Como é que os motores eléctricos convertem a eletricidade em movimento? Imagine um mundo em que quase metade da nossa energia eléctrica é gerada por estes motores. Este artigo mergulha na ciência por detrás dos motores eléctricos, explicando como utilizam campos magnéticos e corrente para produzir movimento rotativo ou linear. Ao compreender os diferentes tipos, como os motores CC e CA, e os seus mecanismos internos, ficará a conhecer o seu papel crucial na tecnologia moderna. Pronto para desvendar os mistérios destes dispositivos omnipresentes? Continue a ler para explorar os princípios e as aplicações dos motores eléctricos.
Quase metade do consumo mundial de energia é atribuído a motores eléctricos, pelo que a melhoria da sua eficiência é considerada a medida mais eficaz para resolver os problemas energéticos globais.
De um modo geral, os motores convertem a força gerada pelo fluxo de corrente num campo magnético em movimento rotativo, mas, de um modo geral, isto também inclui o movimento linear.
Com base no tipo de fonte de energia que acciona o motor, estes podem ser classificados em motores CC e CA.
Além disso, de acordo com o princípio de rotação do motor, podem ser divididos, grosso modo, nas seguintes categorias, excluindo os motores especiais.
(1) Motores escovados
Os motores com escovas amplamente utilizados são geralmente designados por motores de corrente contínua. Rodam através do contacto sequencial dos eléctrodos chamados "escovas" (no lado do estator) e do "comutador" (no lado da armadura) para comutar a corrente.
(2) Motores DC sem escovas
Os motores DC sem escovas não necessitam de escovas e comutadores. Utilizam funções de comutação, como transístores, para comutar a corrente e obter movimento de rotação.
(3) Motores de passo
Este motor funciona em sincronização com a potência de impulso e é, por isso, também conhecido como motor de impulso. A sua caraterística é a capacidade de alcançar facilmente uma operação de posicionamento preciso.
(1) Motores assíncronos
A corrente alternada gera um campo magnético rotativo no estator, fazendo com que o rotor induza a corrente e rode sob a sua interação.
(2) Motores síncronos
A corrente CA cria um campo magnético rotativo e o rotor com pólos magnéticos roda devido à atração. A velocidade de rotação é sincronizada com a frequência de alimentação.
| Motor de passo | Motor de corrente contínua escovado | Motor de corrente contínua sem escovas |
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Em primeiro lugar, para facilitar as explicações subsequentes sobre os princípios do motor, vamos rever as leis/regras básicas relativas à corrente, aos campos magnéticos e à força.
Embora possa evocar uma sensação de nostalgia, este conhecimento pode ser facilmente esquecido se os componentes magnéticos não forem utilizados regularmente.
Vamos ilustrar isto com imagens e equações.
Quando a estrutura de arame é retangular, a força que actua sobre a corrente deve ser considerada. A força F exercida nas partes a e c da estrutura é:
O binário é gerado em torno do eixo central. Por exemplo, quando se considera um estado em que o ângulo de rotação é apenas θ, a força que actua perpendicularmente a b e d é sinθ. Consequentemente, o binário Ta na parte a é representado pela seguinte fórmula:
Considerando a parte C da mesma forma, o binário é duplicado, gerando um binário calculado pela seguinte fórmula:
Dado que a área de um retângulo é S = h*l, o resultado seguinte pode ser obtido substituindo-o na fórmula anteriormente mencionada:
Esta fórmula não se aplica apenas aos rectângulos, mas também a outras formas comuns, como os círculos. Este princípio está na base do funcionamento dos motores eléctricos.
1) Os motores giram graças aos ímanes e à força magnética.
Em torno de um íman permanente com um eixo rotativo:
① Rodar o íman (para gerar um campo magnético rotativo).
② Isto segue o princípio de que os pólos opostos (N e S) se atraem, enquanto os pólos semelhantes se repelem.
③ O íman com o eixo rotativo irá então rodar.
Este é o princípio básico da rotação do motor.
A corrente que flui através do condutor gera um campo magnético rotativo à sua volta, fazendo com que o íman gire, o que representa essencialmente o mesmo estado de movimento.
Além disso, quando um condutor é enrolado numa bobina, as forças magnéticas sintetizam-se para formar um grande fluxo magnético, criando um pólo Norte e um pólo Sul.
Além disso, ao inserir um núcleo ferroso no condutor enrolado, as linhas do campo magnético podem passar mais facilmente, gerando assim uma força magnética mais forte.
