Motor CC: Saiba como Funciona e de que forma Especificar .




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.
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.
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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Utilização de Big Data na Indústria 4.0.



Utilização de Big Data na Indústria 4.0

As principais caracterizações da Indústria 4.0 – manufatura e processo digital – é permitir a customização em massa e a massificação da personalização na linha de produção.
Para que isso seja possível, um novo modelo de tomada de decisões entra em cena: a conexão completa e total do processo produtivo através da Internet das Coisas (IoT) e a Internet Industrial das Coisas (IIoT), permitindo a aquisição de dados de uma forma nunca antes visto, com dados em alto volume, alta velocidade e grade variedade.
Neste caso, devendo serem analisados através de um Big Data, entregando uma estrutura de tomada de decisões em tempo real e sem intermediários, além de possibilitar ações autônomas no processo. Sem interferência humana, através do aprendizado de máquina (machine learning).
Em nossos textos anteriores, explicamos que a construção das rodovias (redes), colocação de sinalização (cibersegurança) e interconexão de elementos e serviços (IoT) levarão estas informações a um grande sistema de análise de dados (Big Data), onde o resultado final é apontar os melhores caminhos dentro deste ecossistema produtivo.
Desta forma, vamos delimitar nosso tema, dentro da visão da automação industrial, e escrever sobre:
  • Como unir das informações da produção e cadeia logística para tomada de decisões
  • Como funcionam os sistemas de armazenagem e tomada de decisões em Cloud
  • Qual o conceito de Mineração de Dados e Aprendizagem de Máquina (Machine Learning)
Cenários para utilização de Big Data na Indústria 4.0
Em relação aos cenários encontrados para utilização do Big Data na Indústria 4.0, podemos deparar com as seguintes situações comuns, que nos levam aos seguintes questionamentos:
  • Como entender melhor minha produção e cadeia de fornecimento e melhorar meu planejamento e controle produtivo
  • Como entender o funcionamento da planta no aspecto manutenção de modo a estruturar um sistema de prognóstico industrial
  • Como utilizar recursos de Machine Learning para servir de apoio a tomada de decisões na operação
A evolução nas tomadas de decisões na indústria, mostram que no início, os primeiros controles apenas apoiavam a tomada de decisões do operador, uma vez que ele é quem tinha o conhecimento do processo e atuava diretamente. Todo o conhecimento era dele.
Com a evolução das redes, podemos agora gravar estes dados, analisá-los, e tomar decisões baseado em informações e análise local do processo. Ainda é necessário o conhecimento do operador e sua experiência no processo, todavia, as indústrias estão vivendo uma grande questão que é a grande capacidade de aquisição e armazenamento de dados.
Isso é algo que já existe, mas não sabem o que fazer com todas estas informações.
Agora, com a Indústria 4.0, o Big Data dá um novo formato a estas informações através das redes convergentes. O sistema aprende conforme o processo ocorre, não há o meio da informação e o resultado é a tomada de decisões em tempo real, com dados relacionados fora no processo local, enxergando toda a cadeia de produção e do negócio.
Principais desafio na implementação de Big Data na Indústria 4.0
Quando pensamos na colocação destes dados no Big Data, muitos são os desafios. Podemos eleger alguns que são comuns neste tipo de projeto e implantação, que nos fazem questionar:
  • Como levar dados da unidade produtiva para um sistema de Cloud Computing e usar um Big Data
  • Como criar modelos de Big Data para apoio em tomada de decisões, tanto em planejamento, como em Operação e Manutenção
  • Como repensar a unidade produtiva a partir de dados e decisões que são aprendidas de acordo com as operações reais
O objetivo de toda esta tecnologia e sua evolução é a tomada de decisões na planta produtiva, mas isso já é existente. De forma geral, isso acontece da seguinte maneira:
  • A todo momento, tomamos decisões
  • Os gestores têm a função de tomar decisões
  • Os gestores intermediários, consolidam dados para outros gestores tomarem decisões
  • As vezes estas decisões são programadas a partir de ferramentas de gestão
  • Outra vezes ocorrem de situações não previstas, baseado em dados existente e expertise
A estrutura decisória de uma indústria hoje segue uma regra muito parecida. Nos setores, há os procedimentos de produção e os líderes de processo.
Os supervisores de produção consolidam dados destes setores, analisam de forma intermediária de acordo com o planejado e enviam informações em forma de desvios, ações ou tarefas para os seus gerentes.
E os gerentes, por sua vez, entregam estas informações aos diretores, em forma de metas, resultados ou soluções de problemas encontrados durante a produção.
Vamos entender então como seria uma estrutura decisória da Indústria 4.0.
Para isso, vamos conceituar o Big Data, que nada mais é do que um sistema de armazenamento de dados – estruturados ou não – que tenham (necessariamente os três) volumevelocidade e variedade de informações.
Isto permite, através de modelagem, entregar resultados, baseado em estatística, mineração e aprendizado, de acordo com as ferramentas disponíveis na sua plataforma, interagindo com o homem ou com a máquina.
Desta forma, podemos entender uma nova forma de estrutura decisória na indústria, onde os setores, subsetores, departamentos e toda a cadeia produtiva, esteja conectada a um Cloud de serviços.
