229559599-MOTOR-CC

Prévia do material em texto

1 
 
SUMÁRIO 
1 INTRODUÇÃO............................................................................................ 2 
2 EMBASAMENTO TEÓRICO ...................................................................... 3 
2.1 Aspectos Construtivos ......................................................................... 3 
2.1.1 Estator ........................................................................................... 3 
2.1.2 Rotor .............................................................................................. 3 
2.1.3 Anel Comutador ............................................................................. 3 
2.2 Tipos De Enrolamento ......................................................................... 3 
2.2.1 Ondulado ....................................................................................... 3 
2.2.2 Imbricado ....................................................................................... 4 
2.3 Excitação ............................................................................................. 5 
2.3.1 Excitação independente ................................................................. 5 
2.3.2 Excitação série ............................................................................... 5 
2.3.3 Excitação shunt .............................................................................. 5 
2.3.4 Excitação Composta ...................................................................... 5 
2.4 Funcionamento .................................................................................... 6 
3 PROJETO E CONSTRUÇÃO DO MOTOR ................................................ 6 
3.1 Problema Proposto .............................................................................. 6 
3.2 Equações Aplicadas no Projeto ........................................................... 6 
3.3 Projeto e Construção ........................................................................... 7 
3.4 Funcionamento .................................................................................. 11 
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................... 11 
5 CONCLUSÃO ........................................................................................... 12 
 
 
2 
 
1 INTRODUÇÃO 
Motores de corrente continua são maquinas elétricas rotativas capazes de 
transformar energia elétrica em mecânica através da 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. 
Neste trabalho será apresentada a descrição da reconstrução de um motor de 
corrente contínua, o cálculo de seus parâmetros de projeto, a montagem e os 
resultados obtidos. 
 
3 
 
 
2 EMBASAMENTO TEÓRICO 
2.1 Aspectos Construtivos 
O motor CC é constituído por circuito indutor, circuito induzido e circuito 
magnético. O circuito indutor encontra-se no estator e o induzido no rotor. 
2.1.1 Estator 
Parte fixa do motor, montada em volta do rotor, de forma que o mesmo possa 
girar internamente. Constituído de material ferromagnético, envolto em um 
enrolamento de baixa potência chamado de enrolamento de campo, que tem a função 
apenas de produzir um campo magnético fixo para interagir com o campo da 
armadura. 
2.1.2 Rotor 
Parte girante, montada sobre o eixo do motor, construído de um material 
ferromagnético envolto no enrolamento de armadura e no anel comutador. Este 
enrolamento suporta uma alta corrente em comparação ao enrolamento de campo e 
é o circuito responsável por transportar a energia proveniente da fonte de energia. 
2.1.3 Anel Comutador 
Responsável por realizar a inversão adequada do sentido das correntes que 
circulam no enrolamento de armadura, constituído de um anel de material condutor, 
segmentado por um material isolante de forma a fechar o circuito entre cada uma das 
bobinas do enrolamento de armadura e as escovas no momento adequado. O anel é 
montado junto ao eixo da máquina e gira junto com a mesma. O movimento de rotação 
do eixo produz a comutação entre os circuitos dos enrolamentos. 
2.2 Tipos De Enrolamento 
2.2.1 Ondulado 
No enrolamento ondulado, as extremidades de cada bobina são ligadas aos 
segmentos do comutador com dois pólos de intervalo. Em vez de curto-circuitar uma 
única espira, a escova faz curto-circuito em um pequeno grupo de espiras ligadas em 
4 
 
série. O enrolamento ondulado é recomendado para aplicação em máquinas CC de 
alta tensão e baixa corrente, em que a máquina opera com elevadas velocidades. 
 
Figura 1 - Enrolamento ondulado 
 
2.2.2 Imbricado 
No enrolamento imbricado simples, as extremidades de cada bobina são 
ligadas a segmentos comutadores adjacentes. Dessa forma, todas as bobinas ficam 
ligadas em série. No enrolamento imbricado duplo há dois conjuntos separados de 
bobinas, cada conjunto ligado em série. Estes dois conjuntos de bobinas são ligados 
entre si somente através das escovas. Num enrolamento imbricado simples, uma 
única escova faz o curto-circuito entre as duas extremidades da mesma bobina. 
 
Figura 2 - Enrolamento imbricado 
 
5 
 
2.3 Excitação 
2.3.1 Excitação independente 
Nesta configuração o circuito de excitação da máquina é alimentado por uma 
fonte adicional independente ou separada da fonte de corrente contínua que alimenta 
a armadura. Em geral o enrolamento de campo que produz a excitação é constituído 
de condutores que não suportam grandes correntes, pois a excitação em geral utiliza 
correntes baixas para produzir o campo magnético em comparação com as correntes 
que circulam no enrolamento de armadura. 
 
