Motor conv terminado

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Universidade Federal do Paraná
Departamento de Engenharia Elétrica
Conversão de Energia I
Motor de corrente contínua
Eduardo Vinicius Ransolin Pigoso 
Pietro Di Bernardo Neto
Rodrigo Kogeratski
Curitiba
 2013
Introdução
Motores CC – breve introdução
Motores de corrente continua são maquinas elétricas rotativas assim como as síncronas e as de indução. Estas máquinas funcionam pelo mesmo principio básico: a geração de tensão devido ao movimento de um campo magnético em relação a um enrolamento e a produção de uma força denominada conjugado que é gerada pela interação dos campos magnéticos das diferentes partes do motor. Em geral, as máquinas rotativas possuem as mesmas peças porém com diferentes funções. As duas partes elementares de qualquer máquina rotativa são o rotor e o estator.
Figura 1: Rotor e Estator
O rotor é a parte rotativa do motor e é feito de material ferromagnético; no caso dos motores cc, sobre o rotor está montado o enrolamento de armadura. O rotor é alimentado através das escovas de carvão, estas se encontram em contato com o anel comutador, que tornará a corrente continua que alimenta o rotor em corrente alternada, para que assim o movimento do rotor possa completar vários ciclos. 
No estator é a parte estática do motor que envolve o rotor. Nele estão enroladas as bobinas de campo em cada polo, a função deste enrolamento é gerar o campo magnético.
A corrente de armadura produz uma força eletromotriz que pode ser calculada a partir da expressão abaixo:
= 	 		(Equação 1)
Onde P é o número de polos no estator; Ia representa a corrente de armadura e “a” é igual ao número de caminhos paralelos de armadura, este valor é dado pelo tipo de enrolamento utilizado no rotor, isto será detalhado mais adiante; Za é o número total de condutores no enrolamento de armadura e é dado pela equação 2. Nesta equação na é o número de espiras na armadura e nb é o número de bobinas por espiras.
Za = na* 2*nb			(Equação 2)
A força magnetomotriz pode ser calculada também pelo produto entre o número de espiras de campo (Nf) e a corrente de campo (If):
Fmm = If*Nf			(Equação 3)
A tensão induzida gerada pela máquina de corrente continua pode ser calculada utilizando a seguinte equação:
Ea = K*øpico*v			(Equação 4)
Onde øpico é igual ao fluxo magnético máximo e v é a velocidade. Quando v é dado em radianos por segundo, utilizamos o símbolo ω e a constante K é dada pela equação 5. 
Ka = 			(Equação 5)
Ea = Ka* øpico*ω			(Equação 6)
Quando a velocidade é dada em rotações por minuto (rpm), utilizamos o símbolo n e a constante é dada pela equação 7:
Ke = 			(Equação 7)
Ea = Ke* øpico*n			(Equação 8)
O torque gerado pelo motor pode ser calculado utilizando a equação 9.
 T = Ka*øpico*Ia			(Equação 9)
1.2 TIPOS DE MOTORES CC
Apesar do desenvolvimento de técnicas de acionamento de corrente alternada (CA), o motor de corrente contínua (CC) ainda se mostra a melhor opção em inúmeras aplicações, devido às suas características e vantagens, tais como:
Máquinas de Papel 
Bobinadeiras e desbobinadeiras 
Laminadores 
Máquinas de Impressão 
Extrusoras 
Prensas 
Elevadores 
Movimentação e Elevação de Cargas 
Moinhos de rolos 
Indústria de Borracha 
Mesa de testes de motores
A ampla utilização desse tipo de motor proporcionou a otimização da tecnologia de motores visando melhor desempenho. Hoje em dia, para diferentes aplicações, existem disponíveis diversos tipos de motores de corrente contínua. Os tipos de motores variam de acordo com o tipo de excitação, tipos de enrolamento, ambiente em que se encontra o motor, grau de proteção, tipo de refrigeração necessária, etc.
1.2.1 Classificação Enquanto ao tipo de Enrolamento
As bobinas da armadura ligadas em série formam grupos paralelos entre as escovas. A forma com que essas bobinas são ligadas às barras do comutador define dois tipos básicos de enrolamento: o enrolamento imbricado e o ondulado. O enrolamento e a posição das escovas são escolhidos de forma que as escovas mantenham contato elétrico com aquelas barras que estão ligadas aos condutores que estão transitoriamente na região interpolar, onde a bobina tem tensão induzida nula devido à ausência de fluxo. A seguir os dois tipos de enrolamento citados acima são descrito.
1.2.1.1 Enrolamento Imbricado
O enrolamento imbricado caracteriza-se pela distância entre as barras do comutador que as bobinas são soldadas. Os terminais de cada bobina serão ligados a barras vizinhas do comutador. O diagrama que demonstra como é feito um enrolamento imbricado em um motor de 4 polos é apresentado abaixo na figura 2 .
Figura 2 – Enrolamento imbricado completo de 4 polos e grupos paralelos de bobinas.
O número de grupos de bobinas é dado pela equação 10:
a = m*p			(equação 10)
1.2.1.2 Enrolamento Ondulado
No enrolamento ondulado, os terminais de suas bobinas estão ligados a barras deslocadas de 360º elétricos, ou seja, dois passos polares. como mostrado na figura 3 abaixo.
Figura 3 – Enrolamento ondulado completo de 4 polos e grupos paralelos de bobinas.
1.2.2 Classificação enquanto Excitação
As máquinas de corrente contínua são classificadas de acordo com as conexões do enrolamento de campo: máquinas de campo separado, de campo paralelo, de campo série e de campo composto.
1.2.2.1 Motor com Excitação Independente
Se o enrolamento de campo tem seus terminais ligados a uma fonte separada da fonte do circuito de armadura, o motor é dito de excitação separada, ou independente. A figura 4 mostra o circuito equivalente para este tipo de excitação, com as especificações detalhadas do motor.
Figura 4 – Motor CC com excitação independente.
1.2.2.2 Motor Shunt 
Nesse tipo de motor os enrolamentos de campo e de armadura são conectados em paralelo e alimentados por uma mesma fonte de tensão contínua. Diferentemente do motor de excitação independente, o motor shunt ou com campo paralelo tem sua corrente de campo dependente da tensão de armadura, porque os enrolamentos de campo e de armadura são conectados em paralelo.
1.2.2.3 Motor com excitação em serie
Se o enrolamento de campo é conectado em série com a armadura, o motor é denominado motor campo série e o projeto do enrolamento deve ser diferente daquele utilizado na excitação independente, pois, sendo as correntes de armadura elevadas, há a necessidade de condutores com área maior e um enrolamento de menor número de espiras para produzir a mesma força magnetomotriz de excitação do equivalente motor de excitação independente. Como a corrente de campo é a corrente de armadura, qualquer variação na corrente de armadura significa variação no fluxo por polo que atravessa o entreferro, apesar de que na prática existe uma limitação do fluxo por causa do fenômeno da saturação magnética. Esse tipo de motor é utilizado em aparelhos elevatórios e de tração mecânica.
1.2.2.4 Motor de excitação composta
A combinação das características de desempenho das máquinas de campo paralelo e de campo série é obtida ao se conectar os circuitos de campo separado e série, e, por essa razão, são denominadas máquinas de campo composto. Para o enrolamento do campo série ligado em série com a armadura, a ligação é conhecida por ligação paralela-longa; se o enrolamento série for ligado externamente ao circuito da armadura, a ligação é dita ligação paralela-curta.
Experimental
2.1 Materiais 
- Motor (2 polos) 
- Paquímetro Digital 
- Multímetro Digital 
- Fio de cobre esmaltado
Figura 5: Motor original
2.2 Procedimentos
2.2.1 Construção do Motor
	Após desmontar o motor, todos os enrolamentos (de campo e de armadura) foram desfeitos. Mediu-se utilizando o paquímetro digital as seguintes distâncias:
Figura 6: Diâmetro do Estator
Figura 7: Diâmetro do Rotor
Figura 8: Altura do Polo
Assim, obtiveram-se as seguintes medidas:
D = 38,64 mm (Diâmetro do estator – Distância entre os polos) 
	d = 37,93 mm (Diâmetrodo rotor)
c = 44 mm (Comprimento do polo)
	
