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Motores elétricos

Motores elétricos

Os motores elétricos estão presentes em muitas áreas da nossa vida.

Física

Palavras-chave

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Extras relacionados

Cenas

Interação entre a corrente elétrica e o campo magnético

  • fio condutor
  • linhas de indução magnética - Linhas imaginárias usadas para ilustrar a estrutura dos campos magnéticos. A sua densidade indica a magnitude da indução do campo magnético, enquanto a sua direção indica a direção da corrente induzida.

Todos os motores elétricos aproveitam o efeito magnético da corrente elétrica.
Quando uma corrente flui num fio, é produzido um campo magnético em torno desse fio. O campo magnético tem o mesmo efeito num íman permanente, como se de um qualquer outro íman permanente se tratasse, embora o seu campo seja ajustável.
A força do campo magnético gerado depende da intensidade da corrente que flui pelo fio e da extensão do fio, enquanto a sua direção depende da direção da corrente.

Fio dobrado

  • fio condutor
  • linhas de indução magnética - Linhas imaginárias usadas para ilustrar a estrutura dos campos magnéticos. A sua densidade indica a magnitude da indução do campo magnético, enquanto a sua direção indica a direção da corrente induzida.

A bobina enquanto eletroíman

  • fio condutor - A força do campo magnético pode ser controlada ajustando a força da corrente elétrica que flui no fio.
  • linhas de indução magnética - Concentram-se dentro dos laços formados por um fio condutor, pelo que aí o campo magnético será mais forte.
  • núcleo de ferro - A força do campo magnético é influenciada pela composição do material do núcleo da bobina.

O campo magnético produzido por uma corrente elétrica num fio pode ser reforçado caso se dobre o fio em forma de laço, fazendo com que as linhas do campo magnético fiquem concentradas dentro de um circuito. Esse campo magnético pode ser ainda mais forte se o fio for dobrado várias vezes em torno de uma haste de material magnetizável, como por exemplo um núcleo de ferro. Esse tipo de bobina é um eletroíman que se encontra em todos os motores elétricos.

Indução

  • bobina
  • íman em movimento
  • amperímetro

A corrente elétrica pode induzir um campo magnético, mas um campo magnético também pode induzir corrente elétrica. A este fenómeno chama-se indução eletromagnética.

A corrente elétrica só pode ser induzida por um campo magnético variável. Se o campo magnético no ambiente de uma bobina muda, uma voltagem é induzida na bobina e uma corrente elétrica é gerada. Essa corrente também produz um campo magnético e os dois campos magnéticos podem interagir um com o outro.

Motor de corrente contínua

  • íman permanente
  • bobina - Quando uma corrente elétrica é alimentada numa bobina de metal, é gerado um campo magnético ao redor da bobina, ou seja, ela funcionará como um íman, girando para se alinhar com o campo magnético permanente do estator.
  • comutador - Isto gira em conjunto com o rotor do motor de corrente contínua. Recebe corrente elétrica através das escovas e transmite-a para a(s) bobina(s) do rotor. No motor de corrente contínua mais simples existem dois pólos, pelo que o comutador consiste em dois segmentos. Conforme o comutador gira, os pólos da corrente elétrica são trocados a cada meia volta.
  • escova - A corrente elétrica é conduzida ao comutador e depois à bobina por meio de escovas feitas geralmente de carbono.
  • núcleo de ferro - A sua função é fortalecer o campo magnético induzido pela bobina.
  • anel isolante

Existem dois tipos principais de motores elétricos: motores de corrente contínua (CC) e de corrente alternada (CA).

Como o nome sugere, os motores de corrente contínua são alimentados por corrente contínua, fornecida por uma bateria ou por uma fonte de alimentação externa. Nos motores de corrente contínua mais simples, o estator é um íman permanente e o rotor é um eletroíman, ou seja, uma bobina.

A corrente é aplicada à bobina rotativa através de escovas de carbono e de um comutador. Como resultado da corrente elétrica fornecida à bobina, esta será magnetizada, virando-se para se alinhar com a polaridade do íman permanente. No entanto, antes de se alinhar na direção correta, a polaridade da corrente elétrica no comutador é invertida. Consequentemente, a bobina continua a girar em direção ao pólo oposto, e assim sucessivamente.

