ENERGIA: agosto 2010

>> MOTORES ELÉTRICOS <<

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INTRODUÇÃO

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A rotação inerente aos motores elétricos é a base do funcionamento de muitos eletrodomésticos. Por vezes, esse movimento de rotação é óbvio, como nos ventiladores ou batedeiras de bolos, mas freqüentemente permanece um tanto disfarçado, como nos agitadores das máquinas de lavar roupas ou nos 'vidros elétricos' das janelas de certos automóveis. Motores elétricos são encontrados nas mais variadas formas e tamanhos, cada qual apropriado á sua tarefa. Não importa quanto torque ou potência um motor deva desenvolver, com certeza, você encontrará no mercado aquele que lhe é mais satisfatório.

Alguns motores operam com corrente contínua (CC / DC) e podem ser alimentados quer por pilhas/baterias quer por fontes de alimentação adequadas, outros requerem corrente alternada (CA / AC) e podem ser alimentados diretamente pela rede elétrica domiciliar. Há até mesmo motores que trabalham, indiferentemente, com esses dois tipos de correntes.

Enquanto não avançamos no assunto, vá pensando: Como as forças magnéticas podem fazer algo girar? Se as forças magnéticas são as causas do 'por que o motor gira', por que não podemos fazer um motor construído exclusivamente com ímãs permanentes? O que é que determina 'para que lado' o motor vai girar?

O QUE FAZ GIRAR O ROTOR DO MOTOR ELÉTRICO?

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O rotor do motor precisa de um torque para iniciar o seu giro. Este torque (momento) normalmente é produzido por forças magnéticas desenvolvidas entre os pólos magnéticos do rotor e aqueles do estator. Forças de atração ou de repulsão, desenvolvidas entre estator e rotor, 'puxam' ou 'empurram' os pólos móveis do rotor, produzindo torques, que fazem o rotor girar mais e mais rapidamente, até que os atritos ou cargas ligadas ao eixo reduzam o torque resultante ao valor 'zero'. Após esse ponto, o rotor passa a girar com velocidade angular constante. Tanto o rotor como o estator do motor devem ser 'magnéticos', pois são essas forças entre pólos que produzem o torque necessário para fazer o rotor girar.

Todavia, mesmo que ímãs permanentes sejam freqüentemente usados, principalmente em pequenos motores, pelo menos alguns dos 'ímãs' de um motor devem ser 'eletroímãs'.

Um motor não pode funcionar se for construído exclusivamente com ímãs permanentes!

Isso é fácil de perceber, pois, não só não haverá o torque inicial para 'disparar' o movimento, se eles já estiverem em suas posições de equilíbrio, como apenas oscilarão, em torno dessa posição, se receberem um 'empurrão' externo inicial. Muitos 'inventores de motos contínuos' não percebem isso e se envolvem em 'desenhos' de "motores magnéticos" os quais, obviamente, não saem da fase de 'desenho'. Quando saem, tais protótipos só dão alguns giros devido à energia inicial do 'empurrão' e assumem suas posições de equilíbrio. Outros alardeiam: Mas, os japoneses construíram uma motocicleta com motor puramente magnético! E tal motocicleta nunca aparece para ser examinada por um grupo de físicos ou engenheiros!

É condição necessária que algum 'pólo' altere sua polaridade para garantir a rotação do rotor. Vamos entender melhor isso, através da ilustração abaixo.

Um motor simples consiste de uma bobina que gira entre dois ímãs permanentes. (a) Os pólos magnéticos da bobina (representados como ímã) são atraídos pelos pólos opostos dos ímãs fixos. (b) A bobina gira para levar esses pólos magnéticos o mais perto possível um do outro mas, (c) ao chegar nessa posição o sentido da corrente é invertido e (d) agora os pólos que se defrontam se repelem, continuando a impulsionar o rotor.

Acima esquematizamos um motor simples onde o estator é constituído por ímãs permanentes e o rotor é uma bobina de fio de cobre esmaltado por onde circula uma corrente elétrica. Uma vez que as correntes elétricas produzem campo magnético essa bobina se comporta como um ímã permanente, com seus pólos N (norte) e S (sul) como mostrados na figura.

