Motores Eléctricos

Introdução

A rotação inerente aos motores eléctricos é a base do funcionamento de muitos electrodomésticos. 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 eléctricos das janelas de certos automóveis.

Motores eléctricos são encontrados nas mais variadas formas e tamanhos, cada um apropriado á sua tarefa.

Alguns motores operam com corrente contínua (CC / DC) e podem ser alimentados quer por pilhas/baterias quer por fontes de alimentação adequadas, outros requerem corrente alternada(CA / AC) e podem ser alimentados directamente pela rede eléctrica.

Princípio de funcionamento

Aqui pretendemos examinar os componentes básicos dos motores eléctricos, o que faz um motor girar e como os motores diferem um dos outros. Para fazer isso iremos  aproveitar conceitos já conhecidos sobre os ímanes, forças magnéticas entre ímanes, acção dos campos magnéticos sobre as correntes etc.

Nota: Nessa primeira parte, mais elementar, usaremos apenas o conceito de "repulsão/atracção entre pólos magnéticos"; numa segunda parte, mais avançada, usaremos do conceito da "acção dos campos magnéticos sobre as correntes".

O que faz girar o rotor do motor eléctrico?O rotor do motor precisa de um impulso para iniciar o seu movimento. Este impulso normalmente é produzido por forças magnéticas desenvolvidas entre os pólos magnéticos do rotor e do estator. Forças de atracção ou de repulsão, desenvolvidas entre estator e rotor, fazem girar os pólos móveis do rotor, passando o rotor  a girar com velocidade angular constante. Tanto o rotor como o estator do motor devem ser magnéticos.
 

É condição necessária que algum pólo altere sua polaridade para garantir a rotação do rotor. Vamos entender melhor isso, através da ilustração abaixo.

Um motor simples consiste numa bobina que gira entre dois ímãs permanentes. (a) Os pólos magnéticos da bobina (representados como íman) são atraídos pelos pólos opostos dos ímanes fixos. (b) A bobina gira para levar esses pólos magnéticos o mais perto possível um do outro mas, (c) ao chegar a essa posição o sentido da corrente é invertida e (d) agora os pólos repelem-se, continuando a impulsionar o rotor.

A figura anterior esquematiza um motor simples onde o estator é constituído por ímanes permanentes e o rotor é uma bobina de fio de cobre por onde circula uma corrente eléctrica. Uma vez que as correntes eléctricas produzem campo magnéticos essa bobina comporta-se como um íman permanente, com seus pólos N (norte) e S (sul) como mostrados na figura.

Em (a)  a bobina apresenta-se na horizontal. Como os pólos opostos se atraem, surgem forças electromagnéticas de atracção (binário) que fazem girar a bobina para a esquerda. A bobina sofre aceleração angular e continua o seu movimento  para a esquerda, como se ilustra em (b). Em (c) -- a bobina girou de 90^o -- os pólos da bobina alcançam os pólos opostos dos ímanes fixos (estator), ficando o rotor  em equilíbrio (força resultante nula e binário nulo). É este o instante adequado para inverter o sentido da corrente na bobina. Agora os pólos de mesmo nome estão muito próximos e a força de repulsão é intensa. Como a bobina já apresenta um momento angular para a esquerda, ela continua girando para a esquerda e o novo binário (agora propiciado por forças electromagnéticas de repulsão), como se ilustra em (d), colabora para a manutenção e aceleração do movimento de rotação.

Quando a bobina girar 180^o -- não ilustrado na figura --, fica na posição horizontal e continua o seu movimento. A bobina chega  novamente à posição vertical depois de girar 270º, - nesse instante o binário   anula-se novamente e a corrente  inverte novamente o seu sentido. A bobina chega novamente á situação (a) -- depois de girar 360^o --. A partir daqui o ciclo repete-se.

Essas atracções e repulsões bem coordenadas é que fazem o rotor girar, embora o modo como o binário é obtido possa variar entre os vários tipos de motores. A inversão do sentido da corrente, no momento oportuno, é condição indispensável para a manutenção dos binários favoráveis, os quais garantem o funcionamento dos motores. É por isso que um motor não pode ser feito exclusivamente com ímanes permanentes, mas sim por electroímanes.

A seguir, vamos examinar como essa condição indispensável para a manutenção dos binários  favoráveis é implementada nos diferentes tipos de motores.

Motores CC

Fazer um motor eléctrico que possa ser accionado por pilhas ou baterias não é tão fácil como parece. Não basta apenas colocar ímanes permanentes fixos e uma bobina, pela qual circula corrente eléctrica. 

Uma corrente contínua, fornecida por pilhas ou baterias, é muito boa para fazer electroímanes  com pólos imutáveis mas, como para o funcionamento do motor é preciso periódicas mudanças de polaridade, algo tem que ser feito para inverter o sentido da corrente nos momentos apropriados.

Na maioria dos motores eléctricos CC, o rotor é um electroíman que gira entre os pólos de ímanes permanentes estacionários. Para tornar esse electroíman mais eficiente o rotor contém um núcleo de ferro, que torna-se fortemente magnetizado, quando a corrente flúi pela bobina. O rotor girará desde que essa corrente inverta o seu sentido de circulação cada vez que seus pólos alcançam os pólos opostos do estator. 

O modo mais comum para produzir essas reversões é usar um comutador.

A corrente circula ora num sentido ora no outro, no rotor desse motor CC, graças às escovas de metal (ilustração da esquerda). Essas escovas tocam o comutador do rotor de forma a que a corrente inverte seu sentido a cada meia volta do rotor.