	Após realizada essas medidas procedeu-se com uma série de cálculos para chegar no valor de espiras necessárias para fazer o motor operar nas condições pedidas pelo professor, isto é: girar a 2000 rpm alimentado por uma tensão de armadura (Va) igual a 15V e uma corrente de campo (If) igual a 0,8 A.
Calculo da constante Ke
	Esta constante é calculada utilizando a equação 7
				(Equação 7)
Como visto anteriormente “a” é o número de grupos de bobinas, como foi decidido que o enrolamento utilizado seria do tipo imbricado, podemos calcular “a” através da equação 10:
a = m*p			(Equação 10)
Onde m é multiplicidade, que no caso imbricado é igual a 1. A variável p é o número de polos que neste caso é igual a 2, assim:
a = 1 * 2
a = 2
Za é o número total de condutores no enrolamento da armadura, é calculado pela equação 2, onde na é o número de espiras na armadura e nb é o número de bobinas por espiras:
Za = na* 2*nb			(Equação 2)
Do motor sabemos que nb é igual a 12. A variável na por enquanto permanecerá uma incógnita. 
Za = na*2*12
Za = 24na
Sabendo que o número de polos P é igual a 2, e substituindo os valores de Za, e a na equação 7, obtemos:
Ke = 
Ke = 0,4na			(Equação 11)
Em seguida calculamos a relutância do entreferro, dada pela equação 12.
				(Equação 12)
	Para calcular o comprimento do entreferro, utilizamos os valores de D (diâmetro do estator) e d (diâmetro do rotor) obtidos através da medição do motor:
	
	l = D-d			
	l = 38,64*10-3 [m] –37,93*10-3 [m]
	l = 0,71*10-3 [m] 
	
