Artigo - SENAI-CIMATEC - MOTOR ELETRICO GG

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 Motor Elétrico de Alta Performance Integrado com Conversor Rotativo[footnoteRef:1] [1: Artigo apresentado como requisito parcial para a conclusão da disciplina de Física C ou Física D do Curso de Graduação em Engenharia Mecânica da Faculdade de Tecnologia SENAI-CIMATEC.] 
SANTANA, Camilla Oliveira de, SANTANA, Gustavo Silva, SANTOS, Guilherme Sobral[footnoteRef:2], SANTOS, José Vicente Cardoso[footnoteRef:3] [2: Graduandos do curso de Engenharia Mecânica do quarto período. Email: oliveiracamis1@gmail.com; guilherme1sobral@gmail.com; gustavoassis_@hotmail.com.] [3: Orientador da disciplina de Física C. Email: prof.vicentecardoso@gmail.com.] 
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RESUMO
O presente artigo se trata da confecção de um motor elétrico utilizando os conceitos físicos de eletricidade e magnetismo. O objetivo geral é relatar sobre a elaboração de um motor elétrico. Os objetivos específicos é explicar a teoria aplicada para a utilização de tal experimento, confeccionar um modelo de motor elétrico e buscar novas aplicações e/ou melhorias desse modelo. A metodologia utilizada foi a pesquisa do histórico relacionado ao tema abortado, assim como a busca de similares ao protótipo. A conclusão dá-se de forma satisfatória, visto que foi possível abortar de forma sintetizada e eficaz acerca do tema e o modelo físico apresentou bom funcionamento, apesar de ter ocorrido falhas provocadas tanto pelo operador quanto pelos materiais utilizados. A inovação proposta é a criação de um motor elétrico com mais durabilidade, potência e com maior capacidade de armazenamento de energia.
Palavras-Chave: Motor Elétrico. Eletricidade. Magnetismo.
ABSTRACT
This article deals with the production of an electric motor using the physical concepts of electricity and magnetism. The overall objective is to report on the development of an electric motor. The specific objectives is to explain the theory applied to the use of such an experiment, manufacturing of an electric motor model and seek new applications and / or improvements of this model. The methodology used was the historical research related to the aborted theme, as well as search similar to the prototype. The conclusion is satisfactorily, since it was possible to report synthesized and effectively on the subject and the physical model presented proper functioning despite having been failures caused by both the operator and the materials used. The innovation proposed is the creation of an electric motor with more durability, greater power and energy storage.
Keywords: Electric Motor. Electricity. Magnetism.
1. INTRODUÇÃO
O motor elétrico é um dispositivo que permite a conversão de energia elétrica em energia mecânica. A criação desse tipo de motor foi possível graças aos experimentos de Michael Faraday e Hans Christian Öersted, sendo esses os descobridores, respectivamente, do surgimento da corrente elétrica induzida através da indução do campo magnético e do campo magnético em virtude do campo elétrico em um condutor. 
	O motor elétrico de indução é um dispositivo formado de dois componentes: rotor e estator. Ele é classificado em dois tipos: trifásico e monofásico (o trifásico ainda pode ser de dois tipos diferentes). Os motores elétricos além de serem melhores do que os mecânicos, trazem várias vantagens consigo.
	O artigo foi desenvolvido usando alguns métodos comuns, entre eles a análise de similares, além de pesquisas. Com isso foi elaborado um pequeno e simples modelo de motor elétrico, utilizado para comprovar a teoria aplicada e ajudar na visualização do funcionamento. Assim, com os estudos e pesquisas foi possível colocar uma inovação relacionada ao motor elétrico, mais especificamente sobre seu tempo de uso (que depende de uma bateria) e seu tempo de recarga.