Isto é, que esteja na internet, dentro de uma plataforma onde todos os dados são gravados e, dentro deste Big Data, podemos fazer todas as ações intermediárias: análise de dados, cenários, projeções, planejamento, análise de qualidade, prognóstico, etc.
Tudo que permita tomar decisões e até mesmo ações automáticas no processo, utilizando o aprendizado de máquina.
Big Data é então um serviço dentro da Indústria 4.0, compondo um cibersistema, onde é necessário a aquisição de todos os dados da indústria e serem levados a esta plataforma em Cloud, utilizar ferramentas mineração de dados, aprendizado de máquinas e outras e criar um framework de resultados, com KPI, sistemas de decisões e M2M.
Benefícios na utilização de Big Data na Indústria 4.0
Na utilização do Big Data na indústria, como um novo modelo de tomada de decisões, são esperados diversos benefícios. Entre eles, podemos destacar:
  • Diminuição de operadores – o sistema tomará decisões – operações de melhor desempenho, segurança de planta e economia de energia
  • Fim do planejamento reativo – o sistema que será virtualizado, realimentará o processo que sempre estará em tempo real dos indicadores para tomada de decisões (mineração)
  • Todo o sistema será preditivo – manutenção, risco e aproveitamento (mineração) e atuará no processo como conhecimento (machine learning)
Apesar de estarmos falando em Indústria 4.0, algumas indústrias ainda tomam decisões baseadas em informações empíricas e de experiencia operacional.
Porém é de grande importância entender o valor de um sistema de apoio a tomada de decisões, pois este sistema permitirá saber:
  • Quando ocorre algo na planta diferente do esperado ou planejado – então eu tenho um problema e preciso fazer uma correção (decidir)
  • Quando há uma circunstância na planta que me permite ter uma oportunidade de ultrapassar meu objetivo planejado, elevando uma meta de produção ou redução de custos
O Big Data pode ser programado para diversas funções de análise de dados, na indústria podemos usá-lo para as principais funções:
  • Tomada de decisões – as informações analisadas, darão um resultado baseado em cenários e do comportamento de toda a cadeia produtiva, apoiando diretamente os gestores da planta
  • Aprendizado de máquina – as informações do processo são aprendidas, e levam a atuação diretamente nas ações de planta, por exemplo, através de M2M
  • Prognóstico – as informações analisam todos o comportamento causal das variáveis, deixamos de tomar ações baseado em diagnóstico que emite o efeito, e o sistema faz uma análise de cenários e comportamentos
Dentro de uma plataforma de Big Data há diversos serviços disponíveis para análise de dados para tomada de decisões, os princípios fundamentais são:
Mineração de Dados
São modelos de análise de alto nível de abstração de dados, onde a informação não é conhecida, o sistema retorna por cenários e probabilidades, apoiando o tomador de decisões, sendo:
  • Quando você quer uma informação, mas ela é desconhecida, alto nível de abstração;
  • São usados ferramentas de estatística dentro do banco de dados, pela dinâmica da informação o sistema propõe um resultado;
  • Exemplo de uso, identificação de rosto, elementos na produção, probabilidade de decisões.
Aprendizado de Máquina (Machine Learning)
São modelos que se baseiam em informações conhecida ou processo definido. O sistema faz a aquisição e acumula dados analisando o comportamento, com isso aprende dentro de uma curva de tempo, entregando resultados de forma automática e replicante, sendo:
  • Quando você tem uma informação conhecida, isto é, você sabe o comportamento do resultado
  • O sistema é programado e grava as informações (acumula aprendizado), analisa o comportamento e vai criando resultados típico
  • A expertise é transferida para o sistema, ele aprende e melhora a tomada de decisões, pode replicar e tomar ação autônoma
  • Exemplo, carros autônomos, controle de produção automático e flexível com rearranjo
O Big Data é um serviço, normalmente uma plataforma, que permite desde a conexão das informações com o mundo físico, até toda a modelagem.
Exemplos de Plataforma de Big Data
Atualmente existem diversas plataformas comerciais para Big Data. As mais conhecidas e utilizadas são a IBM BlueMixGoogle Cloud PlataformMicrosoft AzureAmazon Web Service.
Todas possuem as seguintes características em comum:
  • Paga-se pelo “consumo” do processamento
  • Não tem infraestrutura local
  • Inicia com dispositivos iniciais e escala a aplicação, crescendo de acordo com necessidade
  • Não interfere na operação local, apenas acrescenta funções
  • Tecnologia que agrega a decisão (humana ou de máquina)
  • Pode ser criado na infraestrutura da própria empresa com seus próprios modelos
Uma dúvida que ocorre normalmente nas aplicações atuais, sobre sempre usar Cloud e Big Data, podemos comentar as principais, quando se questiona a necessidade de seu uso:
  • Enviar dados para Cloud facilita uso de ferramentas disponíveis para análise de dados e criação de indicadores para acesso remoto
  • Caso os seus dados não tenham juntos (volume, velocidade e variedade) que caracteriza um Big Data, não é necessário adotar este modelo, um sistema em Cloud de armazenamento e modelagem atende o projeto
  • Usar infraestrutura e plataformas de serviços (Azure, AWS, BlueMix) simplificam aplicação e seus custos são baseados em serviços, mas não impede que uma empresa “monte” seu próprio sistema de análise
Conclusão
Concluímos que o Big Data na Indústria 4.0 gera o principal impacto esperado com esta revolução, que é o tempo e o erro, mudando a forma de lidar com as tomadas de decisões, desde situações de exploração na produção, com vistas a melhorias, até o controle do processo via função de Machine Learning de forma autônoma.




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