Motor-C.A. elétrica SGMP-15A3A4EPU servo 3000RMP do servo motor 4.77N.m de Yaskawa

Um motor DC simples possui uma bobina de fio que pode girar em um campo magnético. A corrente na bobina é fornecida através de duas escovas que fazem contato móvel com um anel dividido. A bobina está em um campo magnético constante. As forças exercidas nos fios condutores de corrente criam um torque na bobina.

A força F sobre um fio de comprimento L que transporta uma corrente i em um campo magnético B é iLB vezes o seno do ângulo entre B e i, que seria 90° se o campo fosse uniformemente vertical. A direção de F vem da regra da mão direita*, conforme mostrado aqui. As duas forças mostradas aqui são iguais e opostas, mas são deslocadas verticalmente, portanto exercem um torque. (As forças nos outros dois lados da bobina atuam ao longo da mesma linha e, portanto, não exercem torque.)

A bobina também pode ser considerada um dipolo magnético, ou um pequeno eletroímã, conforme indicado pela seta SN: enrole os dedos da mão direita na direção da corrente, e o polegar é o pólo Norte. No desenho à direita, o eletroímã formado pela bobina do rotor é representado como um ímã permanente, e o mesmo torque (Norte atrai Sul) é visto como aquele que atua para alinhar o ímã central.

• Durante todo o processo, usamos o azul para o Pólo Norte e o vermelho para o Pólo Sul. Esta é apenas uma convenção para tornar a orientação clara: não há diferença no material em nenhuma das extremidades do íman e normalmente não são pintados com uma cor diferente.

Observe o efeito dopincéisnoanel dividido. Quando o plano da bobina rotativa atingir a horizontal, as escovas quebrarão o contato (não se perde muito, porque de qualquer maneira este é o ponto de torque zero – as forças atuam para dentro). O momento angular da bobina passa por esse ponto de ruptura e a corrente flui na direção oposta, o que inverte o dipolo magnético. Assim, após passar o ponto de ruptura, o rotor continua girando no sentido anti-horário e começa a se alinhar na direção oposta. No texto a seguir, usarei amplamente a imagem do “torque em um ímã”, mas esteja ciente de que o uso de escovas ou de corrente CA pode fazer com que os pólos do eletroímã em questão troquem de posição quando a corrente muda de direção.

O torque gerado ao longo de um ciclo varia com a separação vertical das duas forças. Depende, portanto, do seno do ângulo entre o eixo da bobina e o campo. Porém, por causa do anel dividido, é sempre no mesmo sentido. A animação abaixo mostra sua variação no tempo, e você pode interrompê-la a qualquer momento e verificar a direção aplicando a regra da mão direita.

Agora, um motor DC também é um gerador DC. Dê uma olhada na próxima animação. A bobina, o anel dividido, as escovas e o ímã são exatamente iguais ao motor acima, mas a bobina está sendo girada, o que gera uma fem.

Se você usar energia mecânica para girar a bobina (N voltas, área A) a uma velocidade angular uniforme ω no campo magnéticoB, produzirá uma fem sinusoidal na bobina. fem (uma fem ou força eletromotriz é quase a mesma coisa que uma tensão). Seja θ o ângulo entreBe a normal à bobina, então o fluxo magnético φ é NAB.cos θ. A lei de Faraday dá:

• fem = − dφ/dt = − (d/dt) (NBA cos θ)

  = NBA sen θ (dθ/dt) = NBAω sen ωt.

A animação acima seria chamada de gerador DC. Como no motor DC, as extremidades da bobina se conectam a um anel bipartido, cujas duas metades são contatadas pelas escovas. Observe que as escovas e o anel dividido 'retificam' a fem produzida: os contatos são organizados de forma que a corrente flua sempre na mesma direção, pois quando a bobina passa pelo ponto morto, onde as escovas encontram a lacuna no anel, as conexões entre as extremidades da bobina e os terminais externos são invertidas. A fem aqui (desprezando o ponto morto, que convenientemente acontece em zero volts) é |NBAω sen ωt|, conforme esboçado.

Se quisermos AC, não precisamos de recificação, portanto não precisamos de anéis divididos. (Esta é uma boa notícia, porque os anéis divididos causam faíscas, ozônio, interferência de rádio e desgaste extra. Se você quiser CC, geralmente é melhor usar um alternador e retificar com diodos.)

Na próxima animação, as duas escovas entram em contato com dois anéis contínuos, de modo que os dois terminais externos estão sempre conectados às mesmas extremidades da bobina. O resultado é a fem senoidal não retificada dada por NBAω sin ωt, que é mostrada na próxima animação.

