Motor CC: Saiba como Funciona e de que forma Especificar.
Um motor
cc nada mais é do que um motor alimentado por corrente contínua (CA),
sendo esta alimentação proveniente de uma bateria ou qualquer outra
de alimentação CC. A sua comutação (troca de energia entre rotor e estator)
pode ser através de escovas (escovado) ou sem escovas (brushless) e com
relação a velocidade, o motor cc pode ser controlado apenas
variando a sua tensão, diferentemente de um motor elétrico de
corrente alternada (CA) cuja a velocidade é variada pela frequência.
Vejamos mais a frente como funciona este tipo de motor.
Como
explicado, os motores elétricos CA necessitam de uma mudança na frequência
caso houver a necessidade de variar sua velocidade, envolvendo assim um
controle de velocidade mais complexo e dispendioso. Por outro lado, o motor
cc precisa apenas de uma mudança no nível de tensão para que possamos
variar sua velocidade- Assim, ele torna-se mais adequado para equipamentos
alimentados por níveis de tensão de 24 Vcc ou 12 Vcc como no caso dos automóveis,
ou aplicações industriais que exigem um controle fino de velocidade.
Ao
selecionar um motor cc, é fundamental que você identifique as
principais especificações de desempenho, além dos requisitos de potência e
tamanho. Também é importante considerar os requisitos ambientais para
a sua aplicação.
Este
artigo foi escrito de forma a explicar como o motor cc funciona e
visa facilitar o processo de seleção de motores elétricos de
corrente contínua. Assim, após entender os conceitos envolvidos no
funcionamento, vamos poder analisar quais são as características
importantes para a correta especificação de um motor CC.
1 –
Como Funciona o Motor CC?
Um motor
CC é composto por um eixo acoplado ao rotor que é a parte girante do
motor. Na Figura 1, o estator é composto por um ímã e o comutador tem a
função de transferir a energia da fonte de alimentação ao rotor. Na Figura 1 é
também é possível observar as partes que compõem um motor CC.
1.1 – O Princípio de Funcionamento
Na
Figura 2, o estator é constituído pelos ímãs (norte e sul) e o rotor é
representado por uma bobina que é alimentada pelo comutador em que circula uma
corrente I.
O
princípio básico de funcionamento do motor CC é o seguinte: “Sempre que um
condutor conduzindo uma corrente elétrica (em vermelho) é colocado em um
campo magnético (em azul), este condutor experimenta uma força mecânica (em
verde)” gerando o torque e o giro do eixo do motor.
1.2 – A Corrente
Ao
alimentar o comutador com tensão CC, é gerada uma corrente contínua que é
transferida para a bobina através do contato das escovas do comutador com esta
bobina. Assim, a função do comutador é ser o elo entre a fonte de
alimentação e o rotor do motor CC e ele é composto por escovas condutoras
que fazem o contato com o eixo girante do motor CC. Aqui, chamamos a corrente
que circula pela bobina de I.
1.3 – O Campo Magnético
O
campo magnético é gerado entre os pólos norte e sul do ímã e possui um sentido
partindo do norte para o sul. O torque que vai impulsionar a bobina e por
sua vez o rotor, como podemos observar na Figura 5 será proporcional ao
campo magnético entre os ímãs. A densidade de fluxo magnético é
chamada aqui de B.
1.4 -A Força e o Torque
A
direção da força mecânica é dada pela regra da mão esquerda de Fleming e sua
magnitude é dada por:
F
= ILB, onde:
·
B =
densidade de fluxo magnético,
·
I =
corrente da bobina,
·
L =
comprimento do condutor no campo magnético
2 –
Especificação de um Motor CC
2.1 – Especificações Básicas ou
Primárias
Existem
três fatores principais que você precisa levar em consideração quando for
selecionar um Motor CC: A velocidade, o torque e a tensão. Sabendo estas três
especificações, você será capaz de saber qual o motor e fabricante
atenderá suas necessidades.
Velocidade
do eixo: Um
motor CC aplica uma tensão (V) para rodar um eixo a uma velocidade de
rotação proporcional (ω). As especificações de velocidade do eixo geralmente se
referem à velocidade sem carga, que é a velocidade máxima que o motor pode
alcançar quando não há torque aplicado. Tipicamente, a velocidade do
eixo é dada em rotações ou rotações por minuto (RPM). Estas rotações ou
revoluções também podem ser representadas em radianos por segundo
(rad/s) e para cálculos numéricos, o valor em radianos pode
ser mais conveniente. A seguinte fórmula descreve a relação entre radianos
por segundo e rotações ou rotações por minuto.
ωrad/s =
ωrpm · (2π/60)
Para
um motor CC ideal (que não possui perdas), a velocidade rotacional é
proporcional à tensão fornecida, sendo:
ω =
j · V
onde j
é uma constante de proporcionalidade, dada em rad/(s.V).