Comecemos a descrição pela situação ilustrada em (a) onde a bobina apresenta-se horizontal. Como os pólos opostos se atraem, a bobina experimenta um torque que age no sentido de girar a bobina 'para a esquerda'. A bobina sofre aceleração angular e continua seu giro para a esquerda, como se ilustra em (b). Esse torque continua até que o pólo da bobina alcance os pólos opostos dos ímãs fixos (estator). Nessa situação (c) - a bobina girou de 90o, não há torque algum, uma vez que os braços de alavanca são nulos (a direção das forças passa pelo centro de rotação); o rotor está em equilíbrio estável (força resultante nula e torque resultante nulo). Esse é o instante adequado para inverter o sentido da corrente na bobina. Agora os pólos de mesmo nome estão muito próximos e a força de repulsão é intensa. Como a bobina já apresenta um momento angular 'para a esquerda', ela continua girando 'para a esquerda' (algo como uma 'inércia de rotação') e o novo torque (agora propiciado por forças de repulsão), como em (d), colabora para a manutenção e aceleração do movimento de rotação.

Mas, mesmo após a bobina ter sido girada de 180o, o movimento continua, a bobina chega na 'vertical' giro de 270o, o torque novamente se anula, a corrente novamente inverte seu sentido, novo torque e a bobina chegam novamente á situação (a) giro de 360o. E o ciclo se repete.

Essas atrações e repulsões bem coordenadas é que fazem o rotor girar, embora o modo como tais torques sejam obtidos possam variar entre os vários tipos de motores. A inversão do sentido da corrente, no momento oportuno, é condição indispensável para a manutenção dos torques 'favoráveis', os quais garantem o funcionamento dos motores. É por isso que um motor não pode ser feito exclusivamente com ímãs permanentes!

MOTORES CC

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Fazer um motor elétrico que possa ser acionado por pilhas ou baterias não é tão fácil como parece. Não basta apenas colocar ímãs permanentes fixos e uma bobina, pela qual circule corrente elétrica, de modo que possa girar entre os pólos desses ímãs.

Uma corrente contínua, como o é a fornecida por pilhas ou baterias, é muito boa para fazer eletroímãs com pólos imutáveis mas, como para o funcionamento do motor é preciso periódicas mudanças de polaridade, algo tem que ser feito para inverter o sentido da corrente nos momentos apropriados.

Na maioria dos motores elétricos CC, o rotor é um 'eletroímã' que gira entre os pólos de ímãs permanentes estacionários. Para tornar esse eletroímã mais eficiente o rotor contém um núcleo de ferro, que se torna fortemente magnetizado, quando a corrente flui pela bobina. O rotor girará desde que essa corrente inverta seu sentido de percurso cada vez que seus pólos alcançam os pólos opostos do estator.

O modo mais comum para produzir essas reversões é usar um comutador.

A corrente flui ora num sentido ora no outro, no rotor desse motor CC, graças às escovas de metal (esquerda da ilustração). Essas escovas tocam o comutador do rotor de forma que a corrente inverte seu sentido a cada meia volta do rotor.

Video 1 - Clique aqui para ver o vídeo de como montar um motor elétrico simples, do modo mais fácil...

DIRECIONANDO PARA O TRABALHO. MOTOR ELÉTRICO SIMPLES

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O QUE É UM MOTOR ELÉTRICO SIMPLES

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É uma máquina destinada a transformar energia elétrica em mecânica. É o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da utilização de energia elétrica – baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando – com sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO

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Se colocarmos uma bobina entre dois ímãs fixos, sem tocar neles, ela aponta seu pólo norte para o pólo sul do ímã e vice versa. Mas, como os pólos da bobina são determinados pelo sentido da corrente que passa pelo fio, quando o invertemos, os pólos também se invertem o que faz com que a bobina se mova novamente. Se essa inversão da corrente for constante, ela não pára de girar. Na época de Faraday, como a única fonte de energia elétrica disponível era a de uma pilha, de corrente contínua, a mudança de sentido dá corrente se dava através de um sistema chamado comutador, até hoje usado em brinquedos e outros pequenos motores.

