Aula 42 - Energização de motores com ímãs permanentes sem escovas

Princípios de motores com ímãs permanentes

Figura 1 - Estrutura básica de motor de
imas permanentes de dois polos
e respectivas bobinas. 

Um problema dos motores CC convencionais são as escovas, devido ao desgaste e centelhamento produzido. Uma alternativa é introduzir no rotor um ímã permanente que faz as vezes da armadura. Obviamente não se tem mais a possibilidade de controle através da variação do respectivo campo magnético. Abrem-se, no entanto, outras possibilidades de acionamento, com o aumento do número de polos. O funcionamento do motor, no entanto, depende de um conversor eletrônico que faça a adequada alimentação dos enrolamentos do estator. A figura 01 ilustra um motor com 2 polos e as respectivas bobinas do estator. 

Figura 2 - Motor com ímã
permanente com 4 polos. 

Com a energização sequêncial de cada bobina cria-se um campo resultante que impõe um deslocamento no rotor, buscando o devido alinhamento, o que leva à rotação do eixo.  Motores assim simples são normalmente utilizados em brinquedos e sistemas de baixo custo, como ventiladores para computadores. No entanto o motor de 2 polos, embora possa operar em elevadas velocidades, apresenta elevada ondulação de torque.  Com o aumento do número de pólos é possível obter um comportamento mais plano do torque embora, normalmente, isso implique numa redução da velocidade. A figura 2 mostra um motor com 4 polos.  A redução da velocidade decorre da dificuldade de se conseguir desmagnetizar a bobina antecessora ao mesmo tempo em que se alimenta a bobina seguinte. Observe que o campo ainda produzido pela bobina anterior produz um torque que se opõe à rotação desejada.  A minimização deste efeito exige que o conversor que alimenta o motor seja capaz de levar a zero da maneira mais rápida possível a corrente da bobina que está sendo desligada, o que justifica o uso de topologias classe D.

Figura 3 - Inversor trifásico
para acionamento de motor
de 2 polos (3 enrolamentos de estator). 

Para motores com três fases, que são os de menor custo e exigem menor quantidade de dispositivos eletrônicos, a redução da ondulação de torque pode ser obtida com um acionamento que module a corrente das fases e que permita correntes negativas, o que se consegue com o conversor classe E, ou, para uma quantidade menor de componentes, um conversor trifásico como mostra a figura 3.

Figura 3 - Inversor trifásico para acionamento de motor de 2 polos (3 enrolamentos de estator). 

Figura 4 - Acionamento de motor “brushless”.

O acionamento de cada bobina necessita de informações sobre a posição do rotor. Existem diversas técnicas de sensoriamento, assim como estratégias “sensorless”. A figura 4 ilustra uma aplicação típica que usa sensor de posição e realimentação de corrente. 

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/01/2017

Aula 41 - Energização de Motor de Corrente Contínua com Imãs Permanentes

O Motor de Corrente Contínua é construído com ímãs permanentes e um comutador que dá o torque inicial para 'disparar' o movimento. Esta é a condição necessária que algum 'pólo' altere sua polaridade para garantir a rotação do rotor. 

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. 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.

 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.

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 21/06/2017.

Aula 40 - Energização de Motor Universal

Figura 01 - Motor Universal

Chama-se motor universal um tipo de motor de funciona tanto em corrente contínua quanto em corrente alternada. Na verdade, um motor universal é um motor CC com excitação série, ou seja, um motor CC cujos enrolamentos de campo e de armadura estão conectados em série, podendo, portanto ser alimentado por uma única fonte, que pode ser contínua ou alternada monofásica.
Este tipo intermediário de motor denominado motor universal, esse motor pode funcionar tanto com alimentação DC como AC.

O Motor de Corrente Contínua é construído com ímãs permanentes e um comutador que dá o torque inicial para 'disparar' o movimento. Esta é a condição necessária que algum 'pólo' altere sua polaridade para garantir a rotação do rotor.
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. Essas escovas tocam o comutador do rotor de forma que a corrente inverte seu sentido a cada meia volta do rotor. 

Figura 02 - Funcionamento de Motor Universal

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.
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.

Porém, se substituirmos os ímãs permanentes dos estatores dos motores DC por eletroímãs e ligarmos (em série) esses eletroímãs no mesmo circuito do rotor e comutador, teremos um Motor Universal.

Nos motores universais, tanto estator como rotor são eletroímãs com bobinas em série e concordância. Este motor 'girará' corretamente quer seja alimentado por corrente contínua ou corrente alternada.

