Em diversos artigos focalizamos o princípio de funcionamento de motores comumente usados em aplicações mecatrônicas, tais como motores, EC, motores de passo, motores universais, etc. No entanto, nenhuma vez fizemos isso num único artigo, possibilitando assim ao leitor entender como funciona o “universo dos motores” e, portanto, saber como escolher o melhor motor para uma aplicação. Neste artigo, baseados em documentação de diversos fabricantes focalizamos os principais tipos de motores, indicando seu funcionamento, e mostrando as suas principais características e aplicações. Muito do material que utilizamos foi obtido de documentação da Renesas.
Se bem que a tecnologia mais simples de controle de um motor elétrico envolta apenas o uso de interruptores e chaves, eventualmente relés e circuitos simples, a disponibilidade de microcontroladores para as aplicações mais elaboradas, leva à necessidade de se analisar muito bem que tipo de motor usar numa aplicação, antes de se fazer sua escolha.
Assim, o projetista deve antes analisar o seu projeto, determinando que tipo de ação deseja de um motor, ou seja, como a energia obtida através de movimento vai ser utilizada, para fazer a escolha do motor que melhor atenda às suas necessidades.
Antigamente contávamos apenas com motores simples de corrente contínua com escova e motor de corrente alternada universais e monofásicos, nas aplicações domésticas e de automação. Hoje temos muito mais tipos e é desses tipos que trataremos neste artigo.
Motor DC com Escova
Os motores de corrente contínua ou DC com escovas são os mais simples, normalmente utilizados em aplicações de baixas potências como brinquedos, barbeadores elétricos, pequenos ventiladores, aeromodelos, etc.
Na figura 1 temos o desenho em forte de um desses motores, a partir de onda analisaremos o seu princípio de funcionamento.
Nesses motores temos um estator formado por um ou mais imãs permanentes que criam um forte campo magnético.
O rotor é formado por enrolamento que são ligados a uma fonte de tensão através de escovas. A polaridade do campo magnético criado pelas bobinas é oposta a do estator criando uma forma que faz o rotor girar.
Quando aplicamos uma tensão no motor, uma corrente circula pelas bobinas enroladas na parte móvel (rotor) do motor, criando um campo magnético.
O campo dessa bobinas interage com o campo criado pelos imãs permanentes que existem em torno do motor (em alguns tipos existe um segundo conjunto de bobinas para criar esse campo), aparecendo então uma força que tende a girar o rotor.
O movimento do rotor é de meia volta até que ele encontre sua posição de equilíbrio.
No entanto, no final dessa meia volta, entram em ação comutadores (escovas), que são pequenos carvões ou lâminas que fazem contacto com o rotor para levar a corrente às bobinas.
Esses comutadores invertem a corrente, de tal forma que agora as forças tendem a continuar a movimentar o rotor de modo que ele dê mais meia volta.
No final da meia volta seguinte acontece o mesmo, os comutadores invertem a corrente e assim ele continua girando enquanto houver alimentação.
Na figura 2 mostramos a sequência do movimento.
Os pequenos motores que encontramos em muitas aplicações são especificados pela tensão e pela corrente que exigem.
Motores de Passo
Existem três tipos básicos de motores de passo, que são:
* Relutância variável
* Imã permanente
* Híbrido
Analisemos as principais características de cada um.
a) Relutância variável:
Na figura 3 temos uma vista em corte da construção de um motor de passo de relutância variável.
Conforme podemos ver, é a ação das bobinas criando campos que posiciona os dentes de material ferromagnético acoplados a um eixo móvel.
O rotor múltipolo deste motor é feito de ferro macio, enquanto que o estator é multilaminado.
O rotor deste tipo possui uma inércia pequena.
b) Imã permanente:
Na figura 4 temos uma vista em corte de um motor deste tipo.
Este motor gira quando o campo magnético das bobinas energizadas interage com um conjunto de imãs permanentes.
O rotor é energizado radialmente.
Este tipo de motor é indicado para aplicações onde não se exige precisão, e o custo seja importante já que tem um preço baixo. Outra característica é sua operação com ângulos de passo grandes, entre 45 e 90 graus.
c) Híbridos
Estes motores têm a construção do tipo ilustrado na figura 5.
O rotor é energizado axialmente. Tanto o rotor como o estator são do tipo multipolares.
A principal vantagem deste motor é a sua precisão com passos de 1,8 graus nos tipos mais comuns, e chegando mesmo a 0,36 graus nos tipos de maior precisão.
Modos de Excitação:
Os motores de passo são formados por 4 bobinas que devem ser excitadas numa certa ordem, ou ainda de acordo com o posicionamento desejado.
A configuração típica destas bobinas é apresentada na figura 6 onde também vemos os modos de ligação mais comuns, que são o unipolar e o bipolar.
A excitação de fase destas bobinas depende da aplicação e pode ser feita das seguintes maneiras:
A) Uma fase ou onda (wave)
Nesta excitação cada bobina é energizada separadamente em sequência de acordo com o movimento de posicionamento do rotor, conforme mostra a figura 7.
