Neste segundo capítulo, vamos dar sequência com as explicações envolvendo motores elétricos, só que desta vez com enfoque nos DC Brushless e AC Brushless, isto é, sistemas de corrente contínua OU alternada e SEM escovas.
Para ler o Capítulo 1 da série sobre motores elétricos, CLIQUE AQUI!
DC Brushless
Um motor DC sem escovas é, em essência, um sistema onde o rotor possui os imãs permanentes, e o estator possui as bobinas.
Imagem 1 - Uma ventoinha com motor DC Brushless monofásico em um purificador d'agua Latina PA755
CURIOSIDADE: Os motores DC Brushless também são conhecidos como "BLDC" e Spindle.
Se trata de um ventilador monofásico sem monitoramento de rotação, isto é, não há um sensor Hall, existindo apenas dois fios, um positivo e outro negativo para o sinal de 12 Volts. Nos computadores pessoais e servidores faz-se uso tanto de modelos sem o acompanhamento do RPM, quanto de ventiladores com três fios.
Imagem 2 - Note que há um terceiro contato sem fio soldado. Este é para o sensor de rotação
A ventoinha acima foi retirada de uma fonte ATX genérica, e possui o tamanho de 12 cm. As mais comuns são de 8 cm.
Observe o BLDC da imagem acima desmontado:
Imagem 3 - Como é um DC Brushless monofásico
Perceba que a corôa de cerâmica de Ferrite (imã permanente) está fixada no rotor, feito de PBT-GF30, que engloba em uma única peça as espátulas da ventoinha. Note que o estator possui quatro bobinas e três capacitores de Óxido de Alumínio com eletrólito líquido. Todas as bobinas recebem a mesma alimentação, isto é, com corrente sempre no mesmo sentido e tensão contínua de 12 Volts. Aquela pequena caixinha preta (a U1, ao lado da bobina L2) é o sensor Hall, que monitora a rotação, entretanto, nesta unidade, como dito anteriormente, não há fio conectando o sensor à placa do equipamento.
Na próxima imagem, vemos outro propulsor Spindle monofásico ainda mais simples, sem nenhum capacitor, apenas com as quatro bobinas no estator e a corôa de Ferrite no rotor:
Imagem 4 - Repare a existência de um sensor Hall (de quatro terminais) entre duas bobinas. Este sensor está desativado, afinal, o motor possui apenas 2 fios
Assim como nos motores Brushed de tensão contínua, alterar a rotação de um motor BLDC monofásico é relativamente simples e pode ser feita provocando uma queda na tensão nominal. Aqui, esta mudança no valor de tensão pode ser feito também através de resistores (um potenciômetro, por exemplo), ou então algum circuito mais complexo digital, como é o caso dos que usam sinal PWM.
O controle de rotação por PWM é encontrado em computadores de mesa, servidores, e até em notebooks. Para isso ele precisa de, obrigatoriamente, um sensor de rotação embutido no motor e um circuito que forneça a modulação de sinal por largura de pulso, algo que sempre vem do sistema de gerenciamento integrado à placa-mãe. De qualquer maneira, há um circuito lógico também integrado ao motor, para que o sinal PWM seja interpretado e a tensão de alimentação dos enrolamentos do estator seja alterada de acordo com a demanda de circulação de ar para arrefecer o dissipador de calor do processador.
CURIOSIDADE: Quer saber mais sobre o funcionamento dos FANs da sua placa-mãe, do seu servidor ou do seu notebook? Então CLIQUE AQUI! e CLIQUE AQUI!
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DC Brushless trifásico
Podemos elevar o nível, e com uma grande quantidade de bobinas agrupa-las em três entradas, isto é, criar um sistema alimentado por três fases de sinais pulsantes defasados entre si. Esta defasagem de sinal irá acionar um grupo de bobinas por vez, que em contato com os imãs permanentes provocará a rotação da mesma forma como ocorre no sistema com escovas. No entanto, será necessário o uso de um ESC, isto é, um microcontrolador para controla-lo, algo dispensável num motor DC com escovas e num motor Brushless monofásico.
