PAPER MOTOR ELÉTRICO Uniasselvi Engenharia

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

2
MOTORES DE CORRENTE CONTÍNUA
Gustavo Andrade Ribeiro
Fernanda Carolina Baum
Matheus Ribeiro de Matos Douglas de Souza Fagundes
Tutor: Rodrigo Leopoldo Mendes Coelho
RESUMO 
Este trabalho tem por objetivo a integração enquanto ao meio tecnológico entre a funcionalidade dos motores elétricos, focado principalmente em motores de corrente contínua, abordando conceitos básicos e princípio de funcionamento relacionando as vantagens e desvantagens de seu uso industrialmente e até mesmo em nosso cotidiano. Dentro do contexto histórico da humanidade, o impacto positivamente gerado para o crescimento da indústria, e consequentemente para o homem. Além desses aspectos estão apresentados os pontos positivos e negativos, quanto as características de seleção ao adquirir um motor de corrente contínua. 
Palavras-chave: motor; contínua; elétrico; máquina; corrente.
1 INTRODUÇÃO
Com a invenção do primeiro gerador de corrente contínua, feito no ano de 1886 pelo cientista alemão Werner von Siemens, marcou a data como o ano de nascimento da máquina elétrica. Entretanto esta máquina que revolucionou o mundo em poucos anos, foi o último estágio de estudos para muitos outros cientistas por aproximadamente 300 anos.
Antes disso, em uma data aproximada de 641 a.C., a eletricidade estática já havia sido observada e estudada pelo filósofo Tales de Mileto, na qual verificou que ao atritar uma peça de âmbar com um pano, a peça adquiria a propriedade de atrair corpos leves, como pelos e penas. Em 1600, na cidade de Londres, o cientista inglês William Gilbert publicou a obra cujo tema principal era a força de atração magnética, denominada De Magnete. Anos mais tarde, por volta de 1663 foi construída a primeira máquina eletrostática pelo alemão Otto von Guericke e aperfeiçoada somente no ano de 1775 pelo suíço Martin Planta.
No ano de 1820, fazendo experiências com correntes elétricas, o físico dinamarquês Hans
Christian Oersted verificou que a agulha magnética da sua bússola era desviada de sua posição
norte-sul ao passar perto de um condutor de corrente elétrica. Com isso, Oersted reconheceu a íntima ligação entre o magnetismo e a eletricidade, dando o primeiro passo em direção ao desenvolvimento do motor elétrico.
Admirado com a descoberta de Oersted, no ano de 1825, o sapateiro inglês William Sturgeon – que estudava eletricidade nas horas de folga – observou que um núcleo de ferro envolto por um fio condutor se transformava em um ímã ao ser aplicado uma corrente elétrica, notando que a força do ímã cessava quando a corrente fosse interrompida. E ali, naquele momento, surge o eletroímã, que mais tarde seria a peça chave para a confecção de máquinas elétricas girantes.
DEFINIÇÃO
O motor elétrico é a máquina que objetiva transformar energia elétrica em mecânica. De acordo com Santos (2011), corrente contínua (CC) é o fluxo ordenado de elétrons em uma direção, fornecido por baterias, pilhas, dínamos, fonte de energia solar e de outras várias tecnologias, que retificam a corrente alternada para produzir corrente contínua. Normalmente é utilizada para alimentar aparelhos eletrônicos (entre 1,2V e 24V) e equipamentos de informática como computadores e modems. 
Além disso, é comumente utilizado para transmissão de energia elétrica em grandes distâncias devido as vantagens quando comparada a transmissão de corrente alternada (CA) convencional. Inclusive, podem funcionar a uma velocidade ajustável em limites amplos, por isso, muitas vezes seu uso é restrito. 
TIPOS DE CORRENTE CONTÍNUA
“Uma máquina diz-se de corrente contínua quando as tensões e correntes aos seus terminais são unidireccionais.” (MARQUES, 2011, p. 07).
As correntes contínuas podem ser classificadas como pulsantes ou constantes. As correntes pulsantes têm seu sentido constante, porém, o fluxo de elétrons no interior do fio é dado em pulsos, e, consequentemente, faz com que a intensidade passe por variações no decorrer do tempo. 
As correntes contínuas são constantes quando não existe alteração de intensidade e sentido com o passar do tempo. É comum encontrar esse tipo de corrente em pilhas e baterias.