2. DESENVOLVIMENTO
Quando uma máquina tem com entrada a energia elétrica (são aplicadas tensões nos terminas da mesma) e saída energia mecânica (notada pela movimentação de eixos) essa máquina pode ser chamada de motor elétrico (BIRD, 2009). Em outras palavras, o motor elétrico é definido com um dispositivo que converge energia elétrica em mecânica. 
Num motor elétrico, os condutores giram num campo magnético uniforme formando um circuito. Uma força, proporcional da densidade do fluxo, age nesse circuito devido à interação do campo magnético criado por imãs e corrente gerada pelas tensões aplicadas ao circuito. Essa força que é capaz de gerar o a rotação do motor (BIRD, 2009).
O primeiro motor elétrico da história foi criado em 1866, quando o cientista alemão Werner Von Siemens criou um dínamo capaz de gerar eletricidade utilizando uma corrente contínua.
Hoje, basicamente existem dois tipos de motores elétricos, o de corrente contínua (uso restrito para funcionar com variação de velocidade) e de corrente alternada, que é amplamente utilizado e maior eficiência, podendo ser motor de síncrono (funciona com velocidade constante) ou de assíncronos (indução).
2.1 A HISTÓRIA DO ELETROMAGNETISMO
	Com a lei e o experimento elaborados respectivamente, por Michael Faraday e Hans Christian Öersted, foi possível compreender o processo de surgimento da corrente elétrica em virtude da indução magnética e vice-versa. Esse fenômeno é denominado de indução eletromagnética e ocorre no momento em que um ímã natural ou um eletroímã (ímã não natural, descoberto por Öersted, a partir da indução do campo elétrico) percorre uma espira conectada em um condutor, gerando um fluxo magnético variável. A partir desse fluxo intenso, é frutificada uma força eletromotriz induzida (fem), responsável por gerar corrente elétrica em um determinado condutor, intitulado de corrente induzida (YOUNG; FREEDMAN, 2009). O fenômeno de indução eletromagnética é concretizado com diversas fórmulas. Primeiramente, segundo a lei de Faraday-Lenz, "o módulo da força eletromotriz ε induzida em uma espira condutora é igual à taxa de variação com o tempo do fluxo magnético que atravessa a espira" (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2008). Logo em seguida, temos a lei de Biot-Savart afirmando que é o módulo do campo magnético diferencial do vetor B produzido em qualquer ponto P através de uma determinada corrente elétrica i é dado pela expressão da equação (1.2) (HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 2008). E regressando novamente a lei de Michael Faraday, temos o fenômeno de fluxo magnético presente em todas as situações em que há indução magnética em um circuito, sendo calculada pela integral do fluxo magnético total ΦB através de uma área infinitesimal (equação 1.3) (YOUNG; FREEDMAN, 2009). 
Equação 1.1. Equação da lei de Faraday-Lenz
 
Equação 1.2. Equação de Biot-Savart 
 
Equação 1.3. Equação da indução magnética
 
2.2 O MOTOR ELÉTRICO DE INDUÇÃO
No caso do protótipo apresentando, trata-se de um motor de indução, que é um tipo de dispositivo elétrico simples formado basicamente por um rotor – parte móvel do motor formado por cilindro que contêm bobinas presas a um eixo podendo girar dentro de um campo magnético gerado por um imã – e um estator – parte estática moldurada para armazenar enrolamentos os quais geram campo magnético –. Ao variar sua polaridade, esse campo magnético induz no rotor – de polaridade oposta – uma corrente induzida, exercendo assim um conjugado de partida no rotor, permitindo o funcionamento do motor.
	Os motores de indução podem ser classificados de acordo com a fase adotada: trifásico ou monofásico. Como atualmente o sistema de distribuição de energia elétrica geralmente adotada é de corrente alternada, o modelo mais utilizado de motor de indução é o trifásico, porém, ele é recomendado apenas para máquinas com potencia superior a 2KW, pois este apresenta vantagens quanto ao custo, ruídos e arranque facilitado. 