GIF 1 - Como funciona um BLDC trifásico
Drives de disquete sempre foram uma grande aplicação para os motores Spindle trifásicos...
Imagem 5 - É incomum um drive de diquete que não tenha uma BLDC trifásico
Enquanto o movimento do disquete é feito por um BLDC, o deslocamento do cabeçote de leitura / gravação é feito por um motor de passo. Para saber mais sobre o funcionamento do disquete e seus componentes de leitura e gravação, CLIQUE AQUI!
E com os discos rígidos não poderia ser diferente: os DC Brushless reina absoluto desde sempre. Para saber mais sobre HDDs, comece CLICANDO AQUI!
Já os drives de CD, DVD e BluRay incorporam soluções DC Brushed e Brushless, além de alguns projetos ainda usarem motores de passo para o deslocamento do cabeçote. Para saber mais sobre as mídias ópticas:
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OBSERVAÇÃO: Para relembrar, diferente de um motor trifásico de indução ou de imãs permanentes, alimentado por tensão alternada, um BLDC opera com tensão contínua pulsante, e um defasamento nestes sinais tal qual o trifásico de tensão alternada.
Gráfico 1 - Esta imagem serve apenas para nos situarmos nas formas de sinais mais comuns
Para saber mais sobre tensão e corrente elétrica, CLIQUE AQUI!
Nos motores Spindle, o agrupamento das bobinas pode ter uma configuração em estrela ou em delta, sendo mais comum o esquema em estrela.
Diagrama 1 - Assim como nos motores trifàsicos de corrente alternada, os BLDC usam dois esquemas de ligação comuns
Na configuração em estrela com “3” fios a corrente flui através de “2” fios em cada etapa do ciclo de operação, conforme pode ser observado na figura seguinte.
Diagrama 2 - Funcionamento do motor BLDC
Conforme a figura acima, em cada etapa do ciclo de rotação completo a corrente flui entre um dos fios que é colocado em potencial mais elevado e o segundo fio que está em potencial mais baixo, enquanto o terceiro fio fica isolado, sem corrente.
Em alguns casos encontram-se motores com uma configuração em estrela com 4 fios, onde “N” funciona como neutro (terra).
Diagrama 3
Na configuração em estrela com quatro fios a operação do motor é mais simples pois cada etapa utiliza o fio “N” como ground e alterna o potencial dos demais fios de forma que a corrente flui a partir de um dos fios (A ou B ou C), com maior potencial, para o fio “N”.
Uma boa maneira para controlar a velocidade dos motores spindle de 3 fases é a geração de pulsos “senoidais” de tensão defasados em 120°, conforme a figura abaixo.
Gráfico 2
Repare que os sinais positivos pulsantes são muito parecidos com os sinais alternados aplicados em motores trifásicos comuns.
Apesar disso, várias aplicações fazem uso de sinais PWM que simulam as saídas analógicas do gráfico acima.
AC Brushless
Existem várias concepções de motores de corrente alternada mono e multifásicos sem encovas. Algumas delas serão vista daqui pra diante:
AC de Indução (Assíncrono)
Os motores de indução, também conhecidos como 'motores assíncronos', isto é, máquinas que operam com tensão alternada e não possuem escovas são super comuns em aplicações industriais e um tanto comuns em aplicações domésticas. Se você tiver uma máquina de lavar roupas, pode saber que nela há um propolsor monofásico 127 ou 220 V sem escovas, da mesma forma que os ventiladores de teto, por exemplo:
Imagem 6 - Os ventiladores de teto lembram um pouco os DC Brushless monofásicos. Ventiladores de teto possuem capacitor permanente, ou seja, NÃO HÁ chave centrífuga
No motor da imagem acima notamos o uso de Aço-Silício na confecção tanto do rotor quanto do estator.
Todos os motores de indução, sejam eles mono ou multifásicos possuem um rotor do tipo 'gaiola de esquilo'. Este tipo consiste em um cilindro de lâminas de Aço-Silício radialmente empilhadas, com um ou mais condutores de liga de Alumínio ou liga de Cobre embutidos numa região próxima da superfície do cilindro, ou então na própria superfície. Perceba que isso também é visto no rotor do motor do ventilador de teto mostrado no início deste tópico, apenas o formato de "corôa" o difere. O ventilador de teto possui a estrutura da corôa em liga de Alumínio, e nela vários anéis laminados de Aço-Silício encaixados.