B) Duas fases
Nesta modalidade de operação, exemplificada na figura 8, as bobinas são energizadas duas a duas de modo que o rotor possa parar em posições intermediárias dadas pela resultante das forças de atração entre as bobinas.
B) Uma-Duas fases
Nesta modalidade de funcionamento, uma e duas fases são excitadas alternadamente levando o rotor ao movimento ou posição desejada, veja a figura 9.
D) Duas fases ou micro-passo
Nesta modalidade temos a aplicação de níveis de tensão diferenciados na bobina, o que permite o posicionamento do rotor em pontos intermediários aos pólos das bobinas energizadas, veja a figura 10.
O escalonamento das tensões aplicadas às bobinas vai determinar quantos pontos intermediários entre dois passos (90 graus) podem ser obtidos.
Motores DC sem Escovas ou Brushless
Os motores DC sem escovas pertencem à família dos motores sincronizados. Também são chamados de motores de imã permanente devido a estrutura do rotor, mostrada na figura 11.
Veja que esses motores não operam propriamente a partir de uma fonte DC pura. Seu nome vem do fato deles operarem segundo o mesmo princípio dos motores DC comuns.
Na topologia típica esses motores são acionados por sinais de controle aplicados aos enrolamentos. Na figura 12 mostramos uma topologia típica em que transistores de potência, IGBTs ou outros dispositivos comutadores são usados.
As vantagens desse tipo de motor são as seguintes:
Sem escovas não existe comutação capaz de gerar faíscas
O torque se mantém em toda faixa de rotações
Podem ser alcançadas altas velocidades, até 70 000 rpm.
As desvantagens:
São motores caros
A comutação produz ripples ou ondulações no torque
Os motores DC sem escovas podem ser encontrados em uma grande variedade de aplicações tanto industriais como de consumo (máquinas de lavar, opor exemplo) numa faixa de potências que vai até 20 kW.
Os motores sem escovas admitem diversos tipos de controles como o Trapezoidal, Senoidal, Vetorial, sem Sensor Trapezoidal e Senoidal.
Motores Universais
Os motores universais são semelhantes aos motores DC com escovas, no entanto, no estator, em lugar de imãs, são utilizados enrolamentos para criar os campos magnéticos.
O princípio de funcionamento é exatamente o mesmo. Os campos magnéticos criados pelos enrolamentos do estator interagem com os campos magnéticos criados pelo rotor, criando as forças responsáveis pelo movimento.
Para os motores universais temos basicamente dois tipos: os motores tipo série em que os enrolamentos do estator são ligados em série e os motores do tipo paralelo, em que os enrolamentos do estator são ligados em paralelo.
Na figura 13 temos uma vista em corte deste motor para se visualizar seu princípio de funcionamento.
Estes motores são utilizados em eletrodomésticos, ferramentas elétricas, ventiladores, processadores de alimentos, etc.
Seu controle normalmente é feito pelo uso de triacs, já que são basicamente motores de corrente alternada, mas também podem ser utilizados controles PWM.
Motor de Indução ou de Uma Fase
Os motores de indução, entretanto, não usam escovas e por esse motivo podem consistir numa solução bastante interessante para alguns projetos. É claro que eles, como qualquer outro tipo de motor têm suas vantagens e desvantagens que ficarão claras no decorrer deste artigo.
Como Funciona
A não presença de escovas comutadoras e apenas uma bobina fixa torna bastante simples entender o princípio de funcionamento do motor de indução.
Um motor típico do tipo de indução possui um rotor em curto-circuito com defasamento indutivo de campo e possuem uma estrutura básica conforme a mostrada na figura 14.
Encontramos esses motores no acionamento de toca-discos antigos, de ventiladores, ventoinhas de chuveiros pressurizados, bombas d’água de aquários e muitos outros aparelhos eletrodomésticos e mesmo em alguns equipamentos eletrônicos que possuam um sistema de ventilação ligado à rede de energia, já que os motores de indução operam exclusivamente com corrente alternada.
Temos então um eletro-imã em forma de “U” formado por diversas placas de ferro doce, como as usadas nos transformadores comuns.
A finalidade de se usar um núcleo laminado é evitar as correntes de turbilhão induzidas num condutor sólido que causariam seu aquecimento excessivo, conforme mostra a figura 15.
Entre os pólos do imã, denominado estator, é colocado um rotor cilíndrico que também é feito de chapas e tem a finalidade de fechar o percurso das linhas do campo magnético criado pelo eletro-imã em forma de “U”.
A eficiência deste tipo de motor depende da fenda ou espaço que existe entre o eletro-imã e o rotor. Tanto menor o espaço entre os dois, menor será a corrente necessária para a magnetização do conjunto.
Observamos nesta construção que em pontos opostos das peças que denominamos estator que formam o eletro-imã duas fendas nas quais são colocados dois anéis de cobre, conforme mostra a figura 16.