O motor trifásico ainda pode ser classificado em dois tipos de acordo com o tipo de rotor utilizado: bobinado – comumente utilizado em motores que exigem partidas suaves e funcionamento em velocidades variáveis – ou de gaiola de esquilo– cujo apresenta maior robustez e durabilidade, além de menor custo, porém é restrito para motores de velocidade constante –. 
Já o motor monofásico é constituído por um conjunto de bobinas a fim de realizar o movimento de rotação em casos onde é concedida apenas uma única fase de corrente alternada ou de alimentação. São utilizados para aplicações simples como locais que não são necessários a utilização de muita potência (escritórios, residência, comércios). 
2.3 MOTOR ELÉTRICO X MOTOR DE COMBUSTÃO 
Os motores de combustão se desenvolvem melhor para rotação alta e constante, o que provoca maior econômica em relação ao combustível quando o carro mantém velocidade constante, com a necessidade a troca de machas, pois esse tipo de motor não tem tanta força para fazer o carro iniciar o movimento. Sua grande desvantagem é que produz muito calor, cerca de 2/3 da energia não é aproveitada para realizar trabalho, enquanto um motor elétrico aproximadamente 90% é aproveitado. O motor elétrico funciona melhor em baixas rotações e apresenta maior torque, capaz de ser mais útil para o arranque de um carro, não sendo tão necessária a caixa de transmissão para conduzir o carro. Dentre as vantagem desse tipo de motor estão: a dispensa de combustíveis para a combustão, evitando a emissão de gases tóxicos para a atmosfera e possui menos componentes do que o motor de combustão, resultando em maior simplicidade no seu reparo. Sua desvantagem está no custo das baterias utilizadas.
2.4 TEORIA APLICADA AO PROTÓTIPO 
	Uma fonte concede energia elétrica em um circuito fechado em formato de bobina, criando assim uma corrente elétrica e um campo magnético é formado. Quando um material condutor é moldado em formato de bobina, formam linhas de fluxo graças às espiras, que geram um forte campo magnético (PETRUZELLA, 2013). Com tal campo, a bobina adquire polos positivo e negativo, em outras palavras, se torna um eletroímã. 
A bobina é colocada perto de um imã normal. Com um pequeno torque, a bobina inicia a rotação. Logo após, ocorre uma repulsão entre a bobina e o ímã, dando assim mais força ao giro que, em seguida, o lado oposto da bobina é atraído, e após instantes, repele novamente. Isso se torna um ciclo até a fonte parar de fornecer energia elétrica.
3. METODOLOGIA
Dentre os meios técnicos para a elaboração do protótipo, foi adotado o método histórico – com pesquisas de similares, investigando-se o processo evolutivo dos motores elétricos.
Podemos afirmar que, quanto ao método de abordagem, o presente artigo segue o método dedutivo, posto que, são apresentadas vertentes relacionadas área da Física, cujos princípios são enunciados como leis, as quais foram empregadas para a confecção do motor elétrico. 
3.1 CONFECÇÃO DO MODELO DE MOTOR ELÉTRICO
	
	Para realizar tal protótipo, são necessários os seguintes materiais: pilha D 1,5 V; estilete; fio de cobre 8 mm; estrutura condutora de eletricidade; um fio condutor de eletricidade; cilindro com raio entre 10mm e 15mm e imã natural. 
Figura 1 - Sistema do motor elétrico
Fonte: Autores
A bobina é feita enrolando-se 8 mm um fio de cobre em um cilindro, dando sete voltas, formando assim um círculo de cobre. Em seguida são feitas mais seis voltas internas nesse círculo com 30 mm de fio, fazendo sobrar pontas que devem ficar perpendicular a bobina, em direção oposta ao seu centro. Feito isso, raspa-se totalmente com o estilete uma das sobras e metade da outra, sendo estas as partes que fazem um ângulo reto com a bobina.