Imagem 7 - Note que a corôa é feita de uma grande peça de liga de Alumínio combinada com chapas de Aço-Silício
Nesta concepção a velocidade de rotação do rotor será ligeiramente menor que a velocidade de rotação do campo magnético gerado pelas bobinas do estator. Se o rotor trabalhasse em sincronia com o campo do estator, não haveria diferença de fluxo e nenhuma geração de energia e, portanto, nenhuma força. É por isso que as máquinas de indução com rotor de gaiola são chamadas de assíncronas.
Imagem 8 - Um velho motor de máquina de lavar roupas fabricado pela WEG, datado de 2005. Repare que o rotor possui uma gaiola de liga de Alumínio preenchida com chapas de Aço-Silício já bastante enferrujadas
Ao produzir a gaiola do rotor a partir de um material com uma resistência específica mais alta (por exemplo, Latão ou Bronze em vez de Cobre puro), a resistência do rotor aumentará. Como resultado desse aumento, o torque de partida do motor elétrico aumentará e as correntes de partida diminuirão. Ligas de Alumínio são outras que possuem maior resistência elétrica que o Cobre e tronaram-se amplamente utilizadas, tanto que o esmeril, o ventilador de teto e o ventilador de mesa apresentados aqui possuem gaiola feita em liga de Alumínio, e todo o preenchimento construído em chapas de Aço-Silício isoladas entre si.
CURIOSIDADE: Na seguinte imagem vemos o motor de indução aplicado na Tesla CyberTruck na versão de 845 hp. Observe a gaiola em liga de Alumínio com chapas de aço-Silício e o tipo de fiação do estator:
Imagem 9 - Lembre-se que esta picape possui três motores em sua versão de topo, sendo que na traseira há um motor PMsynRM
Lembre-se que motores de tração de carros elétricos, sejam de indução ou não, são trifásicos. A corrente elétrica que circula nestes motores é bastante alta, sendo assim os fios costumam ser espessos e com secção retangular ou quadrada, melhorando até o assentamento nas cavas da corôa ferromagnética do estator.
CURIOSIDADE: Comumente, os motores de carros elétricos e de compressores herméticos são banhados em óleo isolante / lubrificante / refigerante. Caso queira saber mais sobre a formulação dos óleos lubrificntes / hidráulicos / refrigerantes, então CLIQUE AQUI!
A diferença para outros motores monofásicos com escovas é a necessidade de um capacitor de partida (Capacitor Start-Induction Run, abreviado CSIR, muito pouco usual, sendo encontrado apenas em aparelhos de refrigeração)...
Diagrama 4 - Ligação do capacitor de partida num motor monofásico assíncrono
Note que o capacitor (4) é ligado em série com dois enrolamentos auxiliares (3). Estes dois enrolamentos e o capacitor são desacoplados e acoplados no circuito através de um interruptor centrífugo (raro, obsoleto) instalado numa das pontas do eixo do rotor, ou um relé EMR Amperimétrico (Voltimétrico, em alguns projetos) ou um rellé PTC (5).
Todas as bobinas possuem um neutro comum, mas os enrolamentos auxiliares só ficam ligados até que o motor atinja sua faixa normal de rotação. Os enrolamentos auxiliares possuem indutância diferente, em geral mais baixa e relutância mais alta (consequentemente uma menor reatância indutiva) quando comparados com os enrolamentos principais, e a função disto é proporcionar um leve atraso na corrente em relação à tensão, ou seja, os dois pares de bobinas possuem especificações diferentes. O capacitor de partida adianta a corrente em relação à tensão, permitindo um contra-ponto com as bobinas principais, que estão com a corrente atrasada em relação à tensão.
Para fazer alteração no sentido de rotação, basta inverter o sentido da corrente, ou seja, inverter o fase e o neutro.