2.3.2 Excitação série 
O circuito do enrolamento de campo que produz a excitação está em série com 
o circuito de armadura, sendo assim necessário apenas uma fonte para alimentar o 
circuito de campo e da armadura. Como neste caso a corrente que circula no 
enrolamento de campo que produz a excitação é a mesma corrente que circula no 
enrolamento da armadura, é necessário um enrolamento próprio para o circuito de 
excitação, capaz de suportar correntes relativamente altas da armadura. 
2.3.3 Excitação shunt 
O circuito do enrolamento de campo que produz a excitação está em paralelo 
ou em derivação com o circuito de armadura. Nesta configuração, é necessário 
apenas uma fonte de corrente contínua para alimentar o circuito de armadura e de 
campo, pois ambos os circuitos estão em paralelo. Como o enrolamento de campo 
está em paralelo ou em derivação com o circuito de armadura, é possível utilizar o 
mesmo tipo de condutor do caso de excitação independente. 
2.3.4 Excitação Composta 
Com dois enrolamentos de excitação, um em série e outro em derivação, 
podendo existir o esquema de ligação longo ou curto e composto aditivo ou subtrativo. 
Neste esquema de ligação utiliza-se uma combinação da excitação série e shunt, de 
forma a aproveitar os benefícios de ambas as ligações. Em muitas aplicações o 
enrolamento série é utilizado para compensar o efeito desmagnetizante da reação de 
armadura. 
6 
 
2.4 Funcionamento 
A idéia 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. Se fizermos passar 
correntes elétricas por duas bobinas próximas, os campos magnéticos criados 
poderão fazer com que surjam forças de atração ou repulsão. Partindo da posição 
inicial, em que os pólos do rotor, ao serem percorridos por uma corrente, estão 
alinhados com o imã permanente, temos a manifestação de uma força de repulsão. 
Esta força de repulsão faz o conjuntomóvel mudar de posição. 
A tendência do rotor é dar meia volta para que 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 pólos mudem. 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. 
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. 
3 PROJETO E CONSTRUÇÃO DO MOTOR 
3.1 Problema Proposto 
Foi proposto para esse trabalho a construção de um motor CC excitação 
independente, 200 rpm, tensão de armadura de 15 V e corrente de campo de 1 A. 
3.2 Equações Aplicadas no Projeto 
Fluxo produzido pelo enrolamento de campo: 
Ø𝑃 =
𝑁𝐹 × 𝐼𝐹
ℜ
 
Onde NF representa o número de espíras no enrolamento de campo e IF a 
corrente que circula no mesmo. 
A relutância por sua vez é expressa por: 
ℜ = 
𝑔
𝜇0 × 𝐴
 
7 
 
Onde µ0 representa a permeabilidade magnética no vácuo, g a distância total 
entre o rotor e o estator e A a área do estator que induz o campo magnético sobre o 
rotor. 
Tensão induzida na armadura: 
𝐸𝑎 = 𝐾𝐸 × ∅𝑃 × 𝑛 
Onde n representa a velocidade do motor em rpm e KE é uma constante. 
Relação envolvendo o número de condutores ativos, Za: 
𝑍𝑎 =
𝐾𝐸 × 60 × 𝑎
𝑝
 
Onde p é o número de pólos do motor e a o número de caminhos no rotor. 
É importante saber ainda que: 
𝑍𝑎 = 2 × 𝑏𝑜𝑏 × 𝑒𝑠𝑝 
Onde o valor 2 é resultado da existência de 2 condutores ativos para cada 
espira no motor, bob representa o número de bobinas e esp a quantidade de espiras 
em cada bobina no rotor. 
3.3 Projeto e Construção 
Foi usada uma “carcaça” de motor originalmente usado em liquidificador, 
ilustrada na Figura 33 e cujo rotor é visto na Figura 44. 
 
 
Figura 3 - Ilustração da carcaça 
8 
 
 
Após medidos o comprimento do motor (l = 3,5 cm), sua área de indução de 
fluxo (A = 1,02 x 10-3 m²) e a distância de entreferro (g = 0,6 mm), foi possível calcular 
a relutância: 
ℜ = 
0.0006
4×𝜋×10−7×1.02×10−3
= 470,65 × 103 [A.Wb/m²] 
A partir de então foi calculado o valor do fluxo, estipulando-se que o 
enrolamento de campo é formado por 460 espiras. Assim: 
Ø𝑃 = 9,77 ∗ 10
−4 [Wb] 
O próximo passo foi encontrar o valor da constante KE, cujo valor encontrado 
foi de 7,674. 
Com isso foi possível determinar o número de condutores ativos, e 
consequentemente o número de espiras, que o rotor deve possuir para operar nas 
condições desejadas, tendo sido estipulado que o número de bobinas seria igual a 
três. 
Para esse caso os parâmetros medidos e calculados são mostrados na 
Tabela 1. 
Figura 4 - Rotor usado 
9 
 