2) Motores rotativos operacionais
Neste contexto, apresentamos uma abordagem prática para motores rotativos, demonstrando a utilização de corrente alternada trifásica e bobinas para gerar um campo magnético rotativo. (A corrente alternada trifásica refere-se a sinais alternados faseados em intervalos de 120°).
O campo magnético sintetizado no referido Estado ① corresponde à Figura ① abaixo.
O campo magnético sintetizado no Estado ② mencionado anteriormente alinha-se com a Figura ② mostrada abaixo.
O campo magnético sintetizado associado ao Estado ③ acima mencionado está representado na Figura ③ abaixo.
Como referido anteriormente, a bobina enrolada em torno do núcleo de ferro está dividida em três fases: Bobina de fase U, bobina de fase V e bobina de fase W, dispostas em intervalos de 120°. A bobina com uma tensão mais elevada gera um pólo norte, enquanto a que tem uma tensão mais baixa gera um pólo sul.
Cada fase varia de acordo com a onda sinusoidal, pelo que a polaridade (pólo norte ou sul) e o campo magnético (força magnética) gerado por cada bobina mudam.
Neste ponto, se considerarmos apenas a bobina que gera o pólo norte, a sequência de mudanças vai da bobina de fase U para a bobina de fase V, depois para a bobina de fase W e, finalmente, de volta para a bobina de fase U, produzindo assim uma rotação.
A figura abaixo apresenta uma construção geral e uma comparação de três tipos de motores: motores passo a passo, motores de corrente contínua (CC) com escovas e motores de corrente contínua (CC) sem escovas.
Os componentes básicos destes motores incluem principalmente bobinas, ímanes e rotores. Devido aos seus diversos tipos, são ainda classificados em tipos de bobinas fixas e tipos de ímanes fixos.
| Motor de passo | Motor de corrente contínua escovado | Motor de corrente contínua sem escovas |
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Segue-se uma descrição estrutural relacionada com o diagrama de exemplo. É importante compreender que este documento apresenta a estrutura num quadro geral, uma vez que podem existir outras estruturas se forem divididas em mais pormenor.
As bobinas do motor passo a passo estão fixas no exterior, com os ímanes a rodar no interior; os ímanes do motor DC escovado estão fixos no exterior, com as bobinas a rodar no interior.
O fornecimento de energia às bobinas e a mudança de direção da corrente são efectuados por escovas e comutadores; nos motores sem escovas, as bobinas são fixas no exterior, com os ímanes a rodar no interior.
Devido a variações nos tipos de motores, mesmo com os mesmos componentes básicos, as suas estruturas podem diferir. Os detalhes específicos serão explicados em cada secção.
Estrutura do motor escovado
A imagem abaixo mostra o exterior de um motor DC com escovas normalmente utilizado em modelos, bem como uma vista explodida de um motor típico de dois pólos (dois ímanes) e três ranhuras (três bobinas). Muitos poderão ter experiência na desmontagem de motores e na remoção de ímanes.
Num motor DC com escovas, os ímanes permanentes estão fixos enquanto as bobinas podem rodar em torno do centro interno. O lado estacionário é conhecido como o "estator" e o lado rotativo é referido como o "rotor".
Eis um diagrama esquemático que ilustra os conceitos estruturais.
O eixo central de rotação é rodeado por três comutadores - placas metálicas curvas utilizadas para a comutação da corrente eléctrica. Para evitar o contacto entre si, os comutadores estão dispostos a 120° de distância (360° ÷ 3 unidades). Estes comutadores rodam com o eixo.
Cada comutador está ligado a uma extremidade de uma bobina e a outra e, em conjunto, os três comutadores e as três bobinas formam uma rede de circuitos completa (anel).
Duas escovas são fixadas a 0° e 180° para entrarem em contacto com os comutadores. Uma fonte externa de corrente contínua é ligada às escovas e a corrente flui ao longo do percurso da escova para o comutador, do comutador para a bobina e da bobina de volta para a escova.
Este é o princípio de rotação de um motor com escovas.
① Rotação no sentido anti-horário a partir do estado inicial
A bobina A está no topo, com a fonte de alimentação ligada às escovas, designando o lado esquerdo como (+) e o direito como (-). Uma corrente elevada flui da escova esquerda através do comutador para a bobina A. Isto transforma a parte superior (exterior) da bobina A num pólo sul (S).
