Olá, caro visitante! Se sua dúvida é
sobre motores elétricos, muito bem, você está no lugar certo. Neste post iremos
falar sobre o funcionamento de motores elétricos, tanto o de corrente alternada
(AC/CA) tanto o de corrente contínua (DC/CC).
Antes iremos dar uma pequena introdução. Você já deve ter
percebido que os motores elétricos são os mais utilizados no mundo. Se você
pensava que era o motor de combustão, está na hora de corrigir isso. Enquanto
você tem um ou dois veículos em sua garagem, dentro de sua casa há pelo menos
um ventilador, ou dois, se tiver um de teto em todos os cômodos, já adicione
uns 4 motores elétricos girando em cima de você em dias quentes, uma máquina de
lavar roupa, um liquidificador, uma geladeira, ar condicionado, aspirador de pó,
etc, até aí quase 10 motores elétricos contra 2 à combustão. Some a sua casa
indústrias que tem seu maquinário composto por máquinas elétricas e a própria
hidrelétrica que fornece energia para sua casa! Pois é, provavelmente a fonte
de trabalho mais usada no mundo!
Para efeito histórico, os motores movidos a energia elétrica
começaram a engatinhar, de forma muito leve, com o cientista dinamarquês Hans
Christian Oersted (1777-1851), que descobriu o princípio de eletromagnetismo,
sendo refinado pelo físico francês André-Marie Ampere (1775-1836), concluindo que
o campo magnético gerado pela a eletricidade passante em um fio era circular.
Michael Faraday (1791-1867) fez alguns experimentos para tentar comprovar esse
tal magnetismo circular em 1822, fazendo sem querer o primeiro motor elétrico.
Depois disso, muitos outros cientistas tentaram aperfeiçoar essa nova
tecnologia, culminado com Nikola Tesla e George Westinghouse, em uma feira em
1893, assim também protagonizando o uso de corrente alternada (AC/CA), que
antes de Tesla era em sua maior parte DC/CC.
Como já falei de mais algumas curiosidades vamos ao post em
si.
Como você deve ter lido a pequena introdução com
curiosidades, o motor elétrico tem princípio de funcionamento eletromagnético,
isto é, usa forças magnéticas para efetuar seu giro, sendo eletro porque a
formação de um motor elétrico não é composta puramente por imãs fixos, tenho imãs
elétricos e mutáveis, podendo alterar de polos (se você não sabe, imãs possuem
polo Norte e polo Sul).
Funcionamento
Mas como forças magnéticas fazem com que o motor gire?
Simples: com os princípios de atração e repulsão.
Uma coisa que temos de mencionar é que os motores elétricos
são compostos pelo rotor (parte que gira) e estator (parte que faz girar), isso
para compreender melhor esse tipo de motor.
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 polos magnéticos do rotor e aqueles do estator. Forças
de atração ou de repulsão, desenvolvidas entre estator e rotor, 'puxam' ou
'empurram' os polos 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 polos que produzem o torque
necessário para fazer o rotor girar.
Todavia, mesmo que ímãs permanentes sejam frequentemente
usados, principalmente em pequenos motores, pelo menos alguns dos 'imãs' 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.
É condição necessária que algum 'polo' 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.
Vamos entender melhor essa foto:
a) Os polos magnéticos da bobina
(representados como ímã) são atraídos pelos polos opostos dos ímãs fixos.
b) A bobina gira para levar esses polos
magnéticos o mais perto possível um do outro, mas
c) ao chegar nessa posição o sentido da
corrente é invertido e
d) agora os polos 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 magnéticos essa bobina se comporta como um ímã
permanente, com seus polos 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 polos 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 os polos da
bobina alcancem os polos 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 polos 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 -- não ilustrada na figura --, 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 chega novamente a
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!
A seguir, vamos examinar como essa
'condição indispensável para a manutenção dos torques favoráveis' é
implementada nos diferentes tipos de motores. Perceba, por exemplo, que nas
explicações acima, nada foi dito sobre 'como inverter o sentido da corrente'.
Motores DC/CC
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 torna-se 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.
Em sua forma mais simples, um
comutador apresenta duas placas de cobre encurvadas e fixadas (isoladamente) no
eixo do rotor; os terminais do enrolamento da bobina são soldados nessas
placas. A corrente elétrica 'chega' por uma das escovas (+), 'entra' pela placa
do comutador, 'passa' pela bobina do rotor, 'sai' pela outra placa do comutador
e 'retorna' á fonte pela outra escova (-). Nessa etapa o rotor realiza sua
primeira meia-volta. Eis um visual completo:
Nessa meia-volta, as placas do
comutador trocam seus contatos com as escovas e a corrente inverte seu sentido
de percurso na bobina do rotor. E o motor CC continua girando, sempre com o
mesmo sentido de rotação.
Mas, o motor CC acima descrito tem
seus problemas. Primeiro não há nada que determine qual será o sentido de sua
rotação na partida, tanto poderá iniciar girando para a 'esquerda' como para a
'direita'. Segundo, é que por vezes, as escovas pode iniciar tocando ambas as
placas ou eventualmente nenhuma; o motor 'não dá partida'! Para que a partida se
dê com total confiança e no sentido certo é preciso que as escovas sempre
'enviem' corrente para o rotor e que não ocorra nenhum curto circuito entre as
placas devido às escovas.
Na maioria dos motores CC consegue-se
tais exigências colocando-se várias bobinas no rotor, cada uma com seu par de
placas no comutador. Conforme o rotor gira, as escovas suprem a corrente para
as bobinas, uma de cada vez, uma após a outra. A 'largura' das escovas também
deve ser bem planejada.
O rotor de um motor CC gira com velocidade
angular que é proporcional à tensão aplicada em suas bobinas. Tais bobinas têm
pequena resistência elétrica e conseqüentemente seriam percorrida por intensas
correntes elétricas se o rotor permanecesse em repouso. Todavia, uma vez em
movimento, as alterações do fluxo magnético sobre tais bobinas, geram uma força
contra-eletromotriz (f.c.e.m.), extraem energia daquela corrente e baixa as
tensões elétricas sobre tais bobinas. O torque resultante se anulará quando
essa f.c.e.m. se igualar á tensão elétrica aplicada; a velocidade angular passa
a ser constante.
Em geral, 'carregando-se' o motor
(ligando seu eixo a algo que deve ser movimentado) sua rotação não varia
acentuadamente, mas, uma maior potência será solicitada da fonte de alimentação
(aumenta a intensidade de corrente de alimentação). Para alterar a velocidade
angular devemos alterar a tensão aplicada ao motor.
O sentido de rotação do rotor depende
das assimetrias do motor e também do sentido da corrente elétrica;
invertendo-se o sentido da corrente o motor começará a girar 'para trás'. É
assim que fazemos um trenzinho de brinquedo 'andar para trás'; invertemos o
sentido da corrente em seu rotor.
Acho que já falei de mais nessa
postagem né pessoal, por isso vou parar aqui. Neste post optei falar pelos mais
conhecidos que muita gente tem dúvida, dos principais ainda faltam motores
universais (usam tanto AC quanto DC) motores AC síncronos, motores AC de
indução e motores de passo. Quem sabe se quererem nós postamos uma segunda
parte sobre esse tema de motores. Por aqui é só pessoal, até mais, tchau!
Obrigado pela sua visita!
História Motor Elétrico
Princípio de Motor DC
Motores Elétricos
Motor Elétrico
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