Como vimos anteriormente, quanto maior o tamanho da manivela, menor o esforço feito pra içar o balde no fundo do poço, logo, o capacitor funciona como uma 'longa alavanca', que permite aumentar o campo elétrico - e, consequentemente, o magnético - momentâneamente para dar um elevado torque e tirar o rotor da inércia.
Uma aplicação comum do motor CSIR e que opera em contato com óleo é o compressor hermético. Tal equipamento faz-se presente em geladeiras e freezers diversos. Se você olhar a parte inferior traseira de sua geladeira ou freezer, irá notar este trambolho:
Imagem 10 - Um compressor hermético Tecumseh em uma geladeira
Tais compressores possuem o motor e o compressor no mesmo habitáculo, e a atmosfera interna é composta pelo gás refrigerante (neste caso o R134a) com o óleo lubrificante depositado no fundo da carcaça. O óleo lubrificante é succionado através do eixo do motor, onde é direcionado para o topo e distribuído ao vira-brequim e camisa do pistão, retornando por gravidade ao cárter.
Uma curiosidade sobre este tipo de aplicação, isto é, aplicação doméstica, é que dada a pequena carga de gás refrigerante e o uso de tubo capilar como válvula de expansão, o momento de inércia do motor tende a ser baixo, eliminando o uso de um capacitor de partida ou um capacitor permanente, tendo assim um LRA (corrente de rotor bloqueado) bastante reduzido.
Complemento 1 - Quando utilizado, o capacitor é posicionado do lado de fora do compressor hermético (isso é óbvio), entretanto, evidencia ainda mais o NÃO USO do interruptor centrífugo
OBSERVAÇÂO: Nos aprofundamos no LRA na introdução do primeiro capítulo da série sobre motores elétricos.
Freezers e geladeiras costumam usar apenas um Relé EMR Amperométrico (raros casos usam um EMR Voltimétrico) ou um Relé PTC para acoplar o enrolamento auxiliar do motor monofásico apenas no momento da partida. Um capacitor é aplicado apenas em situações específicas (como já foi mencionado anteriormente) ou em refrigeradores mais 'parrudos', onde o LRA tende a ser até 5 vezes ou mais o valor da corrente nominal. Mas mais uma vez, NÃO HÁ interruptor centrífugo. Caso queira saber mais detelhes técnicos sobre a termodinâmica e química dos sistemas de refrigeração, CLIQUE AQUI!
OBSERVAÇÃO: Os Relés EMR Amperimétrico ou Voltimétrico, bem como os Relés PTC fazem um papel analogo aos velhos interruptores centrífugos, componentes impensáveis em sistemas de refrigeração devido a baixa vida útil e alta complexidade envolvida em uma substitição.
Existem sistemas de refrigeração que usam motocompressor com um capacitor de partida e outro capacitor ligado de forma pemanente. Tal concepção é conhecida como motor CSCR (Capacitor Start – Capacitor Run). O primeiro capacitor é comutado através de um relé EMR Voltimétrico, enquanto o segundo permanece melhorando a eficiência fornecendo torque adicional durante a operação. Devido à adição do segundo capacitor, esses motores costumam ser mais caros que seus equivalentes CSIR, todavia, mesmo assim, tais propulsores são comumente encontrados em aplicações acima de 2 hp.
CURIOSIDADE: Nestas aplicações onde há dois capacitores, aquele de maior capacitância costuma ser de Óxido de Alumínio, isto é, o famoso capacitor com eletrólito líquido. Como ele possui polaridade, não pode ser simplesmente instalado num circuito CA, por isso, faz-se uso de um capacitor eletrolítico despolarizado. Para saber mais sobre os capacitores de Óxido de Alumínio com eletrólito (despolarizados ou não), CLIQUE AQUI!
CURIOSIDADE: No artigo dedicado aos Termistores PTC e NTC, trazemos mais detalhes sobre o Relé PTC utilizado em alguns compressores herméticos. Para acessar, CLIQUE AQUI!
CURIOSIDADE: No artigo dedicado aos relés e contactoras, trazemos mais detalhes sobre o tipo EMR comum, o EMR Amperométrico e o EMR Voltimétrico. Para acessar, CLIQUE AQUI!
