Como os motores elétricos convertem eletricidade em movimento? Imagine um mundo em que quase metade de nossa energia é acionada por esses motores. Este artigo se aprofunda na ciência por trás dos motores elétricos, explicando como eles usam campos magnéticos e corrente para produzir movimento rotacional ou linear. Ao entender os diferentes tipos, como os motores CC e CA, e seus mecanismos internos, você terá uma visão do papel crucial que desempenham na tecnologia moderna. Pronto para desvendar os mistérios desses dispositivos onipresentes? Continue lendo para explorar os princípios e as aplicações dos motores elétricos.
Quase metade do consumo mundial de energia é atribuído a motores elétricos, portanto, melhorar sua eficiência é considerado a medida mais eficaz para lidar com os problemas globais de energia.
Em geral, os motores convertem a força gerada pelo fluxo de corrente em um campo magnético em movimento rotacional, mas, de modo geral, isso também inclui o movimento linear.
Com base no tipo de fonte de energia que aciona o motor, eles podem ser classificados em motores CC e CA.
Além disso, de acordo com o princípio de rotação do motor, eles podem ser divididos nas seguintes categorias, excluindo os motores especiais.
(1) Motores escovados
Os motores com escovas amplamente usados são geralmente chamados de motores CC. Eles giram ao entrar em contato sequencial com os eletrodos chamados "escovas" (no lado do estator) e o "comutador" (no lado da armadura) para alternar a corrente.
(2) Motores CC sem escova
Os motores CC sem escovas não precisam de escovas e comutadores. Eles usam funções de comutação, como transistores, para alternar a corrente e obter movimento rotacional.
(3) Motores de passo
Esse motor opera em sincronização com a potência de pulso e, portanto, também é conhecido como motor de pulso. Sua característica é a capacidade de obter facilmente uma operação de posicionamento preciso.
(1) Motores assíncronos
A corrente CA gera um campo magnético rotativo no estator, fazendo com que o rotor induza a corrente e gire sob sua interação.
(2) Motores síncronos
A corrente CA cria um campo magnético rotativo, e o rotor com polos magnéticos gira devido à atração. A velocidade de rotação é sincronizada com a frequência de energia.
| 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 revisitar as leis/regras básicas referentes à corrente, aos campos magnéticos e à força.
Embora possa evocar uma sensação de nostalgia, esse conhecimento pode ser facilmente esquecido se os componentes magnéticos não forem usados regularmente.
Vamos ilustrar isso usando imagens e equações.
Quando a estrutura de arame é retangular, a força que atua sobre a corrente deve ser considerada. A força F exercida nas partes a e c da estrutura é:
O torque é gerado em torno do eixo central. Por exemplo, ao considerar um estado em que o ângulo de rotação é apenas θ, a força que atua em ângulos retos em relação a b e d é sinθ. Consequentemente, o torque Ta na parte a é representado pela seguinte fórmula:
Considerando a parte C da mesma forma, o torque é dobrado, gerando um torque calculado pela fórmula a seguir:
Considerando que a área de um retângulo é S = h*l, o resultado a seguir pode ser obtido substituindo-o na fórmula mencionada anteriormente:
Essa fórmula não se aplica somente a retângulos, mas também a outras formas comuns, como círculos. Esse princípio é a base da operação de motores elétricos.
1) Os motores giram utilizando ímãs e força magnética.
Em torno de um ímã permanente com um eixo rotativo:
① Gire o ímã (para gerar um campo magnético rotativo).
② Isso segue o princípio de que os polos opostos (N e S) se atraem, enquanto os polos semelhantes se repelem.
③ O ímã com o eixo giratório girará.
Esse é o princípio básico da rotação do motor.
A corrente que flui pelo condutor gera um campo magnético rotativo em torno dele, fazendo com que o ímã gire, o que representa essencialmente o mesmo estado de movimento.
Além disso, quando um condutor é enrolado em uma bobina, as forças magnéticas se sintetizam para formar um grande fluxo magnético, criando um polo norte e um polo 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
Nesse contexto, apresentamos uma abordagem prática para motores rotativos, demonstrando o uso de corrente alternada trifásica e bobinas para gerar um campo magnético rotativo. (A corrente alternada trifásica refere-se a sinais alternados em fases com intervalos de 120°).
O campo magnético sintetizado no estado ① mencionado acima corresponde à Figura ① abaixo.
O campo magnético sintetizado no estado ② mencionado anteriormente se alinha com a Figura ② mostrada abaixo.
O campo magnético sintetizado associado ao estado ③ mencionado acima está representado na Figura ③ abaixo.
Conforme mencionado acima, a bobina enrolada em torno do núcleo de ferro é 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 alta gera um polo norte, enquanto a com uma tensão mais baixa gera um polo sul.