É comum o uso de várias bobinas no rotor, pelo que o comutador também possui vários pólos, garantindo um funcionamento mais suave.

A desvantagem dos motores de corrente contínua é que as escovas de carbono desgastam-se com o tempo, precisando de ser substituídas, e as partículas de pó de carbono que se formam podem causar um curto-circuito. Além disso, os motores de corrente contínua também são barulhentos.

Motor síncrono de corrente alternada

  • rotor - O íman permanente do rotor tenta seguir o campo magnético rotativo do estator.
  • estator - As bobinas do estator geram um campo magnético rotativo.
  • eletrónica de controlo - Assegura a diferença de fase entre as bobinas.
  • corrente alternada

O outro tipo de motor elétrico é o motor de corrente alternada, que inclui os motores síncronos e assíncronos.

Nos motores síncronos, a corrente alternada, que muda de direção periodicamente, é aplicada ao rotor. Tal corrente pode ser obtida pela eletricidade da rede elétrica ou eletronicamente. Se nas bobinas do estator a corrente não alternar na mesma fase, é gerado um campo magnético rotativo. A diferença de fase pode ser criada usando capacitores ou eletrónica mais complexa. Na maioria dos casos, existem ímanes permanentes no rotor, mas também podem existir bobinas (fornecidas pela corrente contínua de uma alimentação externa). O íman do rotor tenta seguir o campo magnético rotativo do estator, rotacionando com ele.

Os motores síncronos só podem operar a uma velocidade que corresponda à frequência da corrente elétrica que os impulsiona. Quando um motor síncrono é executado sob carga, o rotor recua a um certo ângulo em relação ao pólo do estator, embora ambos corram à mesma velocidade sincrónica. Se a carga é aumentada, o ângulo também aumenta. Se, de repente, muita carga for colocada no motor, o rotor e os pólos do estator cairão de sincronização e o motor irá parar.

Estes motores não são de arranque automático, exigindo um mecanismo de ignição. A maioria dos motores síncronos são iniciados por um mecanismo de indução e só mudam para o modo síncrono quando atingem a velocidade de sincronização.

Ao conduzir veículos, a frequência da corrente alternada que alimenta o motor síncrono é controlada eletronicamente de acordo com a velocidade desejada do veículo. Uma vez que em veículos elétricos modernos a corrente alternada é gerada a partir da corrente contínua de um circuito eletrónico, esses motores podem ser considerados motores de corrente contínua, sendo também chamados de motores de corrente contínua sem escova ou motores BLDC.

A vantagem dos motores síncronos relativamente aos motores de corrente contínua escovados é que neles não há componentes que se possam desgastar e produzir poeira. O seu funcionamento é eficiente e quase não produz ruído.

Motor assíncrono de corrente alternada

  • rotor - Também pode ser um simples cilindro de metal no qual a corrente elétrica é induzida pelo campo magnético variável.
  • estator - As bobinas do estator geram um campo magnético rotativo.
  • eletrónica de controlo - Assegura a diferença de fase entre as bobinas.

O princípio de funcionamento dos motores assíncronos é baseado no fenómeno da indução, pelo que também são chamados de motores de indução.

Os motores assíncronos consistem de um estator e um rotor. O estator inclui várias bobinas às quais a corrente alternada é aplicada. O rotor pode ser um cilindro metálico ou uma bobina de curto-circuito, ou seja, que não recebe corrente de uma fonte externa.

O princípio de funcionamento dos motores assíncronos é o seguinte:

1. A corrente alternada não flui na mesma fase nas bobinas do estator, o que induz um campo magnético rotativo ao redor das bobinas.

2. Este campo magnético rotativo induz uma corrente elétrica no rotor.

3. A corrente elétrica induzida gera outro campo magnético ao redor do rotor.

4. Os dois campos magnéticos interagem entre si, de modo que o rotor tenta alinhar-se com o campo magnético externo. No entanto, uma vez que o campo magnético rotaciona, o rotor nunca pode alcançá-lo, pelo que rotaciona constantemente.