...ou um capacitor permanente (Permanent Split Capacitor, abreviado por PSC e super comum):
Diagrama 5 - Funcionamento do sistema monofásico com capacitor permanente
Note que ambos os enrolamentos possuem o neutro em comum e o capacitor (4) fica permanentemente ligado entre as duas bobinas. A mudança no sentido de rotação ocorre trocando o sinal fase de enrolamento através de um interruptor de três posições (6).
Numa das bobinas, a corrente elétrica chega sem defasagem, enquanto na outra o capacitor proporciona um atraso da tensão em relação à corrente, permitindo uma diferença no campo magnético entre os eletroimãs, induzindo corrente na corôa do rotor, provocando revoluções. Quando se muda a bobina que recebe a tensão sem sofrer atraso, o sentido de rotação muda, já que a outra ficará com a tensão defasada em relação a corrente.
Esta concepção elimina o interruptor centrífugo instalado no eixo do rotor e deixa o capacitor sempre conectado, reduzindo manutenções grandes, já que não é necessário extrair o rotor pra substitição do contato mecânico quando ele pifa, apenas fazer a troca do condensador - que fica por fora da carcaça - quando nota-se uma perda de força e rotação acentuada na máquina.
A internet está abarrotada de informações sobre os motores AC monofásicos com capacitor de partida e interruptor centrífugo, todavia, as aplicações mais comuns de todas são a PSC e a CSIR portando relé EMR Amperimétrico ou relé PTC. Desde um simples ventilador de teto, como vimos anteriormente, até um ventilador de mesa, ou de parede, ou uma máquina de lavar roupas faz uso de apenas um capacitor permanente, e nada de interruptores centrífugos. Isso soa estranho, pois a teoria é sempre explicada de uma forma e a prática traz grandes diferenças.
Até mesmo a nomenclatura pode ser confusa, pois estes AC monofásicos CSIR são chamados também de "motores de fase dividida". O que interessa é que não está sendo fácil achar o tal interruptor centrífugo em máquinas comuns de nosso dia-a-dia.
Recentemente fiz manutenção em um compressor de ar portátil e, por padrão, tais equipamentos são acionados por um motor monofásico AC com um 'baita' capacitor ligado de maneira permanente:
Imagem 11 - Um capacitor de filme plástico de 140 µF é o responsável por pôr este motor em marcha
Agora veja este esmeril genérico chinês:
Imagem 12 - Estes equipamentos são super comuns no mercado. O motor possui 5 fios e é capaz de trabalhar em redes 127 ou 220 Volts. O capacitor fica 'escondido' na base e NÃO HÁ chave centrifuga
Os ventiladores de mesa talvez sejam os melhores e mais comuns exemplos de motor AC PSC:
Imagem 13 - Este motor foi retirado um ventilador de mesa. O capacitor é permanente e NÃO HÁ chave centrífuga
Para tais motores monofásicos, a especificação do capacitor a ser utilizado pode ser relativamente fácil de descobrir. De início, devemos saber qual a reatância indutiva.
Para saber mais sobre a reatância indutiva, recomendo que CLIQUE AQUI!
CURIOSIDADE: Caso queira saber mais sobre o tipo de capacitor utilizado nestes motores monofásicos de indução, CLIQUE AQUI!
Para tais fins, podemos calcular a reatância (Xc) com uma fórmula ensinada em eletrônica básica:
Após saber a reatância - que é dada em Ohms - dividindo a tensão de alimentação pela corrente de operação do motor, aplicamos a seguinte fórmula:
Onde:
-> C: Capacitância, dada em Farads (F);
-> f: Frequência do sinal elétrico, dado em Hertz (Hz);
-> Xl: Reatância indutiva, dada em Ohms (Ω);
-> π: Constante relacionada com a onda senoidal do sinal elétrico (vale 3,1416).