Agora, como mostram as duas primeiras animações, motores CC e geradores podem ser a mesma coisa. Por exemplo, os motores dos comboios tornam-se geradores quando o comboio está a abrandar: convertem energia cinética em energia eléctrica e devolvem energia à rede. Recentemente, alguns fabricantes começaram a fabricar automóveis de forma racional. Nesses carros, os motores elétricos usados ​​para dirigir o carro também são usados ​​para carregar as baterias quando o carro está parado - isso é chamado de frenagem regenerativa.

Então aqui está um corolário interessante.Todo motor é um gerador. Isto é verdade, em certo sentido, mesmo quando funciona como um motor. A fem que um motor gera é chamada defem de volta. A fem posterior aumenta com a velocidade, por causa da lei de Faraday. Portanto, se o motor não tiver carga, ele gira muito rapidamente e acelera até que a fem traseira, mais a queda de tensão por perdas, iguale a tensão de alimentação. A fem traseira pode ser considerada um 'regulador': ela faz com que o motor gire infinitamente rápido (poupando assim algum constrangimento aos físicos). Quando o motor está carregado, a fase da tensão fica mais próxima da da corrente (começa a parecer resistiva) e essa resistência aparente dá uma tensão. Portanto, a fem traseira necessária é menor e o motor gira mais lentamente. (Para adicionar a fem traseira, que é indutiva, ao componente resistivo, você precisa adicionar tensões que estão fora de fase. Consulte circuitos CA.)

As bobinas geralmente têm núcleos

Na prática (e ao contrário dos diagramas que desenhamos), os geradores e motores CC têm frequentemente um núcleo de alta permeabilidade dentro da bobina, de modo que grandes campos magnéticos são produzidos por correntes modestas. Isso é mostrado à esquerda na figura abaixo, na qual oestatores(os ímãs que são estacionários) são ímãs permanentes.

Os ímãs do estator também poderiam ser feitos como eletroímãs, como mostrado acima à direita. Os dois estatores são enrolados na mesma direção de modo a dar um campo na mesma direção e o rotor tem um campo que inverte duas vezes por ciclo porque está conectado a escovas, que são omitidas aqui. Uma vantagem de ter estatores enrolados em um motor é que é possível fabricar um motor que funcione em CA ou CC, o chamadomotor universal. Quando você aciona esse motor com CA, a corrente na bobina muda duas vezes em cada ciclo (além das mudanças nas escovas), mas a polaridade dos estatores muda ao mesmo tempo, então essas mudanças são canceladas. (Infelizmente, porém, ainda existem pincéis, embora eu os tenha escondido neste esboço.)

Para construir este motor simples, mas estranho, você precisa de dois ímãs bastante fortes (ímãs de terras raras com cerca de 10 mm de diâmetro seriam adequados, assim como ímãs de barra maiores), algum fio de cobre rígido (pelo menos 50 cm), dois fios com clipes de crocodilo em cada extremidade, uma bateria de lanterna de seis volts, duas latas de refrigerante, dois blocos de madeira, um pouco de fita adesiva e um prego afiado.

Faça a bobina com fio de cobre rígido, para que não precise de nenhum suporte externo. Enrole 5 a 20 voltas em um círculo com cerca de 20 mm de diâmetro e faça com que as duas extremidades apontem radialmente para fora em direções opostas. Essas extremidades serão o eixo e os contatos. Se o fio tiver laca ou isolamento plástico, retire-o nas pontas.

Com correntes CA, podemos inverter as direções do campo sem a necessidade de usar escovas. Esta é uma boa notícia, porque podemos evitar o arco voltaico, a produção de ozônio e a perda ôhmica de energia que as escovas podem acarretar. Além disso, como as escovas fazem contato entre superfícies móveis, elas se desgastam.

A primeira coisa a fazer em um motor CA é criar um campo rotativo. A CA 'comum' de um soquete de 2 ou 3 pinos é CA monofásica - tem uma única diferença de potencial senoidal gerada entre apenas dois fios - o ativo e o neutro. (Observe que o fio terra não transporta corrente, exceto no caso de falhas elétricas.) Com CA monofásico, pode-se produzir um campo rotativo gerando duas correntes desfasadas usando, por exemplo, um capacitor. No exemplo mostrado, as duas correntes estão 90° fora de fase, então a componente vertical do campo magnético é senoidal, enquanto a horizontal é cosusoidal, como mostrado. Isso fornece um campo girando no sentido anti-horário.

(* Pediram-me para explicar isso: nem as bobinas nem os capacitores têm a tensão em fase com a corrente. Em um capacitor, a tensão é máxima quando a carga termina de fluir para o capacitor e está prestes a começar a fluir. Portanto, a tensão está atrás da corrente. Em uma bobina puramente indutiva, a queda de tensão é maior quando a corrente está mudando mais rapidamente, o que também ocorre quando a corrente é zero. A tensão (queda) está à frente da corrente. Nas bobinas do motor, o ângulo de fase é um pouco menor do que 90¡, porque a energia elétrica está sendo convertida em energia mecânica.)

