Motor Elétrico: como funciona? – Enciclopédia Virtual Motor Elétrico: como funciona? - Enciclopédia Virtual
By Enciclopédia Virtual on 11 de abril de 2020
Os motores elétricos podem ser considerados como "máquinas elétricas" porque permitem ser usados tanto como "motores" quanto como "geradores". O mesmo equipamento que converte energia elétrica em mecânica pode converter energia no sentido oposto.
Todos os motores elétricos valem-se dos princípios do eletromagnetismo, mediante os quais condutores situados num campo magnético e atravessados por correntes elétricas sofrem a ação de uma força mecânica, ou eletroímãs exercem forças de atração ou repulsão sobre outros materiais magnéticos. As correntes elétricas usadas pelos motores podem ser contínuas (DC), como as das baterias, ou alternadas (AC).
Os diversos motores elétricos estão classificados em dois grandes grupos: o eletromagnético e o magnético.
Corte de um motor de indução trifásico, com rotor do tipo "gaiola".
O primeiro grupo inclui os motores de indução, síncronos, de DC, de AC polifásica com comutador, de AC monofásica com comutador, e de repulsão. O grupo magnético inclui os de relutância e de histerese, bem como os solenoides e relés, produtores de movimentos retilíneos. Embora esta classificação possa parecer artificial, torna-se evidente quando se consideram as aplicações dos motores dos dois grupos.
Enquanto os motores eletromagnéticos tornam-se mais eficientes à medida que suas dimensões aumentam, ocorre o contrário com os magnéticos, cujo desempenho melhora à medida que seu tamanho diminui. Assim, os motores de histerese e de relutância, que, além de relativamente pequenos, são síncronos (têm velocidade constante, mesmo com carga variável), são principalmente aplicados em equipamentos pequenos de velocidade constante, como toca-discos, gravadores e relógios elétricos. Já os eletromagnéticos podem ser desde os pequenos dos secadores de cabelos manuais até os gigantescos dos laminadores siderúrgicos.
Quando um ímã é movido sobre a superfície de uma chapa condutora de eletricidade, mesmo que esta seja feita de metais classificados como não magnéticos, ocorre um fenômeno de indução de correntes na chapa, produzindo-se uma força magnética que tende a arras­tá-la com o movimento do ímã. O fenômeno pode ser demonstrado através de uma chapa ou disco leve de uns 30 cm de diâmetro e um ímã poderoso, girando concen­tricamente com o disco.
Esse princípio serve para explicar o funcionamento básico dos motores de indução; mas, na prática não se pode usar ímã permanente nos motores, pois se necessitaria de uma força mecânica para girá-lo sobre o disco, e o que se deseja é usar a eletricidade para produzir movimento. Assim, no motor de indução o ímã é substituído por um sistema de eletroímãs fixos, dispostos em anel. Eles produzem um campo magnético variável dentro do anel, quando alimentados por correntes que variam de maneira a causar o mesmo efeito produzido por um ímã permanente em movimento.
Pode-se entender o funcionamento desse sistema em um motor de indução rotativo imaginando-se um anel de lâmpadas elétricas que são ligadas e desligadas em seqüência e rapidamente. Embora nada se mova, têm-se a impressão que uma mancha de luz está correndo ao redor do anel. A diferença é que, no motor, o anel de eletroímãs, colocado na parte estacionária (estator) do aparelho, não é ligado e desligado como as lâmpadas, mas alimentado por uma corrente alternada, de modo que o máximo de magnetismo vá ocorrendo sentencialmente nos eletroímãs dispostos em círculo. Disso resulta um campo magnético com todas as características de um campo girante, como o criado pelo ímã rotativo. A alimentação com corrente alternada permite ter um motor de baixo custo e muito robusto, porque o elemento rotativo (rotor) é quase sempre um cilindro de aço ranhurado. Barras de alumínio ou cobre preenchem as ranhuras e interligam-se nas extremidades por anéis do mesmo material. Atualmente, essas barras e anéis são fundidos numa única operação que, às vezes, adiciona pás de ventilação para o rotor.
O rotor do motor de indução tem a forma de uma gaiola. Consiste em barras de cobre ou alumínio ligadas em ambas as extremidades por meio de grossos anéis do mesmo material. As barras ficam encaixadas nos sulcos ao longo do cilindro de aço. O campo magnético girante produzido no estator induz correntes na gaiola que reagem com o campo magnético, criando forças tendentes a arrastar o rotor na direção do campo girante.
Embora pouco comum, há também o motor de indução linear, pouco mais que um motor de indução rotativo estabelecido num plano. Sua ação magnética não é exercida em círculo, mas linearmente: seus eletroímãs formam duas linhas paralelas em vez de um anel, e produzem movimento em linha reta. São destinados a modernos sistemas de tração ferroviária.
