Relatório 2014.02 Física Experimental III - Motor Elétrico de Corrente Contínua

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Física Experimental III
Experimento 04: Motor elétrico de corrente contínua
Data: 16/09/2014
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 Introdução
A rotação inerente aos motores elétricos é a base do funcionamento de muitos eletrodomésticos. Por vezes, esse movimento de rotação é óbvio, como nos ventiladores ou batedeiras de bolos, mas frequentemente permanece um tanto disfarçado, como nos agitadores das máquinas de lavar roupas ou nos 'vidros elétricos' das janelas de certos automóveis.
Objetivo
Estudar o funcionamento de um motor elétrico elementar de corrente contínua observando o comportamento da bobina para com o ímã.
Embasamento teórico 
Nos tempos atuais, é constante a exigência de aperfeiçoamento nos métodos de produção, bem como racionalização deles, mediante a automação e o controle dos processos envolvidos. Devido a este fato, mais e mais há a necessidade de controle e variação de velocidade e torque em máquinas elétricas acionantes.
Inicialmente conseguiu-se variações de velocidade mediante o uso de sistemas mecânicos, como caixas de engrenagens, correias e polias, o que muito limita os processos e as máquinas. Posteriormente, apareceram aplicações onde o controle de rotação é feito mediante o uso de motores de indução (gaiola) e acoplamentos magnéticos. Este método, porém, apresenta um baixo rendimento, causado pelas altas perdas elétricas do acoplamento.
Outra forma de se controlar velocidade é através de motores de anéis, mediante a ajuste da resistência rotórica através de um reostato externo. Este método apresenta um grande inconveniente que é a baixa precisão no controle da velocidade. Por isto é usado apenas na partida destes motores.
Os motores de corrente contínua (C) surgiram como uma forma de solucionar os problemas acima, pois sua velocidade pode ser continuamente alterada mediante a variação da tensão de alimentação. Além disso, os motores C apresentam torque constante em toda a faixa de velocidade - salvo se em região de enfraquecimento de
Inicialmente os motores C eram alimentados por geradores de corrente contínua, o que exigia o uso de duas máquinas (sistema WARD-LEONARD). Posteriormente, com o advento dos semicondutores de potência, apareceram os conversores estáticos à ponte tiristorizada, que é o método mais usado e difundido atualmente.
Os sistemas de velocidade variável utilizando motores de corrente contínua e conversores estáticos aliam grandes faixas de variação de velocidade, robustez e precisão à economia de energia, o que garante um ótimo desempenho e flexibilidade nas mais variadas situações.
Motor síncrono
É um motor elétrico cuja velocidade de rotação é proporcional à freqüência da sua alimentação.
Este motor pode ter seu rotor constituído por um eletroímã e ser alimentado por CC(corrente contínua) ou constituído por imãs permanentes. Como o campo magnético do rotor independe do campo magnético do estator, quando o campo magnético do rotor tenta se alinhar com o campo magnético girante do estator, o rotor adquire velocidade proporcional a freqüência da alimentação do estator e acompanha o campo magnético girante estabelecido no mesmo, sendo por este motivo denominado síncrono. O aumento ou diminuição da carga não afeta sua velocidade. Se a carga ultrapassar os limites nominais do motor, este pára definitivamente.
Alguns motores síncronos nao são auto-suficientes na partida, necessitando ser levados próximos a sua rotação nominal, através de um outro motor. Quando este alcança a velocidade próxima a rotação de trabalho, seu rotor é então alimentado e ele rapidamente alcança a velocidade de sincronismo.
A velocidade do motor é determinada pela equação: 
Ns= 120.f/p ; 
onde: 
Ns = velocidade em RPM.
f = frequencia em hertz
p = nº de polos
Motor de indução
No motor de indução, também conhecido como motor assíncrono, o rotor (parte móvel girante) recebe a corrente por indução causada pela diferença entre a velocidade do campo girante do estator e a velocidade do rotor, a razão do nome neste caso fica evidente. Como não há necessidade de acessar o rotor para produzir corrente no mesmo (rotor do tipo gaiola de esquilo), isso se torna uma grande vantagem em relação às máquinas síncronas, para algumas aplicações, principalmente como motor, pois não há necessidade de manutenção de escovas e de anéis deslizantes.
O rotor da máquina de indução pode ser de dois tipos, rotor bobinado ou rotor do tipo gaiola de esquilo. O rotor do tipo bobinado é feito de maneira que o número e polos é o mesmo do estator. Suas espiras são enroladas no ferro laminado que dará origem ao rotor e seus acessos são conectados a anéis deslizantes isolados localizados
no eixo da máquina. Escovas de carvão são colocadas em contato com esses anéis, para permitir o acesso aos terminais. Neste tipo de máquina, não existem as vantagem descritas anteriormente, em relação às máquinas síncronas. Essas máquinas são encontradas em número limitado de aplicações especializadas, mas seu uso vem crescendo devido às aplicações em fontes eólicas de energia.
No rotor do tipo gaiola de esquilo, não há necessidade de acessar os terminais do rotor, seu rotor é constituído de dois anéis condutores conectados por barras condutoras, formando várias espiras interconectadas. Formando nitidamente uma gaiola, como uma roda usada para exercitar roedores, essa gaiola é preenchida com o ferro laminado, de maneira a reduzir o entreferro e diminuir as perdas. Sua grande robustez se traduz em grandes vantagens para suas aplicações, a gaiola se adapta a qualquer mudança do 10 número de polos que o campo do estator imponha. Essas vantagens fazem do motor de indução com rotor tipo gaiola de esquilo o mais comumente usados.
Sendo ns a velocidade do campo girante do estator, ou seja, a velocidade síncrona, e na velocidade do rotor, no mesmo sentido que o campo girante do estator, diferença entre essas duas grandeza é comumente chamada de velocidade de escorregamento do rotor (nr).
nr = ns - n
O escorregamento (s) é definido como a razão entre a velocidade de escorregamento e a velocidade síncrona, como na equação abaixo.
	