Cada fase varia de acordo com a onda senoidal, portanto, a polaridade (polo norte ou sul) e o campo magnético (força magnética) gerados por cada bobina serão alterados.
Nesse ponto, se considerarmos apenas a bobina que gera o polo 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 de passo, motores de corrente contínua (CC) com escovas e motores de corrente contínua (CC) sem escovas.
Os componentes básicos desses motores incluem principalmente bobinas, ímãs e rotores. Devido a seus diversos tipos, eles são classificados em tipos fixados por bobina e fixados por ímã.
| Motor de passo | Motor de corrente contínua escovado | Motor de corrente contínua sem escovas |
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A seguir, há uma descrição estrutural relacionada ao diagrama de exemplo. Entenda que este documento apresenta a estrutura em uma estrutura ampla, pois pode haver outras estruturas se forem divididas em mais detalhes.
As bobinas do motor de passo aqui são fixas na parte externa, com os ímãs girando na parte interna; os ímãs do motor CC escovado são fixos na parte externa, com as bobinas girando na parte interna.
O fornecimento de energia para as bobinas e a mudança na direção da corrente são feitos por escovas e comutadores; nos motores sem escovas, as bobinas são fixas na parte externa, com os ímãs girando na parte interna.
Devido às variações nos tipos de motores, mesmo com os mesmos componentes básicos, suas estruturas podem ser diferentes. Detalhes específicos serão explicados em cada seção.
Estrutura do motor com escova
A imagem abaixo mostra o exterior de um motor CC escovado comumente usado em modelos, bem como uma vista explodida de um motor típico de dois polos (dois ímãs) e três ranhuras (três bobinas). Muitos podem ter experiência em desmontar motores e remover ímãs.
Em um motor CC com escovas, os ímãs permanentes são estacionários, enquanto as bobinas podem girar em torno do centro interno. O lado estacionário é conhecido como "estator" e o lado giratório é chamado de "rotor".
Aqui está um diagrama esquemático que ilustra os conceitos estruturais.
O eixo central de rotação é cercado por três comutadores - placas de metal curvas usadas para comutação de corrente elétrica. Para evitar o contato entre eles, os comutadores são dispostos a 120° de distância (360° ÷ 3 unidades). Esses comutadores giram com o eixo.
Cada comutador é conectado a uma extremidade de uma bobina e a outra e, juntos, os três comutadores e as três bobinas formam uma rede de circuito completo (anel).
Duas escovas são fixadas a 0° e 180° para fazer contato com os comutadores. Uma fonte de alimentação CC externa é conectada às escovas, e a corrente flui ao longo do caminho da escova para o comutador, do comutador para a bobina e da bobina de volta para a escova.
Esse 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 na parte superior, com a fonte de alimentação conectada às escovas, designando o lado esquerdo como (+) e o direito como (-). Uma corrente alta flui da escova esquerda através do comutador para a bobina A. Isso transforma a parte superior (externa) da bobina A em um polo sul (S).
Como metade da corrente da bobina A flui da escova esquerda para as bobinas B e C na direção oposta à da bobina A, os lados externos das bobinas B e C tornam-se polos norte fracos (N), indicados por letras menores no diagrama.
Os campos magnéticos gerados nessas bobinas, juntamente com a repulsão e a atração dos ímãs, fornecem uma força que gira as bobinas no sentido anti-horário.
② Rotação adicional no sentido anti-horário
Em seguida, supondo que a bobina A tenha girado 30° no sentido anti-horário, a escova direita entra em contato com os dois comutadores.
A corrente na bobina A continua a fluir da escova esquerda para a escova direita, e o lado externo da bobina continua sendo um polo sul. A mesma corrente flui pela bobina B, transformando seu lado externo em um polo norte mais forte. A bobina C é curto-circuitada pelas escovas em ambas as extremidades, de modo que não há fluxo de corrente e nenhum campo magnético é gerado.
Mesmo nesse estado, uma força de rotação no sentido anti-horário é aplicada. De ③ a ④, a bobina superior continua a ser acionada para a esquerda e a bobina inferior continua a ser acionada para a direita, resultando em uma 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 polo sul; quando está abaixo, torna-se um polo norte, e esse movimento se repete.
Em outras palavras, a bobina superior experimenta repetidamente uma força para a esquerda e a bobina inferior uma força para a direita (ambas no sentido anti-horário). Isso mantém o rotor girando no sentido anti-horário.
Se a fonte de alimentação for conectada à escova esquerda (-) e à escova direita (+) opostas, um campo magnético reverso será gerado na bobina, invertendo assim a direção da força aplicada à bobina, fazendo-a girar no sentido horário.
Além disso, quando a fonte de alimentação é desconectada, o rotor do motor com escovas para de girar devido à ausência do campo magnético que estava acionando sua rotação.