 
Tabela 1 - Dados para o motor 
Assim o enrolamento do rotor ficou constituído por 3 bobinas contendo 77 
espiras cada, dispostas conforme a topologia do enrolamento tipo ondulado. 
Como originalmente o motor possuía 5 bobinas e 10 segmentos no comutador, 
uma adaptação foi feita, colocando em curto 4 dos segmentos do comutador 2 a 2. O 
diagrama do enrolamento pode ser visto na Figura 55. 
Ea = 15 V
a = 2 caminhos
Nf = 460 espiras
If = 1.00 A
Za = 460.42 condutores ativos
esp = 77 espiras por bobina
bob = 3 bobinas
p = 2 pólos
Relut = 470647.30 A.Wb/m²
g = 0.0006 m
u0 = 1.26E-06 N/A²
Area = 1.02E-03 m²
comp = 3.50E-02 m
raio = 0.0142 m
Øp = 9.77E-04 Wb
Ke = 7.674 -
n = 2000 rpm
m = 1 -
De = 0.029 m
10 
 
 
O resultado dessa montagem pode ser visto na Figura 6. 
Após efetuada a montagem foram medidos: 
 Resistência de armadura (com escovas): 4Ω 
 Resistência do enrolamento de campo: 20,7Ω 
Figura 6 - Motor montado 
Figura 5 - Enrolamento do motor (ondulado) 
11 
 
3.4 Funcionamento 
Ao ser ligado o motor operou nas seguintes condições: 
 VT = 25 V, Ia = 0.9 A 
 VT = 17 V, Ia = 0.8 A 
Onde VT é a tensão aplicada aos terminais da armadura do motor. 
Sabe-se que VT = Ea + Ra x Ia 
Supondo que o motor esteja operando na região linear da curva Ea x Ia, ou seja, 
Ea/Ia é quase constante, temos que VT/Ea também será próximo a um valor constante. 
Com isso podemos estipular o valor de VT para que EA seja igual a 15 V usando o 
coeficiente angular de VT vs EA de 1,2. Nesse caso VT deverá ser igual a 18 V para 
que Ea seja aproximadamente 15 V, e Ia será de 0.75 A. 
Com isso pode-se afirmar que a potência de entrada do motor é: 
PIN = Ea x Ia = 18 X 0,75 = 13,85 [VA] 
As perdas por aquecimento no cobre, no rotor, é dada por: 
 PCU = Ra x Ia² = 4 x 0,75² = 2,25 [W] 
 É de costume adotar um fator de perdas de 5% para perdas por causas 
diversas, que nesse caso corresponderá a um valor de 0,69 W. 
 Desse modo, a potência entregue pelo eixo do motor será estimada em: 
 Pout = PIN – PPERDAS = 13,85 – 2,25 – 0.69 = 10,91 [W] 
 A eficiência do motor será, portanto: 
 η = 13,85/10,91 = 78,77 % 
Pode-se ainda calcular o torque do motor: 
T = Za x øp x Ia / (2 x π x a) = 268,81 mN 
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS 
Foram realizadas várias tentativas de construção desse motor e após vários 
testes e análises foram observadas as seguintes falhas nas tentativas que não 
obtiveram sucesso: 
 Conexão errada da bobina ao comutador 
 Falha no isolamento das bobinas 
 Atrito no eixo do motor 
 Condutor inapropriado para a corrente que circularia no rotor 
12 
 
5 CONCLUSÃO 
O motor foi construído e operou com êxito, embora não tenha sido ainda 
conferida a velocidade de rotação do mesmo. 
Todas as horas dedicadas ao desenvolvimento desse trabalho contribuíram 
muito para a compreensão do funcionamento das máquinas CC e as principais falhas 
que podem acontecer durante a construção de uma. 
13 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
- 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 04/03/13) 
 
- 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 
04/03/13) 
 
- CLODOMIRO UNSIHUAY VILA, Apostila de Máquinas de Corrente Contínua 
– aula 5.1. Universidade Federal do Paraná, Departamento de Engenharia Elétrica. 
http://clodomirovilaunsihuay.weebly.com 
 
-Vídeo – Autor desconhecido - DC Motors and Generators 
https://www.youtube.com/watch?v=OpL0joqJmqY (Acessado 04/03/13)