No rotor ocorrem tensões de frequência fr, induzidas pelo movimento relativo entre o fluxo do estator e o rotor.
	
Essa frequência é chamada de frequência de escorregamento, isso mostra o quanto a máquina de indução é semelhante a um transformador, pois ela faz uma transformação de frequência, regida pela equação (3), com relação às frequências do estator e do rotor.
Estator
Este torque (momento) normalmente é produzido por forças magnéticas desenvolvidas entre os pólos magnéticos do rotor e aqueles do estator. Forças de atração ou de repulsão, desenvolvidas entre estator e rotor, 'puxam' ou 'empurram' os pólos móveis do rotor, produzindo torques, que fazem o rotor girar mais e mais rapidamente, até que os atritos ou cargas ligadas ao eixo reduzam o torque resultante ao valor 'zero'. Após esse ponto, o rotor passa a girar com velocidade angular constante. Tanto o rotor como o estator do motor devem ser 'magnéticos', pois são essas forças entre pólos que produzem o torque necessário para fazer o rotor girar. 
Rotor
O rotor do motor precisa de um torque para iniciar o seu giro. Este torque (momento) normalmente é produzido por forças magnéticas desenvolvidas entre os pólos magnéticos do rotor e aqueles do estator. Forças de atração ou de repulsão, desenvolvidas entre estator e rotor, 'puxam' ou 'empurram' os pólos móveis do rotor, produzindo torques, que fazem o rotor girar mais e mais rapidamente, até que os atritos ou cargas ligadas ao eixo reduzam o torque resultante ao valor 'zero'. Após esse ponto, o rotor passa a girar com velocidade angular constante.
Comutador
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 bobinado rotor, 'sai' pela outra placa do comutador e 'retorna' á fonte pela outra escova (-). Nessa etapa o rotor realiza sua primeira meia-volta.
Objetivos
Ao término desta atividade o aluno deverá tercompetência para:
Identificar o vetor indução magnética e o sentido da corrente elétrica que percorre o condutor;
Reconhecer que a corrente elétrica produz efeitos magnéticos;
Verificar a força produzida pela indução magnética sobre as cargas em movimento;
Aplicar a regra da mão direita para determinar o efeito de um campo magnético externo sobre um condutor no qual circula uma corrente.
Reconhecer o funcionamento de um motor CC.
Construir um modelo do motor CC.
Material necessário
1 base principal com trilhos articuláveis;
2 hastes paralelas com, imã e afastador;
1 motor elementar;
1 fonte de alimentação regulada para 3,0V VCC;
2 conexões de fio com pinos de pressão;
Procedimento da Experiência
Levante as duas hastes paralelas articuláveis e afaste os protetores deslizantes dos pequenos orifícios existentes.
O motor elementar já estava encaixado nos orifícios das hastes.
Colocado o imã em U na base acrílica, com o polo norte para cima e próximo do motor elementar – Figura 4.
Ao ligar a fonte de alimentação que estava ajustada para a 3.0V baixou para 1.8V e acorrente que estava em 0.0A aumentou para 0.9V, isso ocorreu por causa da transformação de energia cinética em energia mecânica, que proporcionou o movimento das hastes.
 	Conforme a corrente elétrica percorria os pólos foi percebido o sentido da corrente que circulava do polo norte para o polo sul conforme a Figura 6, exercendo uma força no eixo fazendo-o girar.
O esmalte funcionou como um isolante, possibilitando a passagem da corrente pelas as hastes do motor.
Conclusões
 	Adquirimos no experimento do laboratório um melhor entendimento e conhecimento sobre motores CC. Observando o seu funcionamento com um imã com um motor elementar feito de cobre. Foi possível de identificar o sentido da corrente e sua força
Bibliografia
HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física. v. 2. 6. ed. Rio de Janeiro, RJ 2006.
Apostila de Física Experimental II, Roteiros para Experimentos de Física.
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