ESPECIFICAÇÃO DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA
Conforme Honda (2004, p. 02), o rotor pode ser definido, como um eletroímã, composto por um núcleo de ferro, com um enrolamento metálico acompanhada com os fios cobre em sua superfície, continuamente alimentado por um mecanismo de comutação.
 De acordo com uma matéria publicada em 2017 pelo blog WebDrives, um motor de corrente contínua (CC) é composto por um eixo acoplado ao rotor que é a parte girante do motor; é alimentado por uma bateria ou qualquer outra de alimentação CC. A sua comutação (troca de energia entre rotor e estator) pode ser feita por meio de escovas (chamado de escovado) ou sem escovas (brushless). Inclusive, a velocidade do motor pode ser controlada com a variação da tensão, diferentemente de um motor de corrente alternada (CA), em que a velocidade é variada pela frequência. 
3.1.1 Motor sem escova (Brushless)
Os motores 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 um acionamento associado a ele para controlar a rotação do eixo (velocidade). São muito parecidos com os motores de corrente alternada, mas são eletronicamente comutados de modo que possam ser alimentados em corrente contínua. Sua comutação é muito mais eficiente, requer menos manutenção, praticamente não gera ruído e tem uma maior densidade de potência e faixa de velocidade se comparado ao motor de comutação escovada. Contudo, a eletrônica dos motores brushless contribuem para o seu custo de aquisição, que também possuem maior complexidade e maiores limitações ambientais.
3.2.2 Motor escovado
O motor escovado é constituído de escovas de contato que se conectam com o comutador para alimentar o rotor. A construção escovada é menos sobrecarregada do que o motor sem escovas além de seu controle ser muito mais simples e barato. Outra observação importante é que o motor escovado pode operar em ambientes extremos devido à ausência de componentes eletrônicos. Por outro lado, motores escovados exigem uma maior manutenção, que deve ser periódica por conta das escovas desgastadas.
MÁQUINAS ELÉTRICAS
As máquinas elétricas permitem a transformação da energia mecânica em energia elétrica ou vice-versa. Estas são classificadas quanto ao seu modo de funcionamento, que no caso de trabalharem como motor, transformam a energia elétrica em energia mecânica, caso funcionem como gerador, transformam a energia mecânica em elétrica. (MARQUES, 2011, p. 03).
Os motores de corrente contínua, são basicamente compreendidos por rotor, que se caracteriza como a parte móvel do motor, e o estator como a parte fixa.
CARACTERÍSTICAS DE SELEÇÃO
Existem alguns parâmetros que devemos analisar, para a seleção adequada de um motor de corrente contínua. Abaixo estão alguns exemplos:
Parâmetros: quanto a quantidade de cobre ou alumínio.
Motores de baixo rendimento: Quantidade menor.
Motores de alto rendimento: Quantidade maior.
Características: Reduz perdas no enrolamento do estator e do rotor.
Parâmetros: Espessuras das chapas magnéticas.
Motores de baixo rendimento: Quantidade menor.
Motores de alto rendimento: Quantidade maior.
Características: Reduz perdas magnéticas.
Parâmetros: Enrolamento.
Motores de baixo rendimento: Camada simples. 
Motores de alto rendimento: Camada dupla.
Características: Melhor dissipação de calor gerado internamente.
Parâmetros: Qualidade da chapa magnética, (permeabilidade ao fluxo magnético).
Motores de baixo rendimento: Baixa permeabilidade, (altas perdas). 
Motores de alto rendimento: Alta permeabilidade, (baixas perdas).
Características: Alto aproveitamento da capacidade magnética. 
Parâmetros: Rotor.
Motores de baixo rendimento: Sem tratamento. 
Motores de alto rendimento: Tratado termicamente. 
Características: Reduz perdas suplementares no metal do rotor.
Parâmetros: Ventilador.
Motores de baixo rendimento: Normal. 
Motores de alto rendimento: Optimizado. 
Características: Reduz o calor interno, consequentemente as perdas. 
Parâmetros: Rendimento.
Motores de baixo rendimento: -
Motores de alto rendimento: Redução de até 40% das perdas.
Características: A redução se aproxima de 7% em motores de menor potência e 1,5% em motores de maior potência.