A produção de correntes induzidas no motor de indução depende da existência de um movimento relativo entre o campo magnético girante e os condutores do rotor. Em outras palavras, o rotor nunca chega a rodar na mesma velocidade do campo girante. Se gira numa velocidade igual a 97% da do campo, os 3% de diferença de velocidade são suficientes para induzir nos condutores do rotor uma corrente elétrica que reage com o campo magnético, criando uma força capaz de realizar o trabalho exigido do motor. A diferença de velocidade é chamada de "porcentagem de escorregamento". Ao aumentar o trabalho exigido do motor, o escorregamento também tem que aumentar, para que, aumentando a corrente induzida no rotor, aumente a força para a realização do trabalho.
Em algumas aplicações a variação da velocidade do motor com a carga não é aceitável. Nesse caso usa-se um motor cujo rotor consiste de um arranjo de ímãs permanentes ou eletroímãs alimentados por corrente contínua. O estator desse motor, chamado síncrono, tem a mesma conformação de um motor de indução e produz um campo magnético girante, porém, esse campo girante se "trava" com o campo magnético do rotor. Como a velocidade do rotor não pode mudar com a variação de carga, diz-se que ele se move em sincronismo com a corrente alternada de alimentação.
Sala de motores de uma usina laminadora na Inglaterra. Em primeiro plano, um gigantesco conjunto de motores de corrente contínua, de 3.430 kW e 1.120 volts, que pode operar em duas velocidades: 40 e 80 rpm.
Se o estator consiste de bobinas arranjadas para formar um campo magnético giratório de apenas 2 pólos (um norte e um sul), distribuído por toda a sua circunferência, essa forma de campo faz uma revolução completa em cada ciclo da AC de alimentação. Se esta é de 60 hertz, o campo gira 60 vezes por segundo, ou seja, 3 600 revoluções por minuto — e essa é também a velocidade de rotação do motor. E se as bobinas são enroladas de modo a criar um campo girante de 4, 6 ou mais pólos, a velocidade de rotação síncrona é dividida por 2, 3 ou o número de pares de pólos acrescentados aos dois indispensáveis.
A desvantagem do motor síncrono é não dar a partida sozinho: é preciso levar a velocidade do rotor até bem próximo da velocidade de sincronismo para que ele se "trave" magneticamente com o campo do estator. Por isso, o motor síncrono é mais usado como gerador síncrono nas usinas geradoras de eletricidade. Outra desvantagem é que, como todos os motores de indução, os síncronos não fornecem grande variação de velocidade sem uma freqüência de rede variável. Quando alimentados diretamente pela rede de AC, nenhum deles é capaz de superar as 3 600 rotações por minuto. Para velocidades altas ou altamente variáveis, usando-se a rede de AC, empregam-se motores comutadores.
O motor comutador DC, ou de corrente contínua, é o tipo mais simples, pelo qual se pode entender melhor o funcionamento de todos os motores comutadores. Seu estator consiste de um anel de eletroímãs de campo alimentados por corrente contínua, e seu rotor, como nos motores de indução, é uma série de fios ou barras montadas nos sulcos do núcleo de aço. Neste caso, porém, essas barras são bobinas (enrolamentos isolados), ao invés de barras sólidas e fundidas (o que encarece a construção). Cada bobina tem suas extremidades respectivamente ligadas a dois segmentos condutores montados em um bloco isolante no eito do rotor.
Veículos da Tesla são completamente movidos a eletricidade e suas unidades motoras são baseadas em motores elétricos.
Fornecida por uma bateria, ou qualquer outra fonte semelhante, a corrente contínua passa para o enrolamento da bobina através de dois blocos de carvão ou "escovas" de tela de cobre, que entram em contato com os segmentos condutores duas vezes em cada rotação.
A construção é feita de modo que a corrente só alimente as bobinas do rotor quando elas se encontram em frente ao eletroímã de campo.
Constituindo a maioria dos motores elétricos comerciais, os motores de indução têm o rotor de aço recortado por sulcos ao longo do comprimento, nos quase se encaixam barras de alumínio ou cobre, ligadas nas extremidades a um anel. Fluindo no enrolamento estacionário, a AC cria um campo magnético girante que induz o rotor a girar. Na foto, motor de indução de 60 HP, 1.440 rpm, consumo de 45 k@ e alimentado com AC trifásica de 415 v a 50 Hz. É uma peça robusta de 42,5 cm de diâmetro por 92,5 cm de comprimento.
Os motores de comutador resolvem o problema da variação de velocidade que não se pode obter nos motores síncronos. Sua desvantagem, porém, é o fato de que as faíscas produzidas nos contatos entre os segmentos condutores e as "escovas" consomem o metal de ambos os componentes com relativa rapidez. Além disso, o atrito permanente também provoca o desgaste rápido, exigindo constante manutenção.
Outros tipos de Motores Elétricos
Motores Elétricos de Relutância
Motor de relutância com cerca de 18 cm de diâmetro. Sua capacidade é de 1/4 HP a uma velocidade de 1.425 rpm, quando alimentado com corrente alternada de 50 hertz.