Torque
de saída: A
rotação do eixo gera uma força de rotação chamada torque (τ). O torque é dado
em unidades de força-distância (lb-ft, oz-in, N-m, etc.) ele pode ser de
dois tipos: torque de partida ou torque contínuo. O torque de
partida é o τ no qual a velocidade do eixo é zero ou o motor está
parado. Já o torque contínuo é o máximo τ em condições normais de
funcionamento.
Observe abaixo pela fórmula que o torque (τ) de um motor
CC é proporcional à corrente de indução (I), sendo que neste caso
temos a constante de torque (k). A seguinte equação descreve as relações
entre torque e corrente.
τ =
k · I ou I = τ / k
A
importância da constante de torque é evidenciada na equação acima. Para um dado
torque, um valor alto de k limita a corrente a um valor baixo. Esta é uma medida
de eficiência, uma vez que um menor consumo de corrente significa menor
dissipação de energia (calor). Conhecendo a constante de torque e o torque
produzido podemos calcular a corrente através da armadura, que é
utilizada para sabermos a classificação de temperatura (como será
mostrado mais adiante). Como o toque é proporcional à velocidade, podemos
traçar um gráfico de torque x velocidade conforme Figura 7:
Tensão disponível: Os motores de corrente contínua
podem ser projetados para operar a uma tensão específica caso houver a
necessidade. No entanto sempre devemos observar a disponibilidade de fonte de
alimentação adequada para cada aplicação. As fontes de alimentação
mais comuns no mercado são 12Vcc e 24Vcc, mas é comum conversores que realizam
a retificação de tensões em 110V e 220V a fim de fornecer qualquer nível de
tensão necessário para a sua aplicação. Não se esqueça que como a velocidade
depende da tensão, a alimentação poderá ser um limitante caso não for feita uma
especificação adequada do motor CC.
2.2 – Especificações Derivadas ou
Secundárias
As
folhas de dados dos motores CC também possuem parâmetros que são derivados ou
relacionados com os requisitos fundamentais (tensão, velocidade e torque).
Podemos citar:
Potência
de saída: Uma
especificação comum e importante é a potência nominal de saída (Po) que
representa o produto do torque pela velocidade do motor. Na forma de
equação, a potência de saída é dada por:
Po =
τ · ω
A
potência máxima de saída ocorre quando o motor está em 50% da velocidade
sem carga e 50% do torque de parada e muitos fornecedores especificam a
potência de saída em termos de CV ou HP. Lembre-se que para converter um valor
calculado de potência de unidades de watts (W) para unidades de HP, divida a
potência em Watts por 746.
Dissipação
de potência: A
corrente produzida em um motor de corrente contínua aquece o mesmo e cria
uma potência dissipada (Pdis). A valor de Pdis está relacionado com a
resistência total do sistema (RT), que é a resistência de todo o
conjunto do motor incluindo as perdas por atrito no estator
(Rstator) e no rotor (Rrotor). Através da corrente do motor, podemos calcular a
dissipação de potência e, por sua vez, o aumento da temperatura do rotor (ΔT)
devido à rotação. A partir de ΔT, a temperatura total do motor (TM) pode
ser calculada pela adição da temperatura ambiente (Tamb). As seguintes
equações ilustram os passos utilizados para calcular a temperatura final do
motor:
Pdis =
I2RT
RT =
Rrotor + Rstator (exceto para o motor cc de íma
permanente)
ΔT =
Pdis(Rtot)
TM =
Tamb + ΔT
2.3 – Parâmetros de Construção
A
adequação de um motor CC para uma aplicação também depende da sua construção,
outro aspecto do processo de seleção. Existem vários tipos diferentes de
motores de corrente contínua, cada um dos quais oferece vantagens e
desvantagens com base na sua construção. Vejamos abaixo as características
de cada um no que tange à construção:
Os Motores
de Derivação apresentam variação mínima de velocidade através da faixa
de carga e podem ser configurados para potência constante em uma faixa de
velocidade ajustável. Eles são usados para aplicações onde há necessidade
de controle preciso de velocidade e torque. Na Figura abaixo você pode ver
uma curva típica de velocidade x torque para um motor de derivação, onde
o torque permanece relativamente constante em uma grande faixa de
velocidade.
Os Motores
Bobinados em Série exibem altos torques de partida para cargas
permanentemente conectadas que são necessárias a fim de evitar danos em
condições de alta velocidade. Estes motores desenvolvem um grande torque e
podem ser operados a baixas velocidades. Eles são mais adequados para
aplicações industriais pesadas que exigem cargas maiores movendo-se
lentamente ou cargas mais leves movendo-se rapidamente. Abaixo,
podemos ver uma curva típica de velocidade x torque para motores com
bobina em série:
Os Motores
Bobinados Compostos são projetados com bobinas derivadas
compostas para aplicações de velocidade constante que requerem torque mais
elevado. Eles são freqüentemente usados onde a carga primária requer um
torque de partida alto e a velocidade ajustável não é necessária. As aplicações
incluem elevadores, guindastes e equipamentos para lojas industriais. Abaixo
podemos ver uma curva típica de velocidade x torque para os motores de bobina
compostos, combinando características de derivação em série:
Motores
CC de ímã permanente possuem um
ímã permanentemente embutido em sua montagem (no estator). Eles oferecem
velocidade constante com carga variável (escorregamento zero) e excelente
torque de partida. Comparado com os outros tipos, a construção de ímã
permanente proporciona maior eficiência e menores ajustes de velocidade.
