Motor em CC

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I. FUNDAMENTOS TEÓRICOS:
Sabemos que cargas elétricas em movimento, quando num campo magnético, sofrem a ação de forças, chamadas forças magnéticas. Se essas cargas se movimentam num condutor, a soma de todas as forças atuantes sobre as cargas individuais dará origem a uma força resultante sobre o condutor. A direção e o sentido de tal força são dados pela regra da mão esquerda Fig.1. O dedo polegar indica o sentido da força magnética F, o dedo indicador representa o sentido do campo magnético B e o dedo médio o sentido da velocidade V.
Fig.1 – Regra da mão esquerda
INTRODUÇÃO
Os motores de corrente contínua (CC) ou motores DC (Direct Current) Fig.2, como também são chamados, são dispositivos que operam aproveitando as forças de atração e repulsão geradas por eletroímãs e imãs permanentes. O motor CC pode ser aplicado tanto como motor quanto como gerador, no caso de ser aplicado como gerador, recebe o nome de Dínamo (que converte energia mecânica em elétrica de CC).
 Fig.2 – Motor em CC Fig.3 – Dínamo 
Na verdade, os motores elétricos de corrente contínua não têm um único eletroímã, mas funcionam com várias bobinas. Estas bobinas são ativadas alternadamente para melhor torque durante a rotação.
FUNCIONAMENTO
Conforme sabemos, se fizermos passar correntes elétricas por duas bobinas próximas, conforme mostra a Fig.4, os campos magnéticos criados poderão fazer com que surjam forças de atração ou repulsão.
Fig.4 – Forças magnética
A ideia básica de um motor é montar uma bobina entre os pólos de um imã permanente ou então de uma bobina fixa que funcione como tal, conforme mostra a Fig.5.
Fig.5 – Esquema básico de motor em CC
Partindo então da posição inicial, em que os pólos da bobina móvel (rotor), ao ser percorrida por uma corrente, estão alinhados com o imã permanente temos a manifestação de uma força de repulsão. Esta força de repulsão faz o conjunto móvel mudar de posição, conforme mostra a Fig.6.
Fig.6 – Movimento pela força de repulsão
A tendência do rotor é dar meia volta para seu pólo Norte se aproxime do pólo Sul do imã permanente. Da mesma forma, seu pólo Sul se aproximará do pólo Norte pelo qual será atraído.
No entanto, no eixo do rotor, por onde passa a corrente que circula pela bobina, existe um comutador. A finalidade deste comutador é inverter o sentido da circulação da corrente na bobina, fazendo com que os pólo mudem. Observe a Fig.7.
Fig.7 – Comutador
O resultado disso será uma transformação da força de atração em repulsão, o que fará com que o rotor continue seu movimento, passando "direto" pela posição que seria de equilíbrio.
Sua nova posição de equilíbrio seria obtida com mais volta, de modo que os pólos do rotor se defrontassem com os de nome oposto do imã fixa.
Mais meia volta, e quando isso poderia ocorrer, a nova posição faz com que o comutador entre em ação e temos nova comutação da corrente. Com isso os pólos se invertem.
O resultado disso é que o rotor não para, pois deve continuar em busca de sua posição de equilíbrio, porém, o rotor não vai parar enquanto houver corrente circulando pela bobina.
A velocidade de rotação deste tipo de motor não depende de nada a não ser da força que o rotor tenha de fazer para girar. Desta forma, os pequenos motores de corrente contínua têm uma velocidade muito maior quando giram livremente do que quando girar fazendo algum tipo de esforço (movimento alguma coisa).
Velocidade do eixo: Um motor CC aplica uma tensão (V) para rodar um eixo a uma velocidade de rotação proporcional (ω). As especificações de velocidade do eixo geralmente se referem à velocidade sem carga, que é a velocidade máxima que o motor pode alcançar quando não há torque aplicado. Tipicamente, a velocidade do eixo é dada em rotações ou rotações por minuto (RPM). Estas rotações ou revoluções também podem ser representadas em radianos por segundo (rad/s) e para cálculos numéricos, o valor em radianos pode ser mais conveniente. A seguinte fórmula descreve a relação entre radianos por segundo e rotações ou rotações por minuto.
ωrad/s = ωrpm · (2π/60)
Para um motor CC ideal (que não possui perdas), a velocidade rotacional é proporcional à tensão fornecida, sendo:
ω = j · V
onde j é uma constante de proporcionalidade, dada em rad/(s.V).
Igualmente, a corrente exigida pelo motor depende da oposição que o rotor encontra para sua movimentação. Fazendo mais força, o consumo aumento sensivelmente.
Pequenos motores são especificados não propriamente para uma determinada tensão mas sim para uma certa faixa de tensões, normalmente dando-se o valor médio. Assim, um motor indicado para funcionar com 3V pode, na realidade operar com tensões na faixa de 1,5 a 4,5 V, dependendo da força desejada.