Este é o princípio do funcionamento do motor elétrico. Para que o movimento aconteça, é preciso que haja uma interação entre os campos magnéticos de um estator (parte fixa do sistema) e um rotor (parte móvel). Depois de Faraday, muitos outros cientistas começaram a especular sobre o fenômeno da eletricidade. O engenheiro-eletricista e inventor belga Zénobe Théophile Gramme construiu, em 1869, um motor que também se comportava como gerador - a máquina inversa. Ou seja, quando ligada a uma corrente elétrica, produzia energia motora. E, quando movida por uma força motora, produzia energia elétrica. O invento foi chamado dínamo Gramme e apresentado em Viena em 1873. Alguns anos depois, foi exposta na Universidade Técnica de Graz, na Austria, onde encantou o aluno iugoslavo Nikola Tesla.

QUEM INVENTOU?

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Em 1820, o cientista dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851) não imaginou que com uma singela experiência descobriria um princípio físico fundamental para o funcionamento desse tipo de motor. Oersted passou uma corrente elétrica, gerada por uma pilha, por um fio condutor e depois aproximou desse fio uma bússola; a agulha, que é um ímã (uma barra magnética), mexeu-se e alinhou-se perpendicularmente ao fio. Para o cientista, o fato só poderia dizer uma coisa: em volta do fio havia um campo magnético, que agiu sobre o outro campo, o da agulha. Com isso, estabeleceu-se pela primeira vez a relação entre eletricidade e magnetismo.

O físico francês André-Marie Ampere (1775-1836), um gênio da Matemática, após tomar conhecimento das experiências do dinamarquês, começou a formular uma lei do eletromagnetismo, chegando à conclusão de que as linhas de força criadas pelo fio eletrizado - o campo magnético - são circulares, ou seja, formam uma espécie de cilindro invisível em volta do condutor.

Até então, pensava-se que o campo magnético caminhava apenas em linha reta, de um ímã para outro. Também pesquisando a ligação entre eletricidade e magnetismo, estava o inglês.

Nascido em Newington, perto de Londres, ele era físico e químico, mas de formação teórica precária. Por isso, valorizava a experiência como prova dos fenômenos naturais. Graças à sua curiosidade e a metódicas experiências, ele pôde demonstrar em 1822 o campo magnético circular. Faradayencheu com mercúrio - um metal condutor - duas taças especialmente desenhadas, de modo a ter um fio elétrico saindo do seu fundo. Numa delas fixou verticalmente uma barra magnetizada. Na outra, deixou frouxo outro magneto. Na primeira taça, quando um fio elétrico pendurado acima da taça tocava o mercúrio, fechando o circuito, esta se punha a girar em volta do ímã. Na outra taça, onde o fio estava frouxo, quando ligado à corrente o magneto girava em torno do fio central. Este foi o primeiro motor elétrico, o autêntico ancestral das máquinas de hoje.

Nove anos depois, Faraday notou que se colocasse um ímã dentro de uma bobina, em cujo fio passasse energia elétrica, este se moveria de forma a acompanhar as linhas de força da bobina; demonstrou assim que uma bobina eletrizada é também um ímã.

APLICAÇÕES

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Continuando o assunto sobre motores, vamos falar agora sobre aplicação, ou seja como escolher o motor adequado para cada tipo de máquina conforme as características dessa, quanto a : Conjugado, fator de potência, rendimento, elevação de temperatura, isolação, tensão e grau de proteção mecânica.Alguns fatores deverão ser levados em conta no momento da análise para a escolha: custo, capacidade da rede, necessidade de correção do fator de potência, conjugados requeridos, efeitos da inércia da carga, necessidade ou não de regulação de velocidade e ambientes, como: umidade, poeira, atmosfera corrosiva, etc.A aplicação de motores assíncronos de gaiola cobre a maioria dos casos, no entanto, algumas aplicações exigem motores de rotor bobinado e anéis, nos casos de partida de cargas de alta inércia (pesadas), acionamentos de velocidades ajustáveis, ou quando é necessário limitar a corrente de partida e manter o conjugado.Alem do mais é necessário verificar o tipo de carga a ser acionada pelo motor e seu comportamento quanto a potência e conjugado.

SEÇÃO IMAGENS

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