Figura 03 - Partes do Motor Universal

A diferença notável entre motor universal e motor DC é que se você alimentar o motor universal com fonte DC, ele não inverterá o sentido de rotação se você inverter a polaridade da fonte (como acontece com o motor DC), continuará a girar sempre no mesmo sentido. Se você quiser realmente inverter o sentido de rotação de um motor universal deverá inverter as ligações nos eletroímãs dos estatores para inverter seus pólos.
Os motores universais possuem elevado torque em baixa rotação, para um certo valor de corrente de armadura. Essa característica torna os motores universais adequados para acionamento, em corrente alternada, de vários eletrodomésticos (liquidificadores, aspiradores de pó, furadeiras), bem como acionamento de veículos elétricos de transporte de massa (trens, carros elétricos, metrô). 

Figura 04 - Diagrama elétrico de Motor Universal

Motores universais são usados, por exemplo, em batedeiras elétricas, aspiradores de pó etc. Em tais motores, com o tempo de uso, haverá desgastes nas escovas de carvão e deverão ser substituídas. Basta você levar um pedacinho da escova velha até uma loja de ferragens, comprar o par de escovas novas adequadas e repor no motor; uma operação bastante simples.

© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 10/09/2016.

Aula 39 - Energização de Motor monofásico com dois e quatro terminais

O Motor monofásico com dois terminais é destinado apenas a um valor de tensão, e não pode ser adaptado a diferentes valores de tensão. Assim, a tensão aplicada na placa deve ser igual à tensão da rede de alimentação. Outro inconveniente é o fato de não ser possível a inversão do seu sentido de rotação, pois ele tem somente dois terminais em que são ligados os condutores de fase (L) e neutro (N). A inversão dos cabos de alimentação fase e neutro não provoca a inversão do sentido de giro.

No caso de ter acesso ás 4 pontas dos enrolamentos ou a 3 ( uma delas é a comum ), pode,os medir a resistência Ohmica dos dois enrolamentos, o enrolamento auxiliar ( enrolamento de arranque ) tem aproximadamente o dobro da resistência do enrolamento de trabalho, o interruptor é ligado durante o arranque. Caso encontre dois enrolamentos com a mesma resistência, então é um motor que trabalha com capacitor permanente, devemos ligá-lo exatamente do mesmo modo mas tendo atenção que a chave de partida que abre após o arranque não é montada.
No Motor monofásico com quatro terminais o enrolamento é dividido em duas partes iguais. Torna-se possível a instalação do motor a dois valores de tensão, que são chamados de tensão maior e tensão menor.

O valor de tensão maior é sempre igual a duas vezes o valor de tensão menor, sendo que os valores mais utilizados são 220V para o de maior tensão e 110V para o de menor tensão. Não é possível inverter o sentido de rotação desse motor. Pelo diagrama a seguir, os terminais 1 e 2 são conectados a uma metade e os terminais 3 e 4 à segunda metade do enrolamento. As duas partes do enrolamento devem ser ligadas em série se a tensão de alimentação for de 220V. Se a tensão de alimentação for 110V, as duas partes do enrolamento devem ser ligadas em paralelo, como mostra a figura ao lado.

© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Ultima atualização: 03/03/2016

Aula 38 - Energização de Motor Monofásico com Dois Capacitores

Uma variação do motor com capacito de partida é o motor com dois capacitores, a ideia é dar partida no motor com um capacitor relativamente grande para alto torque de partida, mas deixar um capacitor de valor menor no lugar após a partida para melhorar as características de funcionamento sem consumir corrente excessiva. A complexidade adicional do motor acionado por capacitor é justificada para motores de tamanho maior.

O capacitor de partida de motor pode ser um capacitor eletrolítico não polarizado de ânodo duplo que pode ser dois capacitores eletrolíticos polarizados + para + (ou - para -) conectados em série. Esses capacitores eletrolíticos com classificação CA têm perdas tão altas que só podem ser usados ​​para operação intermitente (1 segundo ligado, 60 segundos desligado), como na partida de motores. Já o capacitor para funcionamento permanente do motor não deve ser de construção eletrolítica, mas sim um tipo de políester com menor perda.

O Motor monofásico com dois Capacitores é uma "mistura" dos 2 anteriores: possui um capacitor de partida, desligado através de chave centrífuga quando o motor atinge cerca de 80% de sua rotação síncrona, e um outro que se encontra permanente mente ligado. 

Com isso, possui todas as vantagens daqueles motores: alto conjugado de partida, alta eficiência e fator de potência elevado. No entanto seu custo é elevado e só é fabricado para potências superiores a 1 cv.
O motor com dois capacitores (Two Value Capacitor) é um motor que utiliza as vantagens dos dois anteriores: arranque como o do motor de capacitor de partida e funcionamento em regime idêntico ao do motor de condensador permanente. 

© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Ultima atualização: 03/03/2016

Aula 37 - Energização de Motor Monofásico com Capacitor Permanente

No Motor Monofásico com Capacitor Permanente  (Permanent-Split Capacitor) o enrolamento auxiliar e o capacitor ficam permanentemente energizados. O efeito deste capacitor é o adiantamento da corrente no enrolamento auxiliar aumentando, com isso, o conjugado máximo, o rendimento e o fator de potência, além de reduzir sensivelmente o ruído. 

Construtivamente são menores e isentos de manutenção pois não utilizam contatos e partes móveis, como nos motores anteriores. Porém, seu conjugado de partida normalmente é inferior ao do motor de fase dividida (50% a 100% do conjugado nominal), o que limita sua aplicação a equipamentos que não requeiram elevado conjugado de partida, tais como: máquinas de escritório, ventiladores, exaustores, sopradores, bombas centrífugas, esmeris, pequenas serras, furadeiras, condicionadores de ar, pulverizadores, etc. São fabricados normalmente para potências de 1/50 a 1,5 cv.

No gráfico há características do conjugado x velocidade. O baixo torque de partida ocorre pois o capacitor não está dimensionado para proporcionar o equilíbrio na partida, mas para condições de rotação nominal.

Eliminando o interruptor centrífugo pode reduzir significativamente o custo de fabricação. 

Neste tipo de motor o enrolamento auxiliar e o capacitor ficam sempre ligados e não possuem chave centrífuga. Tem características similares ao motor trifásico, como rendimento e fator de potência. 

Diagrama elétrico disponível em:
15_02 _001 Motor Monofasico Capacitor Permanente.pdf

Geralmente são fabricados com potências de 0,2 a 1,5 CV.

O capacitor é escolhido de modo que a corrente que passa pelo enrolamento auxiliar seja a mesma que passa pelo enrolamento principal. O valor do capacitor depende de sua finalidade, beneficiar o arranque ou manter a rotação e normalmente fica entre 4 e 10 uf (microfarad).

O motor com capacitor permanente é considerado o mais confiável dos motores monofásicos, principalmente por não usar chave centrífuga. Neste motor é possível alterar a velocidade facilmente, com a mudança do valor do capacitor.

Após alcançar a velocidade nominal é mais silencioso e vibra menos que os outros motores monofásicos além de permitir a reversão instantânea da rotação. A exemplo, temos as lavadoras de roupas, nas quais a centrifugação ocorre no sentido inverso aos dos molhos e enxágues, e os ventiladores de teto.

Veja dados técnico de motores para micro ventiladores que são construídos com motores de capacitor permanente no link: <<  16_03_003 Motor Monofásico – Capacitor permanente  >>.

© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Ultima atualização: 03/03/2016

Aula 36 - Energização de Motor Monofásico de Fase Dividida

O Motor Monofásico de Fase Dividida (Split-phase) possui um enrolamento principal e um auxiliar (para a partida), ambos defasados no espaço de 90 graus elétricos. O enrolamento auxiliar cria um deslocamento de fase que produz o conjugado necessário para a rotação inicial e a aceleração.

Quando o motor atinge uma rotação de cerca de 75% da velocidade nominal  o enrolamento auxiliar é desconectado da rede através de uma chave que normalmente é atuada por uma força centrífuga. Após desligamento do enrolamento auxiliar o motor continua a rodar através de em um único campo oscilante, o que em conjunto com a rotação do rotor, resulta em um efeito de campo rotativo. Como o enrolamento auxiliar é dimensionado para atuação somente na partida, seu não desligamento provocará a sua queima. 

O ângulo de defasagem que se pode obter entre as correntes do enrolamento principal e do enrolamento auxiliar é pequeno e, por isso, esses motores têm conjugado de partida igual ou pouco superior ao nominal, o que limita a sua aplicação a potências fracionárias e a cargas que exigem reduzido ou moderado conjugado de partida, tais como máquinas de escritórios, ventiladores e exaustores, pequenos polidores, compressores herméticos, bombas centrífugas, etc. Normalmente são construídos em potências fracionárias que não excedem ¾ de CV.
Um motor de fase dividida não tem nenhuma capacitância no circuito auxiliar. A mudança de fase em relação à corrente principal é conseguida por utilização de condutores muito finos para alcançar uma elevada resistência à relação de reatância. O aumento da resistência do enrolamento auxiliar traz como consequência o fato dele só poder ser utilizada durante a partida.
Um motor de fase dividida tem o torque significativamente menores devido à redução do ângulo de fase entre as correntes do enrolamento principal e auxiliar.

Veja dados técnico de motores para micro ventiladores que são construídos com motores de fase dividida no link: <<  16_03_002 Motor Monofásico – Micro ventiladores  >>.

© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Ultima atualização: 03/03/2016