Uma vez que metade da corrente da bobina A flui da escova esquerda para as bobinas B e C no sentido oposto ao da bobina A, os lados exteriores das bobinas B e C tornam-se pólos norte fracos (N), indicados por letras mais pequenas no diagrama.
Os campos magnéticos gerados nestas bobinas, juntamente com a repulsão e a atração dos ímanes, proporcionam uma força que faz rodar as bobinas em sentido contrário ao dos ponteiros do relógio.
② Rotação adicional no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio
Em seguida, supondo que a bobina A rodou 30° no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio, a escova direita entra em contacto com os dois comutadores.
A corrente na bobina A continua a fluir da escova esquerda para a escova direita e o lado exterior da bobina continua a ser um pólo sul. A mesma corrente flui através da bobina B, transformando o seu lado exterior num pólo norte mais forte. A bobina C é curto-circuitada pelas escovas em ambas as extremidades, pelo que não há fluxo de corrente e não é gerado qualquer campo magnético.
Mesmo neste estado, é aplicada uma força de rotação anti-horária. De ③ a ④, a bobina superior continua a ser movida para a esquerda e a bobina inferior continua a ser movida para a direita, resultando numa rotação contínua no sentido anti-horário.
A cada 30° de rotação da bobina para os estados ③ e ④, quando a bobina está acima do eixo horizontal central, seu lado externo se torna um pólo sul; quando está abaixo, se torna um pólo norte, e este movimento se repete.
Por outras palavras, a bobina superior experimenta repetidamente uma força para a esquerda e a bobina inferior uma força para a direita (ambas no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio). Isto mantém o rotor a rodar no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio.
Se a fonte de alimentação estiver ligada à escova esquerda (-) e à escova direita (+) opostas, é gerado um campo magnético inverso na bobina, invertendo assim a direção da força aplicada à bobina, fazendo-a rodar no sentido dos ponteiros do relógio.
Além disso, quando a fonte de alimentação é desligada, o rotor do motor com escovas pára de rodar devido à ausência do campo magnético que estava a conduzir a sua rotação.
Aspeto e estrutura do motor sem escovas trifásico de onda completa
A imagem abaixo mostra um exemplo do aspeto e da estrutura do motor sem escovas.
O lado esquerdo mostra um exemplo do motor do eixo principal utilizado para rodar o disco no dispositivo de reprodução de discos, contendo um total de nove bobinas, três fases vezes três.
À direita está um exemplo do motor do eixo principal de um dispositivo FDD, com doze bobinas (três fases vezes quatro). As bobinas são montadas numa placa de circuitos e enroladas à volta de um núcleo de ferro.
No lado direito da bobina, o componente em forma de disco é um rotor de íman permanente. O perímetro é um íman permanente, o eixo do rotor é inserido no centro da bobina e cobre parte da bobina, com o íman permanente a rodear a periferia da bobina.
Diagrama da estrutura interna e circuito equivalente do motor sem escovas de onda completa trifásico
De seguida, apresentam-se o diagrama simplificado da estrutura interna e o diagrama do circuito equivalente das ligações da bobina de um motor sem escovas trifásico de onda completa.
Este esquema representa uma estrutura simples de um motor de 2 pólos (2 ímanes) e 3 ranhuras (3 bobinas). Assemelha-se à estrutura de um motor com escovas com um número igual de pólos e ranhuras, exceto que o lado da bobina é estacionário e os ímanes são rotativos. Naturalmente, esta conceção não incorpora escovas.
Nesta configuração, as bobinas estão ligadas em forma de Y. Os componentes semicondutores fornecem corrente às bobinas, controlando o fluxo de entrada e saída de corrente com base na posição dos ímanes rotativos.
Neste exemplo, é utilizado um elemento Hall para detetar a posição dos ímanes. O elemento Hall é colocado entre as bobinas, onde detecta a tensão gerada pela intensidade do campo magnético e utiliza-a para obter informações sobre a posição.
Na imagem anteriormente fornecida do motor do fuso FDD, pode também ser observado um elemento Hall (localizado acima das bobinas), que serve para detetar a posição entre as bobinas.
O elemento Hall é um sensor magnético bem conhecido. Pode converter a magnitude de um campo magnético numa tensão, representando a direção do campo com valores positivos ou negativos. Abaixo está um diagrama que ilustra o efeito Hall.
O elemento Hall utiliza o fenómeno de que "quando a corrente IH flui através do semicondutor e o fluxo magnético B passa em ângulo reto com a corrente, é gerada uma tensão VH na direção perpendicular à corrente e ao campo magnético".