Torque de saída: A rotação do eixo gera uma força de rotação chamada torque (τ). O torque é dado em unidades de força-distância (lb-ft, oz-in, N-m, etc.) ele pode ser de dois tipos: torque de partida ou torque contínuo. O torque de partida é o τ no qual a velocidade do eixo é zero ou o motor está parado. Já o torque contínuo é o máximo τ em condições normais de funcionamento. Observe abaixo pela fórmula que o torque (τ) de um motor CC é proporcional à corrente de indução (I), sendo que neste caso temos a constante de torque (k). A seguinte equação descreve as relações entre torque e corrente.
τ = k · I   ou   I = τ / k
Para um dado torque, um valor alto de k limita a corrente a um valor baixo. Esta é uma medida de eficiência, uma vez que um menor consumo de corrente significa menor dissipação de energia (calor).
Fig.8 – Torque (T) e velocidade angular (ω)
Tensão disponível: Os motores de corrente contínua podem ser projetados para operar a uma tensão específica caso houver a necessidade. No entanto sempre devemos observar a disponibilidade de fonte de alimentação adequada para cada aplicação. As fontes de alimentação mais comuns no mercado são 12Vcc e 24Vcc, mas é comum conversores que realizam a retificação de tensões em 110V e 220V a fim de fornecer qualquer nível de tensão necessário para a sua aplicação.
Potência de saída: Uma especificação comum e importante é a potência nominal de saída (Po) que representa o produto do torque pela velocidade do motor. Na forma de equação, a potência de saída é dada por:
Po = τ · ω
A potência máxima de saída ocorre quando o motor está em 50% da velocidade sem carga e 50% do torque de parada e muitos fornecedores especificam a potência de saída em termos de CV ou HP.
Dissipação de potência: A corrente produzida em um motor de corrente contínua aquece o mesmo e cria uma potência dissipada (Pdis). A valor de Pdis está relacionado com a resistência total do sistema (RT), que é a resistência de todo o conjunto do motor incluindo as perdas por atrito no estator (Rstator) e no rotor (Rrotor). Através da corrente do motor, podemos calcular a dissipação de potência e, por sua vez, o aumento da temperatura do rotor (ΔT) devido à rotação. A partir de ΔT, a temperatura total do motor (TM) pode ser calculada pela adição da temperatura ambiente (Tamb). As seguintes equações ilustram os passos utilizados para calcular a temperatura final do motor:
Pdis = I2RT
RT = Rrotor + Rstator (exceto para o motor cc de íma permanente)
ΔT = Pdis(Rtot)
TM = Tamb + ΔT
Os motores elétricos escovados usam escovas de contato que se conectam com o comutador para alimentar o rotor. A construção escovada é menos onerosa do que o motor sem escovas e o controle é mais simples e barato. Outra característica é que o escovado pode operar em ambientes extremos devido à sua ausência interna de componentes eletrônicos. Por outro lado, motores escovados exigem manutenção periódica para substituição das escovas desgastadas. Os motores sem escovas ou Brushless usam um ímã permanente incorporado no conjunto do rotor. Eles podem usar um ou mais dispositivos de Efeito Hall para detectar a posição do rotor e uma eletrônica de acionamento associada a ele controla a rotação do eixo (velocidade). Os motoresBrushless são similares aos motores CA, mas são comutados eletronicamente (ESM) de modo que possam ser alimentados em CC.
Fig.9 – Motores CC com e sem escovas
VANTAGENS 
• Operação em 4 quadrantes com custos relativamente mais baixos 
• Ciclo contínuo mesmo em baixas rotações 
• Alto torque na partida e em baixas rotações 
• Ampla variação de velocidade 
• Facilidade em controlar a velocidade 
• Os conversores CA/CC requerem menos espaço
 • Confiabilidade 
• Flexibilidade (vários tipos de excitação) 
• Relativa simplicidade dos modernos conversores CA/CC 
 
DESVANTAGENS 
• Os motores de corrente contínua são maiores e mais caros que os motores de indução, para uma mesma potência 
• Maior necessidade de manutenção (devido aos comutadores) 
• Arcos e faíscas devido à comutação de corrente por elemento mecânico (não pode ser aplicado em ambientes perigosos) 
• Tensão entre lâminas não pode exceder 20V, ou seja, não podem ser alimentados com tensão superior a 900V, enquanto que motores de corrente alternada podem ter milhares de volts aplicados aos seus terminais.
 • Necessidade de medidas especiais de partida, mesmo em máquinas pequenas.
CUSTO
Se compararmos um motor CC e um motor CA de indução trifásico (também mencionado com a sigla MIT), ambos com a mesma potência, o motor CA terá tamanho menor, com 20 a 40% a menos de massa que o motor CC. Isto justifica o fato de esta máquina ter um custo de aquisição e manutenção menor do que o motor CC. Porém se considerarmos o custo global levando em consideração a aplicação de acionamentos controlados, os conversores (também chamados de inversores) e que os sistemas de controle necessários para o motor CA são mais sofisticados do que os utilizados para as máquinas CC, este custo global é maior para a máquina CA do que para a máquina CC. Entretanto ainda, o custo desses conversores e circuitos eletrônicos tem diminuído mais significativamente do que o custo da produção dos motores, assim o custo global da máquina CA tem diminuído e reduzindo também essa vantagem da máquina CC.