Aparência e estrutura do motor sem escova trifásico de onda completa
A imagem abaixo mostra um exemplo da aparência e da estrutura do motor sem escovas.
O lado esquerdo mostra um exemplo do motor do eixo principal usado para girar o disco no dispositivo de reprodução de disco, contendo um total de nove bobinas, três fases vezes três.
À direita, um exemplo do motor do eixo principal de um dispositivo FDD, com doze bobinas (três fases vezes quatro). As bobinas são montadas em uma placa de circuito e enroladas em um núcleo de ferro.
No lado direito da bobina, o componente em forma de disco é um rotor de ímã permanente. O perímetro é um ímã permanente, o eixo do rotor é inserido no centro da bobina e cobre parte da bobina, com o ímã permanente envolvendo a periferia da bobina.
Diagrama da estrutura interna e circuito equivalente do motor sem escova trifásico de onda completa
A seguir, o diagrama simplificado da estrutura interna e o diagrama do circuito equivalente das conexões da bobina de um motor sem escovas trifásico de onda completa.
Esse esquema representa uma estrutura simples de um motor de 2 polos (2 ímãs) e 3 ranhuras (3 bobinas). Ele se assemelha à estrutura de um motor com escovas com um número igual de polos e ranhuras, exceto que o lado da bobina é estacionário e os ímãs são giratórios. Naturalmente, esse projeto não incorpora escovas.
Nessa configuração, as bobinas são conectadas em uma formação em Y. Os componentes semicondutores fornecem corrente às bobinas, controlando o fluxo de entrada e saída de corrente com base na posição dos ímãs rotativos.
Neste exemplo, um elemento Hall é usado para detectar a posição dos ímãs. O elemento Hall é colocado entre as bobinas, onde detecta a tensão gerada pela intensidade do campo magnético e a utiliza para obter informações de posição.
Na imagem fornecida anteriormente do motor do eixo FDD, um elemento Hall (localizado acima das bobinas) também pode ser observado, servindo para detectar a posição entre as bobinas.
O elemento Hall é um sensor magnético bem conhecido. Ele pode converter a magnitude de um campo magnético em uma 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 fenômeno de que "quando a corrente IH flui através do semicondutor e o fluxo magnético B passa em um ângulo reto em relação à corrente, uma tensão VH é gerada na direção perpendicular à corrente e ao campo magnético".
Esse fenômeno, 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 a corrente, maior a tensão. Essa característica é frequentemente usada para detectar a posição do rotor (ímã).
Princípio de rotação do motor sem escova trifásico de onda completa
O princípio de rotação do motor sem escovas será explicado nas etapas ① a ⑥. Para facilitar a compreensão, o ímã permanente foi simplificado de um círculo para um retângulo.
1) Em um sistema de bobinas trifásico, imagine a bobina 1 fixada na posição de 12 horas de um relógio, a bobina 2 às 4 horas e a bobina 3 às 8 horas. Suponha um ímã permanente de 2 polos com o polo norte à esquerda e o polo sul à direita, capaz de girar.
A corrente Io é introduzida na bobina 1, gerando um campo magnético do polo sul na parte externa da bobina. Metade dessa corrente, Io/2, flui para fora das bobinas 2 e 3, criando um campo magnético do polo norte em seu exterior.
Quando os campos magnéticos das bobinas 2 e 3 passam por síntese vetorial, é gerado um campo magnético do polo norte para baixo. Esse campo tem a 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. Isso cria um campo magnético sintetizado em um ângulo de 90° em relação ao ímã permanente, gerando, assim, o torque máximo e provocando a rotação do ímã permanente no sentido horário.
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 gira no sentido horário, dando continuidade à rotação do ímã permanente.
2) Com uma rotação de 30°, a corrente Io entra na bobina 1, zerando a corrente na bobina 2 e fazendo com que a corrente Io flua para fora da bobina 3.
O exterior da bobina 1 se torna o polo S, e o exterior da bobina 3 se torna o polo N. Durante a combinação de vetores, o campo magnético gerado é √3 (aproximadamente 1,72) vezes maior do que o de uma única bobina com corrente Io. Isso também resulta em um campo magnético composto em um ângulo de 90° em relação ao campo do ímã permanente, girando no sentido horário.
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 gira no sentido horário e o ímã permanente continua a girar.
Supondo que todas as correntes de fase sejam senoidais, a corrente aqui é Io×sin(π⁄3)=Io×√3⁄2. Por meio 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 senoidais, independentemente da posição do ímã permanente, o tamanho do campo magnético composto vetorial é sempre 1,5 vez maior que o de uma única bobina, e o campo magnético forma um ângulo de 90° com o campo magnético do ímã permanente.