Em um exemplo simples, um motor de 130 Watts ligado em uma rede de 220 Volts / 60 Hertz, temos uma corrente de:
130 / 220 = 0,5909 A
Pela lógica, a corrente elétrica se distribuirá entre as duas malhas, ou seja, nos dois enrolamentos, logo:
0,5909 / 2 = 0,2954
220 / 0,2954 = 744,75 Ω
Ou seja, Xl é 744,7 Ω. Sendo assim, a capacitância será:
1 / (2. π . 60 . 744,7) = 1 / (376,99 . 744,75) = 1 / 280.763 = 3,56 μF
Precisamos de um capacitor de 3,56 μF para acionar o motor, entretanto, este seria o valor para sua capacidade máxima de rotação e torque. Para além do tradicional dimmer, muitos destes ventiladores fazem uso de um capacitor duplo e uma chave de três posições, ou seja, podemos escolher entre três velocidades com a simples combinação de capacitância, como vemos na próxima imagem:
Imagem 14 - Este é o circuito do painel de controle de um ventilador Ventisol com potência máxima de 130 Watts
Levando em conta os valores de capacitância do condensador duplo da imagem acima, temos 0,7 μF + 0,9 μF, que podem resultar em 1,6 μF em paralelo ou 2,53 em série, logo, este ventilador sai da inércia e opera num valor de potência um tanto inferior ao seu limite de 130 W, já que para tal precisaríamos de 3,56 μF.
Quanto ao compressor de ar anteriormente mostrado neste texto, também podemos descobrir seu valor de reatância indutiva, já que sua capacitância é de 140 μF:
1 / (2. π . 60 . 140) = 1 / (376,99 . 140) = 1 / 52.778 = 18,94 Ω
Logo, a corrente consumida pela bobina ligada em série com o capacitor será de:
127 / 18,99 = 6,7 A
Como são dois enrolamentos, podemos logo arredondar para o dobro para facilitar o entendimento:
6,7 . 2 = 13,4 A
Pode existir uma diferença entre a corrente requerida pela bobina que está trabalhando só e a bobina que está trabalhando em série com o capacitor, por conseguinte, o valor total da corrente de alimentação pode mudar sensivelmente.
-> O uso de uma capacitância inferior à nominal implicará no aumento da reatância e consequente diminuição da corrente, levando a uma redução da rotação e do torque, que culmina numa possível falta de ímpeto do motor para acionar o sistema em que ele está acoplado, o que pode resultar em superaquecimento e danos;
-> O uso de uma capacitância superior à nominal implicará na redução da reatância e consequente aumento da corrente, levando a um aumento de torque e rotação e, obviamente, um superaquecimento, que pode resultar em danos irreversíveis ao motor.
OBSERVAÇÃO: Os cálculos aqui citados levam em conta tanto motores com interruptor centrífugo quando projetos onde o capacitor é ligado de forma permanente. Inclusive, em redes bifásicas o capacitor é dispensável, já que uma fase é naturalmente defasada em relação à outra, logo, não faz sentido aplicar um dispositivo que gera a defasagem.
AC de relutância (Síncrono)
Outra concepção de motor é o de relutância, mais conhecido como "SynRM". Tal tipo se baseia em um rotor ferro magnético não imantado com vários frisos ocos, prreechidos por ar em com bastante resistência magnética (Relutância).
Em qualquer motor de relutância, a produção de binário está associada à tendência do rotor se alinhar seguindo uma posição de relutância mínima, associada ao trajeto das linhas de força do campo magnético desenvolvido. O seu princípio de funcionamento é distinto das máquinas ditas convencionais, pois o binário desenvolvido resulta da combinação de dois campos magnéticos distintos, no estator e no rotor.
Em geral, existem apenas enrolamentos no estator (concentrados ou distribuídos pelas suas ranhuras), formando vários enrolamentos de fase, independentes entre si. Podem ser alimentados separadamente (vide o MRC o motor-de-passo de relutância variável) ou em simultâneo (vide o MSR e MRC).
O rotor é constituído por chapas de material ferromagnético, eletricamente isoladas entre si - podendo ser usado Aço-Silício, não havendo enrolamentos. A geometria/constituição das chapas tem como objetivo maximizar a variação do coeficiente de auto indução das fases do estator, em função da posição do rotor. Em outras palavras, trata-se de circuitos magnéticos fortemente anisotrópicos, sendo esta uma característica fundamental destas máquinas.