Um campo magnético rotativo apenas é gerado quando a corrente elétrica nas bobinas do estator está em diferentes fases. Recorrendo-se a energia polifásica para acionar o motor, as bobinas do estator devem ser conectadas em diferentes fases. Se o motor for acionado por energia monofásica, o deslocamento de fase das bobinas externas é controlado por capacitores ou eletrónica mais complexa.

O funcionamento dos motores assíncronos é menos complexo do que o dos motores síncronos, pois não param quando a carga é aumentada.

Motores lineares

  • estator - Consiste em ímanes permanentes.
  • rotor - Consiste em bobinas.
  • sensor

Ambos os tipos de motores de corrente alternada têm versões lineares conhecidas como LIM (Motor de Indução Linear) e LSM (Motor Síncrono Linear). O funcionamento destes motores não resulta em movimento rotacional, mas sim em movimento em linha reta.

O seu princípio de funcionamento é o mesmo que o dos motores rotativos, exceto pelo fato de que tanto o rotor como o estator estão alinhados ao longo de uma linha reta. Outra diferença é que a parte móvel é geralmente aquela que contém as bobinas e não a parte magnética ou magnetizável.

Nos motores LIM, é aplicada uma corrente alternada polifásica à linha móvel de bobinas, criando um campo magnético móvel que induz uma corrente no trilho de metal estacionário, cujo campo magnético aciona a parte móvel do motor que contém as bobinas.

No caso dos motores LSM, o trilho deve conter ímanes em fileira e a corrente alternada que flui nas bobinas da parte móvel deve ser alterada de acordo com a direção do movimento, de modo que sempre alcance o íman seguinte na fase correta. Isso não é possível sem sensores e eletrónica de controlo.

Motor de passo

  • rotor - Também pode ser um simples cilindro de metal no qual a corrente elétrica é induzida pelo campo magnético variável.
  • estator - As bobinas do estator geram um campo magnético rotativo.
  • eletrónica de controlo - Assegura a diferença de fase entre as bobinas.

Os motores de passo são muito úteis em dispositivos onde é necessário saber o ângulo exato (ou degrau) pelo qual o motor gira como resultado de uma certa quantidade de corrente elétrica.

São estes motores que movem os braços dos robôs ou os componentes das fotocopiadoras e impressoras. O rotor dos motores de passo consiste em ímanes permanentes, enquanto o estator é constituído por eletroímanes. Os eletroímanes do estator são fornecidos com corrente separadamente pela eletrónica de controlo de acordo com o ângulo desejado.

Quanto mais ímanes permanentes forem instalados no rotor e eletroímanes no estator, menor será o ângulo no qual o motor pode girar passo a passo, de modo que possa ser girado com maior precisão na direção desejada.

A resolução do motor também pode ser aumentada se os ímanes do rotor e os núcleos de ferro dos eletroímanes do estator estiverem dentados. A resolução pode ser aumentada alterando com precisão a corrente de controlo alimentada às bobinas.

Narração

Os motores elétricos estão constantemente presentes no nosso dia a dia. Embora exista uma enorme variedade deles, todos os tipos aproveitam o efeito magnético da corrente elétrica.

Quando a corrente flui em um fio, um campo magnético é induzido em torno dele. A força do campo magnético gerado depende da intensidade da corrente que flui no fio e da distância do fio.

O campo magnético gerado pela corrente pode ser reforçado ainda mais caso o fio seja enrolado em uma bobina. A bobina assim feita é o eletroíman encontrado em todos os motores elétricos. A força do eletroíman e a posição de seus pólos podem ser ajustadas com a corrente que flui através dele.

A corrente elétrica pode criar um campo magnético, mas o campo magnético também pode produzir corrente elétrica. Este fenômeno é chamado de indução eletromagnética. A corrente elétrica só pode ser induzida por um campo magnético variável. Se esse campo muda perto de uma bobina, uma voltagem é induzida nela e uma corrente elétrica é gerada. Esta corrente terá também um campo magnético, de forma que os dois campos magnéticos podem interagir um com o outro. Alguns motores elétricos utilizam esse fenómeno.