Este fenómeno, conhecido como "efeito Hall", foi descoberto pelo físico americano Edwin Herbert Hall. A tensão VH gerada é representada pela seguinte fórmula.
VH=(KH/d)・IH・B
Onde KH é o coeficiente Hall, e d é a espessura da superfície de penetração do fluxo.
Como a fórmula sugere, quanto maior for a corrente, maior será a tensão. Esta caraterística é frequentemente utilizada para detetar a posição do rotor (íman).
Princípio de rotação do motor sem escovas trifásico de onda completa
O princípio de rotação do motor sem escovas será explicado nos passos ① a ⑥. Para facilitar a compreensão, o íman permanente foi simplificado de um círculo para um retângulo.
1) Num sistema trifásico de bobinas, imagine a bobina 1 fixa na posição 12 horas de um relógio, a bobina 2 nas 4 horas e a bobina 3 nas 8 horas. Suponha um íman permanente de 2 pólos, com o pólo norte à esquerda e o pólo sul à direita, capaz de rodar.
A corrente Io é introduzida na bobina 1, gerando um campo magnético de pólo sul no exterior da bobina. Metade desta corrente, Io/2, flui para fora das bobinas 2 e 3, criando um campo magnético de pólo norte no seu exterior.
Quando os campos magnéticos das bobinas 2 e 3 sofrem uma síntese vetorial, é gerado um campo magnético descendente do pólo norte. Este campo é metade do tamanho do campo magnético produzido quando a corrente Io passa por uma bobina e, quando adicionado ao campo da bobina 1, torna-se 1,5 vezes maior. Isto cria um campo magnético sintetizado num ângulo de 90° em relação ao íman permanente, gerando assim um binário máximo e provocando a rotação do íman permanente no sentido dos ponteiros do relógio.
À medida que a corrente na bobina 2 diminui e a corrente na bobina 3 aumenta com base na posição de rotação, o campo magnético sintetizado também roda no sentido dos ponteiros do relógio, continuando a rotação do íman permanente.
2) Com uma rotação de 30°, a corrente Io entra na bobina 1, colocando a corrente na bobina 2 a zero e fazendo com que a corrente Io saia da bobina 3.
O exterior da bobina 1 torna-se o pólo S, e o exterior da bobina 3 torna-se o pólo N. Durante a combinação de vectores, o campo magnético gerado é √3 (aproximadamente 1,72) vezes superior ao de uma única bobina com corrente Io. Isto também resulta num campo magnético composto num ângulo de 90° em relação ao campo do íman permanente, rodando no sentido dos ponteiros do relógio.
Quando a corrente de entrada Io na bobina 1 é reduzida de acordo com a posição de rotação, a corrente de entrada na bobina 2 começa a aumentar a partir de zero e a corrente de saída na bobina 3 aumenta para Io, o campo magnético composto também roda no sentido dos ponteiros do relógio e o íman permanente continua a rodar.
Assumindo que todas as correntes de fase são sinusoidais, a corrente aqui é Io×sin(π⁄3)=Io×√3⁄2. Através da combinação vetorial do campo magnético, o tamanho total do campo magnético é 1,5 vezes o campo produzido por uma única bobina ((√3⁄2)2×2=1,5). Quando todas as correntes de fase são sinusoidais, independentemente da posição do íman permanente, o tamanho do campo magnético composto vetorial é sempre 1,5 vezes o de uma única bobina, e o campo magnético forma um ângulo de 90 ° com o campo magnético do íman permanente.
3) Após nova rotação de 30°, a corrente Io/2 flui para a bobina 1, a corrente Io/2 entra na bobina 2 e a corrente Io sai da bobina 3.
O exterior da bobina 1 torna-se o pólo S, o exterior da bobina 2 também se torna o pólo S e o exterior da bobina 3 torna-se o pólo N. Durante a combinação de vectores, o campo magnético gerado é 1,5 vezes o campo magnético produzido quando a corrente Io passa por uma única bobina (o mesmo que em ①). Um campo magnético composto também é formado aqui em um ângulo de 90 ° com o campo do ímã permanente, girando no sentido horário.
Etapas 4 a 6, rodar da mesma forma que as etapas 1 a 3.
Desta forma, ao comutar sequencialmente a corrente que flui para a bobina de acordo com a posição do íman permanente, o íman permanente rodará numa direção fixa. Da mesma forma, se a corrente for invertida e a direção do campo magnético sintético for invertida, este rodará no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio.