	A estrutura condutora de eletricidade é montada de forma que o ímã é posto abaixo da bobina. Amarra-se o fio condutor à estrutura, deixando uma das pontas ligada ao próprio o fio. Assim, a estrutura da corrente é formada pela pilha, fio, estrutura de metal, bobina e estrutura de metal.
4. INOVAÇÃO
	A potência das baterias está relacionada com sua capacidade de fornecimento de energia, constituindo, assim, um problema para os motores elétricos, devido ao desempenho do motor estar limitado pela quantidade de potência que a bateria pode fornecer. Além de fornecer a energia necessária para o funcionamento do dispositivo, as baterias têm um potencial de armazenamento que dependem do seu tamanho (BARAN, 2012). 
	Nessas condições, queremos propor um motor de alta potência de performance, com bateria de tamanho relativamente pequeno em relação aos demais e principalmente de melhor viabilidade econômica.
	Esse dispositivo será baseado em um desenvolvimento da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia. A criação do motor de alta potência se dará pela integração do motor propriamente dito, com o carregador, através de um novo método de transformação de potência. Esse motor junto com o transformador ou conversor rotativo será integrado no circuito do carregador, dando lhe energia necessária para o carregamento da bateria, além de diminuir o tempo de carregamento da mesma (HAGHBIN, 2013).
5. COMENTÁRIOS FINAIS E RECOMENDAÇÕES DOS AUTORES
Os motores elétricos são máquinas que ainda tem muito que evoluir, mas já apresentam diversas vantagens quando comparadas aos motores mecânicos de combustão. Este artigo desenvolveu-se de forma satisfatória visto que foi possível trazer uma contextualização histórica e teórica necessária para o entendimento básico do funcionamento do motor confeccionado e da teoria para a funcionalidade desta. Além de trazer um experimento, o qual mostra a teoria aplicada a um exemplo, assim confirmamos a teoria e temos uma visualização melhor do assunto abordado. O protótipo apresenta algumas falhas, posto que pode ter sido submetido a erros provocados pelo operador, assim como nos materiais utilizados, na montagem e falta de instrumentos de alta precisão e performance para a realização da mesma. 
A proposta sugerida pela universidade de Tecnologia Chalmers, revolucionará os motores elétricos, dando-lhes alta performance, além de conter bateria econômica relativamente pequena, com capacidade de armazenamento de energia superior em relação às outras e acessível a população, devido ao baixo custo.
REFERÊNCIAS
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BIRD, John. Circuitos Elétricos. Rio de Janeiro: Elsevier Editora Ltda, 2009, p. 215-16.
PETRUZELLA, Frank D. Motores Elétricos e Acionamentos. Porto Alegre: AMGH, 2013, p. 113-16.
YOUNG, D.Hugh; FREEDMAN, A.Roger. Física III Eletromagnetismo. São Paulo: PEARSON, 2012, p. 283.
HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física 3. Rio de Janeiro: LTD, 2008. p. 234-237. vol. 3. ed. 8.
BARAN, R. A introdução de veículos elétricos no Brasil: avaliação do impacto no consumo de gasolina e eletricidade. 2012. 124 f. Tese (Doutorado em Planejamento Energético)- COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro. 2012.
HAGHBIN, Saeid. Recarregamento de carro elétrico é feito em duas horas. 2013. Disponível em: <http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=recarregamento-carro-eletrico-feito-duas-horas#.VdCnYfldUgV>. Acesso em: 16 ago. 2015.
HEYMANN, Gisela. O motor elétrico. Superinteressante, 12 ed. set. 1988. <http://super.abril.com.br/ciencia/o-motor-eletrico> Acesso em 27 de ago de 2015.
SENS, Moacir. Avanços tecnológicos nos motores elétricos. WEG em Revista. Janeiro, 2001. <http://www.motoreletrico.net/upload/AVAN%C3%87OS%20TECNOLOGICOS.pdf> Acesso em 27 de ago de 2015.