Caso queira saber mais sobre este tipo de motor, veja o PDF abaixo:
O Lesics Português tem, no You Tube, um bom vídeo sobre o funcionamento destes motores de relutância. Veja só:
Vídeo 1 - Como funciona o motor de relutância
Exemplos de automóveis que usam ou já usaram tal tecnologia na modalidade MRC (Motor de relutância Comutada) são o BMW i3 e o Volkswagen ID.3.
AC de Relutância e Imãs Permanentes (Síncrono)
Evoluindo um pouco, um motor SynRM combinando com imãs permanentes (IP ou, em ingês, PM) permite corrigir as deficiências do motor SRM mostrado anteriormente. Sim, já tratamos deste tipo lá no início do texto, entretanto, aqui me refiro aos multifásicos industriais e automobilísticos cujo núcleo combina o fenômeno da relutância com o efeito dos imãs NdFeB. Sua aplicação está sendo grande em automóveis elétricos devido à eficiência, já que eles conseguem ter cerca da metade do tamanho de um motor de indução equivalente em desempenho.
CURIOSIDADE: Dada a necessidade do uso de imãs de terras raras, o rotor tende s se tornar bastante caro.
Na imagem abaixo, um rotor PM cuja estrutura (excluindo o eixo) é feita de centenas de chapas radiais de Aço-Silício isoladas (para reduzir correntes de fuga) com as fendas onde os imãs permantentes são encaixados. Todo o conjunto é enrolado em um filme de fibra de Carbono como forma de se evitar a desintegração do conjunto em altas rotações:
Imagem 15 - Perceba os seis pares de imãs permanentes
Ao desenrolar a fibra de Carbono, nos deparamos com isso:
Imagem 16 - Se trata do rotor do Tesla Model 3, que posteriormente vem sendo aplicado em toda a linha, em vários casos combinado com um motor de indução
Na imagem abaixo, vários rotores aplicados na indústria automobilística, em veículos já consolidados no mercado de elétricos.
Imagem 17 - Note as grandes diferenças contrutivas entre as marcas. As partes verdes marcam os imãs permanentes
O Lesics Português tem, no You Tube, um bom vídeo sobre o funcionamento destes motores de imãs permanentes, citando o propulsor empregado nos Tesla Model 3:
Vídeo 2 - Como funciona o motor IPMsynRM
Tais motores, como é o caso do Model 3, podem bater facilmente os 18 ~ 20 mil RPM, e costumam ter uma caixa de redução acoplada, permitindo diminuir a rotação e multiplicar o torque. Exemplos bastante notáveis são o Xiaomi HyperEngine V6 e V6S, que giram a 21 mil RPM, ou do HyperEngine V8S, que vai aos 27.200 RPM:
Imagem 18 - Debaixo do capô há apenas um pequeno porta-malas com esta etiqueta, que também faz-se visível por debaixo do aerofólio do Xiaomi SU7
Em VEs mais comuns a rotação é um tanto mais baixa, todavia, ainda é bastante alta quando comparada aos motores de combustão ou motores elétricos indústriais. Na imagem abaixo, vemos algumas especificações do Dacia Spring, o Kwid E-Tech brazuca:
Tabela 1 - Especificações de mecânica e beteria do Dacia Spring
Atualmente, o Dacia Spring já contempla uma versão com motor de 65 CV, tal qual o Kwid E-Tech brasileiro. Ambos são produzidos na China.