Nesta animação, os gráficos mostram a variação no tempo das correntes nas bobinas verticais e horizontais. O gráfico dos componentes do campo B_xe B_simmostra que a soma vetorial desses dois campos é um campo rotativo. A imagem principal mostra o campo rotativo. Também mostra a polaridade dos ímãs: como acima, o azul representa o pólo Norte e o vermelho o pólo Sul.

Se colocarmos um ímã permanente nesta área do campo rotativo, ou se colocarmos uma bobina cuja corrente sempre corre na mesma direção, então isso se tornará ummotor síncrono. Sob uma ampla gama de condições, o motor girará na velocidade do campo magnético. Se tivermos muitos estatores, em vez de apenas os dois pares mostrados aqui, poderíamos considerá-lo como um motor de passo: cada pulso move o rotor para o próximo par de pólos acionados. Lembre-se do meu aviso sobre a geometria idealizada: motores de passo reais têm dezenas de pólos e geometrias bastante complicadas!

Agora, como temos um campo magnético variável no tempo, podemos utilizar a fem induzida numa bobina – ou mesmo apenas as correntes parasitas num condutor – para transformar o rotor num íman. É isso mesmo, uma vez que você tenha um campo magnético giratório, basta colocar um condutor e ele gira. Isto dá vários dosvantagens dos motores de indução: sem escovas ou comutador significa fabricação mais fácil, sem desgaste, sem faíscas, sem produção de ozônio e sem perda de energia associada a eles.

A animação à direita representa ummotor de gaiola de esquilo. A gaiola de esquilo tem (pelo menos nesta geometria simplificada!) dois condutores circulares unidos por diversas barras retas. Quaisquer duas barras e os arcos que as unem formam uma bobina – conforme indicado pelos traços azuis na animação. (Apenas dois dos muitos circuitos possíveis foram mostrados, para simplificar.)

Este esquema sugere por que eles podem ser chamados de motores de gaiola de esquilo. A realidade é outra: pelas fotos e mais detalhes. O problema com os motores de indução e de gaiola de esquilo mostrados nesta animação é que capacitores de alto valor e alta tensão são caros. Uma solução é o motor de 'pólo sombreado', mas seu campo rotativo tem algumas direções onde o torque é pequeno e tem tendência a funcionar para trás sob algumas condições. A maneira mais simples de evitar isso é usar motores multifásicos.

A fase monofásica é usada em aplicações domésticas para aplicações de baixa potência, mas apresenta algumas desvantagens. Uma é que ele desliga 100 vezes por segundo (você não percebe que as luzes fluorescentes piscam nessa velocidade porque seus olhos são muito lentos: mesmo 25 imagens por segundo na TV são rápidas o suficiente para dar a ilusão de movimento contínuo). A segunda é que torna difícil produzir campos magnéticos rotativos. Por esta razão, alguns dispositivos domésticos de alta potência (vários kW) podem necessitar de instalação trifásica. As aplicações industriais usam extensivamente trifásico, e o motor de indução trifásico é um carro-chefe padrão para aplicações de alta potência. Os três fios (sem contar a terra) carregam três possíveis diferenças de potencial que estão defasadas entre si em 120°, conforme mostrado na animação abaixo. Assim, três estatores fornecem um campo giratório suavemente.

Se colocarmos um ímã permanente em tal conjunto de estatores, ele se tornará ummotor trifásico síncrono. A animação mostra uma gaiola de esquilo, na qual, por simplicidade, apenas um dos muitos circuitos de corrente induzida é mostrado. Sem carga mecânica, ele gira praticamente em fase com o campo rotativo. O rotor não precisa ser uma gaiola de esquilo: na verdade, qualquer condutor que transporte correntes parasitas girará, tendendo a seguir o campo giratório. Este arranjo pode dar umamotor de induçãocapaz de alta eficiência, alta potência e altos torques em uma faixa de taxas de rotação.

Um conjunto de bobinas pode ser usado para criar um campo magnético que se traduz, em vez de girar. O par de bobinas na animação abaixo é pulsado, da esquerda para a direita, de modo que a região do campo magnético se move da esquerda para a direita. Um permanente ou eletroímã tenderá a seguir o campo. O mesmo aconteceria com uma simples placa de material condutor, porque as correntes parasitas induzidas nela (não mostradas) compreendem um eletroímã. Alternativamente, poderíamos dizer que, a partir da lei de Faraday, uma fem na placa metálica é sempre induzida de modo a opor-se a qualquer mudança no fluxo magnético, e as forças nas correntes impulsionadas por esta fem mantêm o fluxo na placa quase constante. (Correntes parasitas não mostradas nesta animação.)