3) Após a rotação adicional de 30°, a corrente Io/2 flui para a bobina 1, a corrente Io/2 entra na bobina 2 e a corrente Io flui para fora da bobina 3.
O exterior da bobina 1 se torna o polo S, o exterior da bobina 2 também se torna o polo S e o exterior da bobina 3 se torna o polo N. Durante a combinação de vetores, 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° em relação ao campo do ímã permanente, girando no sentido horário.
Etapas 4 a 6, gire da mesma maneira que as etapas 1 a 3.
Dessa forma, ao alternar sequencialmente a corrente que flui para a bobina de acordo com a posição do ímã permanente, o ímã permanente girará em uma direção fixa. Da mesma forma, se a corrente for revertida e a direção do campo magnético sintético for invertida, ele girará no sentido anti-horário.
O diagrama abaixo exibe continuamente a corrente de cada bobina em cada uma das etapas 1 a 6 mencionadas anteriormente. A partir da introdução acima, a relação entre as mudanças na corrente e na rotação deve ser compreendida.
O motor de passo é um tipo de motor que pode ser sincronizado com precisão com sinais de pulso para controlar os ângulos de rotação e a velocidade. Também é conhecido como "motor de pulso".
O motor de passo, que não requer um sensor de posição e pode realizar um posicionamento preciso por meio de controle de loop aberto, é amplamente utilizado em equipamentos que exigem 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 de passo, um diagrama simples de sua estrutura interna e um esquema conceitual de seu projeto.
Os exemplos externos fornecidos são de motores de passo do tipo HB (híbrido) e PM (ímã permanente). Os diagramas centrais também descrevem as estruturas dos tipos HB e PM.
Os motores de passo são estruturados com bobinas fixas e um ímã rotativo. O diagrama conceitual do lado direito da estrutura interna do motor de passo ilustra um exemplo de um motor PM usando duas fases (dois conjuntos) de bobinas. Nos exemplos de estrutura básica dos motores de passo, as bobinas estão posicionadas externamente e o ímã permanente está localizado internamente. Além dos motores bifásicos, há também tipos com um número maior de fases, como os trifásicos e os pentafásicos.
Alguns motores de passo têm estruturas distintas, mas, para explicar seus princípios de funcionamento, este artigo apresenta a estrutura básica dos motores de passo. Com este artigo, pretende-se entender que os motores de passo adotam principalmente uma estrutura com bobinas fixas e um ímã permanente rotativo.
Princípio básico de funcionamento dos motores de passo (excitação monofásica)
O diagrama a seguir é usado para explicar o princípio básico de funcionamento dos motores de passo. Esse é um exemplo de excitação monofásica (um conjunto de bobinas) das bobinas bipolares bifásicas mencionadas acima. A premissa do diagrama é a mudança de estado de ① para ④. As bobinas consistem na Bobina 1 e na Bobina 2. Além disso, a seta da corrente representa a direção do fluxo de corrente.
①Direcione a corrente para entrar pelo lado esquerdo da bobina 1 e sair pelo lado direito. Evite qualquer fluxo de corrente pela bobina 2. Como resultado, o lado interno da bobina 1 esquerda se torna N (norte), enquanto o lado interno da bobina 1 direita se torna S (sul). Consequentemente, o ímã permanente no meio é atraído pelo campo magnético da bobina 1, adotando um estado com S à esquerda e N à direita, e para.
②Em seguida, interrompa a corrente na bobina 1, direcionando-a para entrar pela parte superior da bobina 2 e sair pela parte inferior. O lado interno da bobina 2 superior torna-se N, e o lado interno da bobina 2 inferior torna-se S. O ímã permanente é atraído por esse campo magnético, girando 90 graus no sentido horário e parando.
③Depois disso, interrompa a corrente na bobina 2, direcionando-a para entrar pelo lado direito da bobina 1 e sair pelo lado esquerdo. O lado interno da bobina esquerda 1 se torna S e o lado interno da bobina direita 1 se torna N. O ímã permanente é novamente atraído por esse campo, girando mais 90 graus no sentido horário e parando.
④Finalmente, interrompa a corrente na bobina 1, direcionando-a para fluir da parte inferior da bobina 2 e para fora da 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 ímã permanente é atraído por esse campo magnético, girando 90 graus no sentido horário e parando.
Ao alternar o fluxo de corrente através das bobinas na sequência acima (① a ④) por meio de um circuito eletrônico, o motor de passo pode ser girado. Neste exemplo, cada ação do interruptor gira o motor de passo em 90 graus.
Além disso, a manutenção de um fluxo contínuo de corrente por meio de uma bobina específica permite que o motor permaneça no estado parado enquanto mantém o torque. Como observação adicional, a inversão da ordem do fluxo de corrente através das bobinas pode fazer com que o motor de passo gire na direção oposta.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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