Já o Nissan Leaf integra um motor de imãs permanentes, e algumas rasas informações de mecânica podem ser vistas abaixo:
Tabela 2 - Algumas informações sobre o Nissan Leaf. Refere-se aos últimos modelos lançados
OBSERVAÇÃO: Alguns projetos podem englobar motores assíncronos (de indução) e os síncronos (de imãs permanentes), isto pois, o primeiro consegue maior torque de partida e retomadas, enquanto o segundo um melhor desempenho em velocidades constantes. Entretanto, existem carros elétricos que operam apenas com motor de indução, como é o caso dos primeiros Tesla Model S (em 2019 começaram a usar motor IPMsynRM também) e do velho GM EV1, um produto que durou pouco no mercado, mas até hoje é tido como uma referência de investimento nesta tecnologia:
Imagem 19 - Produzido entre 1996 e 1999, ele já contemplava um inversor de potência com transistores IGBT de Silício. Hoje já usam transistores de Carboneto de Silício (SiC), que são mais eficientes
Juntando o que vimos no Capítulo 1, podemos concluír de forma muito sucinta que:
→ Motores elétricos podem ser alimentados por tensão / corrente alternada (AC) ou tensão / corrente contínua (DC);
→ Todos os propulsores elétricos possuem rotor e estator;
→ Tudo se baseia em imãs e eletroimãs, ou então eletroimãs e materiais condutores sofrendo indução;
→ Quando há bobinas no rotor, é necessário a implementação de um anel coletor seccionado que fica em contato com terminais denominados "escovas";
→ Existem sistemas com escovas de latão e sistemas com escovas de Grafite ou Negro de Fumo;
→ Motores DC utilizam escovas e o estator possui imãs permanentes. Um estator desmantelado, já sem o anel coletor, pode ser visto abaixo:
Imagem 20 - Rotor de um motor de lixadeira. Note que os fios são envoltos em um tubo isolante que imita a cor do Cobre
→ Existem motores com escovas denominados "universais", entretanto, priorizados para alimentação AC. Tais motores possuem bobinas tanto no rotor quanto no estator, e essas bobinas podem ser agrupadas em série (tipo mais comum) ou em paralelo (também chamado de Shunt);
→ Motores de AC alternada sem escovas podem ter várias concepções, entre as mais comuns:
-> Motor de Indução (MI) mono ou multifásico (assíncrono);
-> Motor de Relutância (SynRM) multifásico (síncrono);
-> Motor de Relutância com imãs permanentes (IPMsynRM) multifásico (síncrono).
→ Dentre as máquinas monofásicas de indução, todas com rotor de gaiola de esquilo, temos:
-> Motor de fase dividida, isto é, com capacitor de partida e interruptor centrífugo;
-> Motor de fase sombreada, isto é, com derivação nos enrolamentos alimentando bobinas com fios mais espessos (pode usar capacitor);
-> Motor monofásico padrão, isto é, com capacitor permanente.
→ Rotores do tipo gaiola de esquilo possuem várias barras de liga de Cobre ou de Alumínio ligados juntos por dois anéis, e todo o espaço restante é preenchido por chapas de Aço-Silício isoladas entre si:
Imagem 21 - Em geral, apenas os aneis das extremidades da gaiola ficam visíveis, o restante é todo preenchido e coberto por chapas de Aço-Silício
→ Rotores de relutância são feitos também de chapas lâminadas de Aço-Silício, entretanto, possuem várias aberturas em seu interior, por onde o campo magnético tem dificuldades em passar:
Imagem 22 - perceba os vários pontos vazados no cilindro de Aço-Silício que compõe o rotor
→ Já os rotores de relutância com imãs permanentes preenchem parte destas aberturas do rotor com pequenos imãs, geralmente feitos de NdFeB, como vimos no rotor do motor da fabricante Tesla anteriormente.
Existem dezenas de tipos de motores elétricos, e este texto apenas trouxe os mais comuns do nosso dia-a-dia!
Este artigo foi dividido em dois capítulos para que mais informações fossem adicionadas sem comprometer a organização do conteúdo!
Ao longo do tempo este artigo vai ser atualizado mais vezes com informações técnicas sobre motores Brushless. Caso queira contribuir com mais informações, fique à vontade para entrar em contato conosco pelo e-mail hardwarecentrallr@gmail.com.
FONTES e CRÉDITOS:
Texto: Leonardo Ritter; c2o.pro.
Imagens, diagramas e gráficos: Leonardo Ritter; c2o.pro; Lesics português; Google Imagens.
Fontes: Desmonte de motores AC e DC; outros conteúdos do próprio HC; c2o.pro (https://www.c2o.pro.br/automacao/apk.html); AutoDOC Portugal (You Tube); Instituto Newton C. Braga; Lesics português (You Tube); Mundo da Elétrica; Campo Girante (You Tube); Manuais de instruções de automóveis; Documentos técnicos da Weg; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).
Ultima atualização: 29 de Janeiro de 2025.
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