Parâmetros: Custo.
Motores de baixo rendimento: -
Motores de alto rendimento: Até 30% a mais.
Características: O retorno de investimento, gira em torno de um ano de uso do motor.
Parâmetros: Aquecimento.
Motores de baixo rendimento: Maior.
Motores de alto rendimento: Menor.
Características: Elevando a vida útil do motor.
Parâmetros: Vida útil
Motores de baixo rendimento: Menor.
Motores de alto rendimento: Maior.
Características: Utilizam-se ferramentas de maior precisão, reduzindo as tolerâncias de fabricação, eliminado imperfeições, menores ruídos e vibrações.
Parâmetros: Corrente de arranque.
Motores de baixo rendimento: Menor.
Motores de alto rendimento: Maior.
Características: Consumo Menor de corrente elétrica. Em grandes quantidades de motores, este consumo resulta em uma economia significativa.
5 SEGURANÇA COMO PRIORIDADE
Antes de qualquer trabalho envolvendo a eletricidade, vale ressaltar que a segurança é prioridade neste meio, pois todos os dias nos deparamos com relatos de acidentes, podendo ser leves ou até mesmo ocasionando mortes. Muitas das vítimas são os jovens que recém iniciam sua carreira na área da eletricidade, conforme Petruzella, (2013, 498 f).
6. MOVIMENTO DE ROTAÇÃO
“Quase todas as máquinas giram em torno de um eixo, que é denominado eixo da máquina. Devido à natureza rotativa das máquinas, é importante ter um entendimento básico do movimento rotacional.” (CHAPMAN, p. 03). Os motores sofrem esta ação de rotação, devido ao campo magnético no qual está sendo aplicado. Ambas são as aplicações deste trabalho gerado de rotação, como exemplo: batedeiras eletrônicas, parafusadeiras, entre outras tantas, presentes em nossa vida.
7 MATERIAIS E MÉTODOS
Base de madeira: com as dimensões de 225 mm por 305 mm.
 (Figura 01: Base de madeira usinada.)
Suporte dos ímãs: com as dimensões de 95 mm (comprimento), por 20 mm (diâmetro), Utilizado cabo de madeira usinado.
(Figura 02: cabo de madeira usinado.)
Suporte de alumínio: utilizado como suporte do rotor e mancal dos eixos, com as dimensões de 95 mm de comprimento por 25 de largura, por 3 mm de espessura da chapa.
(Figura 03: Suportes de alumínio.)
Ímãs: Retirados da carcaça de um motor de corrente contínua, com as dimensões de 37 mm por 30 mm
(Figura 04: ímãs.)
Rotor: Retirado de uma parafusadeira 12 volts, acompanhado do comutador, com três enrolamentos de fio de cobre, com comprimento total de 75 mm, diâmetro do eixo de 3 mm, e diâmetro do corpo de 20 mm.
(Figura 05: Rotor de corrente contínua.)
Cabos de cobre: com as dimensões de 80 mm por 1,5 mm de diâmetro.
(Figura 06: Cabos de cobre flexível 1,5 mm.)
Colagem: foram utilizados pistola de cola quente e cola instantânea.
(Figura 07: Pistola de cola quente.) (Figura 08: Cola instantânea.)
7.1 MÉTODOS UTILIZADOS PARA CONSTRUÇÃO DO MECANISMO
Base de madeira: o componente utilizado é constituído de madeira, foi usinado e esquadrejado através de equipamentos e máquinas específicas, como plainas, e prensa de membrana para realizar a colagem da lâmina sobre a base de madeira.
Suportes dos ímãs: foi utilizado um cabo de madeira usinado, e retificado para criar um acento para os ímãs se encaixarem. A máquina utilizada para sua fabricação, foi uma lixadeira de cinta conforme a figura abaixo:
(Figura 09: Lixadeira de cinta.)
Suporte de alumínio: Foi utilizado uma chapa de alumínio de espessura de 3 mm. para a sua fabricação utilizou-se esmeriladeira para a realização do corte da chapa, e marreta para a realização da sua dobra, para servir de base do parafuso.
(Figura 10: Chapa de alumínio 3 mm) (Figura 11: Martelo.) (Figura 12: Esmeriladeira.)