O diagrama abaixo mostra continuamente a corrente para cada bobina em cada um dos passos 1 a 6 acima mencionados. A partir da introdução acima, a relação entre as mudanças na corrente e a rotação deve ser entendida.
O motor de passo é um tipo de motor que pode ser sincronizado com precisão com sinais de impulsos para controlar os ângulos de rotação e a velocidade. É também conhecido como "motor de impulsos".
O motor passo-a-passo, que não necessita de um sensor de posição e pode alcançar um posicionamento preciso através de um controlo de circuito aberto, é amplamente utilizado em equipamentos que requerem uma localização precisa.
Estrutura de um motor de passo (bipolar de duas fases)
As imagens abaixo, da esquerda para a direita, mostram um exemplo da aparência externa de um motor passo a passo, um diagrama simples da sua estrutura interna e um esquema concetual do seu design.
Os exemplos exteriores fornecidos são de motores passo a passo do tipo HB (híbrido) e PM (íman permanente). Os diagramas centrais também representam as estruturas dos tipos HB e PM.
Os motores passo a passo são estruturados com bobinas fixas e um íman rotativo. O diagrama concetual do lado direito da estrutura interna do motor passo a passo ilustra um exemplo de um motor PM que utiliza duas fases (dois conjuntos) de bobinas. Nos exemplos de estrutura básica dos motores passo a passo, as bobinas estão posicionadas externamente e o íman permanente está localizado internamente. Para além dos motores de duas fases, existem também tipos com um maior número de fases, tais como os motores trifásicos e os motores de cinco fases.
Alguns motores de passo têm estruturas distintas, mas para explicar os seus princípios de funcionamento, este artigo apresenta a estrutura básica dos motores de passo. Através deste artigo, pretende-se compreender que os motores de passo adoptam principalmente uma estrutura com bobinas fixas e um íman permanente rotativo.
Princípio básico de funcionamento dos motores passo a passo (excitação monofásica)
O diagrama seguinte é utilizado para explicar o princípio básico de funcionamento dos motores passo a passo. Este é um exemplo de excitação monofásica (um conjunto de bobinas) das bobinas bipolares bifásicas acima mencionadas. A premissa do diagrama é a mudança de estado de ① para ④. As bobinas são constituídas pela Bobina 1 e pela Bobina 2. Além disso, a seta da corrente representa o sentido do fluxo de corrente.
①Direccione a corrente para entrar pelo lado esquerdo da bobina 1 e sair pelo lado direito. Evite qualquer fluxo de corrente através da bobina 2. Como resultado, o lado interno da bobina esquerda 1 torna-se N (norte), enquanto o lado interno da bobina direita 1 torna-se S (sul). Consequentemente, o íman permanente no meio é atraído pelo campo magnético da bobina 1, adoptando um estado com S à esquerda e N à direita, e pára.
②De seguida, interrompa a corrente na bobina 1, orientando-a para entrar pela parte superior da bobina 2 e sair pela parte inferior. O lado interior da bobina 2 superior torna-se então N e o lado interior da bobina 2 inferior torna-se S. O íman permanente é atraído por este campo magnético, rodando 90 graus no sentido dos ponteiros do relógio e parando.
③Depois disso, pare a corrente na bobina 2, orientando-a para entrar pelo lado direito da bobina 1 e sair pelo lado esquerdo. O lado interno da bobina esquerda 1 torna-se S, e o lado interno da bobina direita 1 torna-se N. O íman permanente é novamente atraído por este campo, rodando mais 90 graus no sentido dos ponteiros do relógio e parando.
④Por fim, interrompa a corrente na bobina 1, orientando-a para entrar pela parte inferior da bobina 2 e sair pela parte superior. O lado interno da bobina 2 superior torna-se S, enquanto o lado interno da bobina 2 inferior torna-se N. Mais uma vez, o íman permanente é atraído por este campo magnético, rodando 90 graus no sentido dos ponteiros do relógio e parando.
Ao comutar o fluxo de corrente através das bobinas na sequência acima (① a ④) através de um circuito eletrónico, o motor passo a passo pode ser posto a rodar. Neste exemplo, cada ação de comutação faz rodar o motor passo a passo em 90 graus.
Além disso, a manutenção de um fluxo de corrente contínuo através de uma bobina específica permite que o motor permaneça no estado de paragem enquanto mantém o binário. Como nota lateral, a inversão da ordem do fluxo de corrente através das bobinas pode fazer com que o motor passo a passo rode na direção oposta.
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