Abaixo podemos ver uma curva de velocidade para motores de ímã permanente, com
proporcionalidade de torque e velocidade linear.
Motores
CC com armadura em forma de disco, também chamados de “panquecas” ou “discos
impressos”, utilizam rotores planos movidos por um campo magnético alinhado
axialmente. Sua construção fina permite baixa inércia, resultando em alta
aceleração. Esses motores são bons para aplicações que exigem uma
rá PID a inicialização e desligamento enquanto acoplados a uma
carga constante, como em um veículo elétrico. Veja abaixo o desenho de uma
armadura a disco:
Os
Motores CC sem Núcleo e
sem ranhura incorporam um enrolamento cilíndrico que está fisicamente fora de
um conjunto de ímãs permanentes. Devido ao fato do enrolamento ser
laminado e não existir gaiola de ferro, motores cc sem núcleo
possuem inércia muito menor. Possuem alta aceleração, eficiência e
excelente controle de velocidade com pouca ou nenhuma vibração. Eles são
comumente usados como servo motor para
aplicações de controle de processo.
Comutação
A
comutação do motor de CC pode ser com ou sem escovas (brushless), sendo
que cada tipo oferece vantagens específicas.
Os
motores elétricos escovados usam
escovas de contato que se conectam com o comutador para alimentar o rotor. A
construção escovada é menos onerosa do que o motor sem escovas e o controle é
mais simples e barato. Outra característica é que o escovado pode operar em
ambientes extremos devido à sua ausência interna de
componentes eletrônicos. Por outro lado, motores escovados
exigem manutenção periódica
para substituição das escovas desgastadas.
Os
motores sem escovas ou Brushless usam um ímã permanente incorporado no
conjunto do rotor. Eles podem usar um ou mais dispositivos de Efeito Hall para
detectar a posição do rotor e uma eletrônica de acionamento
associada a ele controla a rotação do eixo (velocidade). Os motores Brushless
são similares aos motores CA, mas são comutados eletronicamente (ESM) de modo
que possam ser alimentados em CC.
A
comutação sem escovas (Brushless) é mais eficiente, requer
menos manutenção, gera menos ruído e tem uma maior densidade de potência e
faixa de velocidade se comparado ao motor de comutação escovada. No
entanto, a eletrônica dos motores brushless geralmente contribuem para o seu
custo de aquisição, que também possuem maior complexidade e maiores limitações
ambientais.
2.4 – Tamanho e Considerações
Ambientais
Ao
selecionar motores de corrente contínua, você deve considerar também o
design e os fatores ambientais como veremos a seguir:
2.4.1
– Considerações de dimensionamento
Se
um motor CC tiver que se encaixar em um espaço ou
satisfazer uma exigência de peso, então as características físicas podem ser
fatores de seleção importantes. A configuração do eixo e o redutor, caso for
aplicado também são considerações que devem receber atenção.
A configuração
do eixo determina como o motor é montado e conectado ao sistema que
ele irá acionar e é essencial sua correta seleção de forma com que ele
seja compatível com o sistema. A seleção ideal do eixo aumenta a eficácia
e pode economizar tempo e custo durante a montagem. As configurações podem
incluir tipos côncavos, redondos, quadrados, sextavados, ranhurados, em degrau
ou parafusos.
A redução
ou redutor é usada no motor CC para aumentar ou reduzir a velocidade
do eixo mecanicamente. Utilizando o redutor, o motor tende a ter volume ou
peso menor. Os tipos de redutores que são usados em motores elétricos de
corrente contínua podem incluir redutores de engrenagem, planetários, sem-fim
ou cônicos.
2.4.2
– Considerações ambientais
Finalmente,
ao selecionar o motor de corrente contínua, você pode ter que considerar
as condições ambientais ou requisitos de aplicação quando da utilização do
produto.
A temperatura
de operação deve ser considerada quando se utiliza algum equipamento
eletrônico sensível ou quando o ambiente não está à temperatura de 40°C, ou
ainda quando o ambiente for sensível à dissipação de calor do motor. Mecanismos
de refrigeração adicionais podem ser instalados para neutralizar o aquecimento
excessivo do motor ou do ambiente circundante.
A
proteção contra corrosão deve
ser considerada em ambientes onde o motor está exposto a radiação, poeira ou
substâncias perigosas que possam degradar o motor. O invólucro e os materiais
apropriados do motor podem ser selecionados para assegurar proteção contra a
contaminação.
A
proteção da água deve
ser considerada quando um motor for operar exposto à água. Os níveis de
proteção vão desde a proteção contra gotejamento vertical mínimo até à
submersão total sob pressão.
#ServoDrive
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