Os motores de relutância são simplesmente motores de indução de dois pólos, com o rotor magnetizado substituído por um cilindro dentado, formado por lâminas de aço não magnetizadas, e cujo estator é também laminado e dentado.
Motor de relutância. Tanto o estator quanto o rotor são compostos por lâminas de aço e providos de dentes que tendem a alinhar-se sob a ação de um campo magnético. Como a bobina do estator é alimentada por AC, forma-se situação igualmente aceitável quando o rotor gira a uma velocidade tal que os dentes se alinham a cada vez que o campo passar por um máximo, como se pode ver através dos quatro quadros.
Neste tipo de motor, tanto o estator quanto o rotor têm o mesmo número de dentes, que tendem a ficar alinhados uns diante dos outros quando o campo magnético é máximo, pois nessa situação o circuito magnético apresenta a menor relutância. Quando parado, o rotor permite que os dentes fiquem nessa posição. Contudo, como a bobina de campo é alimentada com corrente alternada, outra situação satisfatória se dá quando o rotor gira com uma velocidade tal que os dentes se encaram no momento em que o campo magnético atinge o máximo, e se desencontram quando o campo passa por um mínimo. Como em cada ciclo da AC de alimentação o campo passa por um máximo numa direção e um máximo na direção oposta, os máximos se sucedem 120 vezes por segundo. Assim, se houver 20 dentes na periferia do rotor e do estator, o rotor girará a uma velocidade de 6 rotações por segundo. Com larga aplicação em relógios elétricos, esses motores precisam, geralmente, de dispositivos auxiliares de partida.
Motores Elétricos de Histerese
Motor de histerese, compacto, com apenas 11,5 cm de diâmetro. Tem duas velocidades de operação quando alimentado com corrente alternada de 50 Hz: 1.000 e 3.000 rpm. Empregado para girar rolos de fita.
O motor de histerese é de construção mais simples que o de relutância, porque seu rotor pode ser simplesmente um cilindro liso. Mas o aço empregado na sua fabricação é muito semelhante ao dos ímãs permanentes, isto é, apresenta alta histerese — o que não ocorre nos metais usados nos outros tipos de motores. Por esse motivo, quando o campo magnético girante passa por algum ponto do rotor ele deixa esse ponto permanentemente magnetizado devido à histerese do metal empregado. Esse magnetismo remanescente produz uma força adicional que faz com que o motor de histerese funcione cada vez mais como um motor síncrono, aumentando a velocidade até que, finalmente, o rotor se sincronize e se "trave" com o campo girante do estator.
O funcionamento básico de um motor histerese. Girando sobre a superfície do disco de aço, o ímã provoca sua magnetização. O disco magnetizado não perde facilmente essa propriedade e tende a ser arrastado com o giro do ímã, eventualmente na mesma velocidade. Na prática, o ímã permanente é substituído por eletroímã que provoca um campo magnético girante, de modo que exerce o mesmo efeito sobre um rotor de aço.
O princípio do motor síncrono: se o imã em ferradura da esquerda é girado na direção indicada, vai fazer com que o imã da direita gire com ele. Se o ímã da direita tem que realizar trabalho durante a rotação, isto é, se seu eixo tem que propulsionar uma carga, ele vai girar de modo que seus pólos esteja levemente retardados em relação aos pólos do ímã primário. Em um motor comum, os dois sistemas de pólos estão dispostos em dois cilindros concêntricos. O de fora tem várias bobinas alimentadas por AC, formando um campo girante semelhante ao de um motor de indução, e o rotor é apenas um conjunto de eletroímãs alimentados por DC.
Motores Elétricos Comutadores
A perspectiva de um motor comutador simples, de corrente contínua, mostra uma bobina ou enrolamento e um par de segmentos comutadores. O ímã permanente externo pode ser substituído por eletroímãs em motores maiores. Quando a bobina do rotor gira, sua corrente é periodicamente invertida pela ação dos segmentos comutadores, mantendo-se, assim, a mesma direção motora e o giro constante.
Motores Elétricos de Indução Linear
Os motores de indução linear, pouco comuns, funcionam com o mesmo princípio dos motores rotativos, só que a ação magnética é exercida linearmente.
Funcionamento básico do Motor Elétrico
Quando um condutor se move num campo magnético, ocorre nele a criação, ou indução, de uma voltagem que pode ser constatada ao ligarem-se suas extremidades a um voltímetro. Se o condutor for ligado a uma bateria, o fluxo da corrente elétrica fará com que se mova dentro do campo magnético. Esse é o princípio da criação da força motriz a partir da eletricidade, princípio do qual se valem todos os motores elétricos.
Da ampla variedade de tipos de motores elétricos disponíveis, os mais utilizados são os de indução, devido principalmente à sua robustez, confiabilidade e baixo custo. Eles são responsáveis por mais de 90% da força motriz produzida eletricamente.