A finalidade destes anéis é formar uma espira de “curto-circuito” e sua ação no sistema é justamente a de retardar a formação do campo magnético em relação ao restante do eletro-imã.
Conforme mostra a figura 17, se representarmos o campo na bobina e o campo na espira através de um gráfico, observamos que existe uma defasagem entre os dois com o campo na espira se atrasando em relação ao primeiro.
O retardo obtido com esta configuração é de ¼ do ciclo da alimentação alternada.
O efeito deste retardo é como se houvesse na peça polar um campo magnético rotativo entre os pólos com uma velocidade que corresponde justamente ao tempo de um ciclo por volta.
Isso significa que o campo entre as peças polares dá 60 voltas por segundo, já que nossa rede de energia é de 60 Hz, ou 3 600 voltas por minuto, que será traduzida em 3 600 rpm para o motor (rotações por minuto).
Para que o rotor possa responder à esse campo rotativo ele precisa ter uma construção especial que é mostrada na figura 18.
Esse rotor possui sulcos ou canaletas no sentido axial nos quais são embutidos fios de cobre todos tendo suas extremidades interligadas de modo a formar espiras em curto.
Ao cortar os condutores, o campo magnético rotativo induz uma corrente. Como esses condutores estão em curto, a corrente induzida é muito alta criando um campo magnético no próprio rotor.
Esse campo interage com o campo da peça polar ou estator, aparecendo uma força de atração tal que um tende a seguir o outro. Como os condutores estão fixos, o rotor vai girar no mesmo sentido do campo magnético criado pelo estator.
Na prática o rotor não consegue acompanhar o campo exatamente na mesma velocidade, pois se isso acontece a indução cessaria, de modo que o motor gira um pouco mais devagar que os 3 600 rpm teóricos.
A velocidade desses motores é da ordem de 95% a 98% da velocidade teórica o que corresponde a algo entre 3400 e 3560 rpm.
Uma variação do motor que descrevemos é o motor de indução de 4 pólos mostrado na figura 19.
O princípio de funcionamento desse motor é o mesmo, mas o campo vai dar uma volta completa a cada dois ciclos da corrente alternada. Assim, a velocidade teórica máxima desse tipo de motor é 1800 rpm.
Podemos também encontrar tipos com maior número de pólos que terão uma velocidade que será dada por:
rpm = 3600/n
Onde n é o número de bobinas.
Um motor de 4 bobinas ou 8 pólos girará a 900 rpm (valor teórico).
Observe também que, na rede de 50 Hz, esses motores giram mais devagar.
Tipos
A NEMA (National Electrical Manufacturers Association) classifica os motores de indução em 4 categorias conforme o torque, corrente e outras características importantes para os projetos.
Essas categorias são designadas pelas letras A, B, C e D. Analisemos as características dos motores das diversas categorias:
Tipo A
Tem um torque normal na partida (150 a 170% da potência nominal) e uma corrente de partida relativamente alta. Pode manusear cargas mais pesadas. Na indústria são usados em máquinas injetores.
Tipo B
É o tipo mais comum. Seu torque de partida é semelhante ao do tipo A, mas tem uma corrente inicial menor. A eficiência e o fator de carga são relativamente altos. Aplicações típicas incluem sistemas de ventilação, ferramentas, bombas, etc.
Tipo C
Tem um torque de partida elevado (maior do que o dos tipos anteriores, ou aproximadamente 200% da potência nominal) sendo por isso indicados para o acionamento de cargas maiores.
Tipo D
Tem o maior de todos os torques de partida e a velocidade final é menor. Trata-se de tipo ideal para aplicações em que ocorram grandes variações de velocidade.
Motor Sincronizado AC de Três Fases
Estes motores são semelhantes aos motores de indução, mas nele o rotor é formado por imãs permanentes e o estator possui enrolamentos de fase, conforme mostra a figura 20.
Os enrolamentos do estator são energizados de modo sincronizado criando um campo rotativo que interage com os campos dos imãs permanentes fazendo o rotor girar.
Como a excitação é feita por correntes senoidais o funcionamento deste tipo de motor é mais suave do que os motores que operam com controles do tipo PWM.
Motor de Relutância Comutada ou de Relutância Variável
Neste motor temos bobinas tanto no rotor como no estator. Estas bobinas criam os campos magnéticos a partir de uma corrente DC fazendo com que as bobinas tendam a se alinhar.
A sequência de pulsos de energização das bobinas cria as forças que fazem com que o rotor gire.
Este motor é indicado para aplicações de torque elevado e alta velocidade como máquinas de lavar e outros eletrodomésticos.
Na figura 21 temos a vista em corte deste tipo de motor, mostrando a disposição do estator e rotor.
Conclusão
Variações desses motores podem ser encontradas, dependendo da aplicação.
A escolha de um motor correto para uma aplicação é importante de modo a se obter melhor desempenho e maior economia de energia.
