seleção ideal do eixo aumenta a eficácia e pode economizar tempo e
custo durante a montagem. As configurações podem incluir tipos côncavos,
redondos, quadrados, sextavados, ranhurados, em degrau ou parafusos.
A redução ou redutor é
usada no motor CC para aumentar ou reduzir a velocidade do eixo mecanicamente.
Utilizando o redutor, o motor tende a ter volume ou peso menor. Os tipos
de redutores que são usados em motores elétricos de corrente contínua podem
incluir redutores de engrenagem, planetários, sem-fim ou cônicos.
2.4.2 – Considerações ambientais
Finalmente, ao selecionar o motor de
corrente contínua, você pode ter que considerar as condições ambientais ou
requisitos de aplicação quando da utilização do produto.
A temperatura de operação deve
ser considerada quando se utiliza algum equipamento eletrônico sensível ou
quando o ambiente não está à temperatura de 40°C, ou ainda quando o ambiente
for sensível à dissipação de calor do motor. Mecanismos de refrigeração
adicionais podem ser instalados para neutralizar o aquecimento excessivo
do motor ou do ambiente circundante.
A proteção contra corrosão deve ser considerada em
ambientes onde o motor está exposto a radiação, poeira ou substâncias perigosas
que possam degradar o motor. O invólucro e os materiais apropriados do motor
podem ser selecionados para assegurar proteção contra a contaminação.
A proteção da água deve ser considerada quando um
motor for operar exposto à água. Os níveis de proteção vão desde a
proteção contra gotejamento vertical mínimo até à submersão total sob pressão.
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