Ímãs: Foram extraídos da carcaça de um motor de corrente contínua, utilizando ferramentas como: Serra de metal para a realização do corte da carcaça, conforme demonstrado abaixo, onde o corte representa o tracejado em vermelho.
(Figura 13: Corte da carcaça para a extração dos ímãs.) (Figura 14: Ferramenta de corte.)
Rotor: foi utilizado o rotor de um motor de corrente contínua de alimentação de 12 volts. Para a sua extração foi cortado a carcaça e desmontado o comutador e tampa do mancal frontal.
	(Figura 15: Exemplo de um rotor de corrente contínua.)
Bateria: Para a obtenção da tensão necessária para o funcionamento do motor, utilizou-se uma bateria de 12 volts.
(Figura 16: Bateria de 12 volts.)
TEORIA NA PRÁTICA
A utilização dos métodos para a aplicação e construção do protótipo, de um motor de corrente contínua, baseou-se em projetos apresentados nos meios de comunicação visuais, assim como a ideia inicial proposta por Werner Von Siemens, procurando de forma simplificada o entendimento do princípio fundamental de funcionamento de um motor de corrente contínua. 
“De forma genérica as máquinas são constituídas por duas estruturas: estator e rotor. O estator é a parte estacionária da máquina, enquanto o rotor é a parte móvel, que normalmente carrega a bobina de armadura enrolada em um núcleo de aço silício laminado” (OLIVEIRA, 2019, p. 24.). Utilizou-se este conceito para a elaboração do projeto, tais elementos como: estator, rotor, comutador e os ímãs para a criação do campo magnético. O estator foi retirado para a melhor visualização de funcionamento das partes girantes, como o rotor.
Bateria
A utilização da bateria de 12 volts para o funcionamento do motor, partiu de princípios técnicos de construção, baseado em fatores de estudos de grandes cientistas. Abaixo alguns fatores serão expostos para melhor compreensão.
8.1.1 Porque 12 volts?
Os motores precisam de uma tensão inicial para sua partida, neste caso utilizamos 12 volts, pois na realização de alguns testes, analisou-se que, tensões menores de 12 volts, não geram torque suficiente, para a rotação do rotor no campo magnético. A bateria utilizada fornece uma corrente de 5 amperes.
 A partir destes testes, conclui-se que 12 volts era o suficiente para gerar rotação no rotor, aplicando então uma bateria de moto com tensão de 12 volts. Alguns motores monofásicos, precisam de capacitores de partida, que tem a função de liberar uma tensão inicial para ajudar na partida do motor, ele cria então um conjugado de partida, adiantando a corrente da tensão em mais ou menos 90 graus.
Sem este dispositivo de partida, a ação necessária para o torque inicial, parte manualmente.
CONCLUSÃO
Ao término deste trabalho, alguns fatores importantes para o entendimento de funcionalidade dos motores elétricos, foram compreendidos, tais como a importância da eletricidade em nossas vidas e a necessidade de aprender tais aspectos para um futuro profissional qualificado.
Para a construção do motor de corrente contínua, vários pontos foram estudados, como o princípio de magnetismo de Michael Faraday, Werner von Siemens, Willian Sturgeon, entre outros grandes pesquisadores que incrementaram valores para a sociedade e tecnologia.
REFERÊNCIAS
CHAPMAN, S. Fundamentos de máquinas elétricas. 2013, p. 03, 671 f. Nova Iorque, EUA, editora Mc Graw Hill, 2013.
Disponível em: https://www.citisystems.com.br/motor-cc/. Acesso em 02/10/2019.
Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9trico. Acesso em 04/10/2019.
DOS SANTOS, M. P. D. S. Metodologias de controle e diagnóstico de falhas com aplicações em motores de corrente contínua. 2011, Dissertação para obtenção do grau de mestre em mestrado integrado em engenharia eletrotécnica e de computadores. Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa. 2011.
HONDA, F. Seleção de motores de corrente contínua 1GG e 1GH. Publicação técnica. Siemens LTDA, 2004. 
OLIVEIRA,
S. L. Modelagem Magnética e Otimização de Motores de Corrente Contínua de
Ímãs Permanentes. Dissertação para o grau de mestre. UNIVERSIDADE
ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, 2019.
PETRUZELLA, F. Motores elétricos e acionamentos. Nova Iorque. Mc Graw Hill, 2013.