	A variável A corresponde á área do polo, que é dada pelo produto do arco do polo e o comprimento “c” do polo, medido experimentalmente. 
Figura 9: Área do Polo
	A = arc*c			
	A = ϴ*()[m]*c[m]
	A = 2,277432[rad]*()[m]*39,57 *10-3 [m]
	A = 1,741*10-3 [m²]
	
	Substituindo A e l na equação 12 obtemos:
	ℜ = 					
	ℜ = 324526 [Ω/m] 
	Sabemos que a relutância pode ser calculada pela divisão entre a força magnetomotriz (Fmm) e o fluxo eletromagnético (øpico) (equação 13). Isolando o fluxo obtemos a seguinte equação:
	øpico = (Equação 13)
	A força magnetomotriz pode ser calculada também pela equação 3, onde If é a corrente de campo, que foi dada e é igual a 0,8A; e Nf é o número de espiras de campo, a nossa principal incógnita. Substituindo a equação 3 na equação 13:
	
	øpico = 			
	øpico = 
	øpico = Nf*3,0814*10-6 [A.m/Ω] 	(Equação 14)
	Finalmente, para calcular o número de espiras de campo aplicamos a equação 8:
	
	Ea = Ke* øpico * n		(Equação 8)
	
	Como já foi visto, Ea é a tensão de armadura, que foi dada e deve ser igual a 15V; n, velocidade de rotação, também foi dado e é igual a 2000 rpm, assim:
	15 [V] = 0,4na* Nf*3,0814*10-6 [A.m/Ω]*2000 [rpm] 
	Isolando Nf:
	Nf = 
	Como temos a liberdade de assumir qualquer valor para na, atribuiremos a na o valor de 30, isto é, o enrolamento de armadura possui 30 espiras. Deste modo obtemos um valor de Nf igual a:
	Nf = 202,82
Arredondando este valor para o próximo maior inteiro par (276) e dividindo por dois, obtemos o número de espiras de campo por polo, isto é: 101 espiras.
Para enrolar o rotor seguimos o esquema dado na figura 11. Fomos instruídos a após enrolar e testar o motor, cobrir as espiras do rotor com verniz eletroisolante para proteger o enrolamento. 
Figura 10: enrolamento imbricado
 
Figura 11: Motor Funcionando 
Cálculo do Torque
Para calcular o torque usamos a equação 9.
T = Ke*øpico*Ia		(Equação 9)
	
A corrente de armadura foi medida e seu valor foi igual 0,36 A. 
Ia = 1,36 A
Substituindo esse valor na equação 9, obtemos que o torque é igual a:
T = 12*0,000626*1,36
T = 0,0102 [N*m]
Cálculo da Potência
A potência é calculada apenas substituindo os valores de tensão e corrente na conhecida equação 15, assim obtemos:
P =Ia*Ea			(Equação 15)
P = 1,36[A]*15[V]
P = 20,4 [W]
Conclusão
A construção do motor possibilitou a aplicação dos conceitos adquiridos em sala de aula e a verificação de vários princípios teóricos sobre o funcionamento de motores de corrente continua. 
Este trabalho se mostrou um desafio pois envolve o projeto do motor quase desde o Princípio, assim permitindo, além da aplicação de conceitos teóricos, salientar a importância de manter os erros a níveis o mais baixo possíveis.
	O motor funcionou, mas a velocidade de rotação correta (para a qual o motor fora projetado) só será certa quando o motor for apresentado, tendo o equipamento correto.
Referências Bibliográficas 
- EDSON BIN, Apostila de Máquinas Elétricas e Acionamento – Uma introdução. Unicamp, Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação. http://adjutojunior.com.br/maquinas_eletricas/livro_maquinas_eletricas_edson_bin.pdf (Acessado 11/06/12)
- FITZGERALD, A. E., KINGSLEY Charles; UMANS, Stephen D. Máquinas Elétricas. 6ed. Bookman, Porto Alegre, 2006.
- PEDRO ORNELAS, Apostila de Motores Elétricos de Corrente Contínua. Universidade Federal da Bahia, Escola Politécnica, 2000. http://www.eletronica.org/arquivos/MotoresCC.pdf (Acessado 11/06/12)
- Motores de Corrente Contínua: Guia Rápido para uma especificação precisa. Publicação Técnica, Ed. 01.2006, SIEMENS http://www.deg.ufla.br/site/_adm/upload/arquivos/motorcc-siemens.pdf (Acessado 11/06/12)
- CLODOMIRO UNSIHUAY VILA, Apostila de Máquinas de Corrente Contínua – aula 5.1. Universidade Federal do Paraná, Departamento de Engenharia Elétrica. http://clodomirovilaunsihuay.weebly.com/uploads/1/0/2/1/10218846/aula_5_1_-_conversao_de_energia_i.pdf (Acessado 11/06/12)