Existem dois tipos principais de motores elétricos: motores de corrente contínua (CC) e de corrente alternada (CA). Como o próprio nome já diz, os motores de corrente contínua são alimentados por uma corrente contínua, o seu estator é um íman permanente e o seu rotor é um eletroíman. A corrente é aplicada à bobina rotativa através de um contato deslizante e de escovas de carbono. Como resultado da corrente elétrica aplicada a ela, a bobina será magnetizada. Vira para se alinhar com a polaridade do íman permanente. No entanto, antes de se alinhar na direção correta, a polaridade da corrente elétrica no comutador é invertida. Consequentemente, a bobina continua a girar em direção ao pólo oposto, e é assim que ela mantém o motor em rotação.

O outro tipo principal de motores elétricos são os motores de corrente alternada, que incluem motores síncronos e assíncronos. Nos motores síncronos, a corrente alternada, que muda de direção periodicamente, é aplicada ao rotor. Tal corrente pode ser obtida da eletricidade da rede elétrica ou eletronicamente. Um circuito eletrónico simples garante que a corrente elétrica não se alterne na mesma fase nas bobinas do estator, gerando um campo magnético rotativo. Nesses motores, o íman do rotor tenta seguir o campo magnético rotativo do estator, de modo que girem juntos. Os motores síncronos só podem operar a uma velocidade que corresponda à frequência da corrente elétrica que os impulsiona. Se, de repente, muita carga for colocada no motor, o rotor e os pólos do estator cairão de sincronização e o motor irá parar. Esses motores não são de partida automática, exigindo um mecanismo de ignição. A maioria dos motores síncronos são iniciados por um mecanismo de indução e só mudam para o modo síncrono quando atingem a velocidade de sincronização. Uma vez que em veículos elétricos modernos a corrente alternada é gerada a partir de corrente contínua por um circuito eletrónico, esses motores podem ser considerados como motores de corrente contínua. Eles também são chamados de motores de corrente contínua sem escova ou motores BLDC.

O princípio de funcionamento dos motores assíncronos é baseado no fenómeno da indução. Eles também contêm duas partes fundamentais: um estator e um rotor. O rotor pode ser um cilindro de metal simples, que geralmente também contém uma bobina. O estator consiste de várias bobinas às quais uma corrente alternada é aplicada. O rotor pode ser um simples cilindro de metal, mas geralmente é uma bobina que não recebe corrente de fora; será induzido nele. A corrente alternada nas bobinas do estator não flui na mesma fase, então um campo magnético rotativo é gerado em torno dessas bobinas. Este campo magnético rotativo induz uma corrente elétrica no rotor. A corrente elétrica induzida gera um outro campo magnético ao redor do rotor. Os dois campos magnéticos interagem entre si, de modo que o rotor tenta se alinhar com o campo magnético externo. No entanto, uma vez que o campo magnético gira, o rotor nunca pode alcançá-lo, então ele gira constantemente. A operação dos motores assíncronos é menos complicada que a dos motores síncronos, pois eles não param quando a carga é aumentada.

Ambos os tipos de motores de corrente alternada também possuem versões lineares: LIM (Motor de Indução Linear) e LSM (Motor Síncrono Linear). Nessas máquinas, a operação do motor não leva a movimento rotacional, mas a translação. O seu princípio de operação é o mesmo que o dos motores rotativos, exceto pelo fato de que tanto o rotor quanto o estator estão alinhados ao longo de uma linha reta.

Os motores de passo são úteis em dispositivos onde é necessário saber o ângulo exato (degrau) pelo qual o motor gira como resultado de uma certa quantidade de corrente elétrica. Tais motores movem os braços de robôs ou os componentes de fotocopiadoras e impressoras. O rotor dos motores de passo consiste em ímanes permanentes, enquanto o estator é constituído de eletroímanes. Os eletroímanes do estator são fornecidos com corrente separadamente pela eletrónica de controlo de acordo com o ângulo desejado.

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