Na sua forma mais simples, um comutador apresenta duas placas de cobre encurvadas e fixas no eixo do rotor; os terminais do enrolamento da bobina são soldados nessas placas. A corrente eléctrica chega por uma das escovas (+), entra pela placa do comutador, passa pela bobina do rotor, sai pela outra placa do comutador e retorna à fonte pela outra escova (-). Nessa etapa o rotor realiza  a sua primeira meia-volta.

Nessa meia-volta, as placas do comutador trocam os seus contactos com as escovas e a corrente inverte o seu sentido de circulação na bobina do rotor. E o motor CC continua girando, sempre com o mesmo sentido de rotação.

Mas, o motor CC acima descrito tem os seus problemas. Primeiro não há nada que determine qual será o sentido de sua rotação na partida, tanto poderá iniciar girando para a esquerda como para a direita. Segundo, é que por vezes, as escovas podem iniciar tocando ambas as placas ou eventualmente nenhuma e neste caso  o motor não arrancará.  Para que o arranque se dê com total confiança e no sentido certo é preciso que as escovas enviem sempre a corrente para o rotor e que não ocorra nenhum curto circuito entre as placas devido às escovas.

Na maioria dos motores CC consegue-se tais exigências colocando-se várias bobinas no rotor, cada uma com seu par de placas no comutador. Conforme o rotor gira, as escovas suprem a corrente para as bobinas, uma de cada vez, uma após a outra. A largura das escovas também deve ser bem planeada.

O rotor de um motor CC gira com velocidade angular que é proporcional à tensão aplicada às suas bobinas.

Tais bobinas têm uma pequena resistência eléctrica e consequentemente seriam percorrida por intensas correntes eléctricas se o rotor permanecesse em repouso. Todavia, uma vez em movimento, as alterações do fluxo magnético sobre tais bobinas, geram uma força contra-electromotriz (f.c.e.m.), extraem energia daquela corrente e baixa as tensões eléctricas sobre tais bobinas. O binário  resultante anular-se-á  quando essa f.c.e.m. se igualar à  tensão eléctrica aplicada; a velocidade angular passa a ser constante.

Em geral, quando o motor está em carga  (ligando seu eixo a algo que deve ser movimentado) a sua rotação não varia acentuadamente, mas, uma maior potência será solicitada da fonte de alimentação (aumenta a intensidade de corrente de alimentação). Para alterar a velocidade angular devemos alterar a tensão aplicada ao motor. 

O sentido de rotação do rotor depende das assimetrias do motor e também do sentido da corrente eléctrica; invertendo-se o sentido da corrente o motor começará a girar no sentido contrário.

Motores universais

 Estes motores podem funcionar tanto com alimentação DC como AC. Um verdadeiro motor eléctrico DC não aceita alimentação AC (essa inverte o sentido da corrente a cada meio ciclo e isso apenas causaria trepidações); do mesmo modo, um verdadeiro motor AC (como veremos) não aceita alimentação DC (essa não oferecerá as convenientes alterações do sentido da corrente para o correcto funcionamento do motor).
Porém, se substituirmos os ímanes permanentes do estator dos motores DC por electroímanes e ligarmos (em série) esses electroímanes  no mesmo circuito do rotor e comutador, teremos um motor universal.

Nos motores universais, tanto estator como rotor são eletroímanes com bobinas em série e concordância.

Este motor girará correctamente quer seja alimentado por corrente contínua ou corrente alternada.

A diferença entre o motor universal e motor DC:  o motor universal alimentado com fonte DC não inverterá o sentido de rotação quando se  invertea polaridade da fonte (como acontece com o motor DC), continuará a girar sempre no mesmo sentido. Para inverter o sentido de rotação de um motor universal temos que inverter as ligações nos electroímanes do estator, para inverter seus pólos.

Motores universais são usados, por exemplo, em batedeiras eléctricas, aspiradores de pó etc. Em tais motores, com o tempo de uso, haverá desgastes nas escovas de carvão e deverão ser substituídas.

Motores AC síncronos

Alguns motores são projectados para operar exclusivamente com corrente alternada. Esse motor é esquematizado a seguir:

O motor síncrono AC usa electroímanes no estator para fazer girar o rotor que é um íman permanente. O rotor gira com frequência igual ou múltipla daquela da alimentação AC aplicada.

  Este motor é essencialmente idêntico a um gerador eléctrico; realmente, geradores e motores têm configuração bastante próximas. Um gerador usa o trabalho mecânico para produzir a energia eléctrica enquanto que um motor usa a energia eléctrica para produzir trabalho mecânico.

O rotor, na ilustração acima, é um íman permanente que gira entre dois electroímanes estacionários. Como os electroímanes são alimentados por corrente alternada, os seus pólos invertem a polaridade quando o sentido da corrente inverte. O rotor gira enquanto o seu pólo norte é "puxado" primeiramente para o electroíman esquerdo e "empurrado"' pelo electroíman direito. Cada vez que o pólo norte do rotor está a ponto de alcançar o pólo sul de um electroíman estacionário, a corrente inverte e esse pólo sul transforma-se num pólo norte. O rotor gira continuamente, terminando uma volta para cada ciclo da corrente alternada.

Como a sua rotação é perfeitamente sincronizada com as alternâncias  da C.A, este motor é denominado motor eléctrico síncrono da C.A. O motor da bomba de água das máquinas de lavar roupa, por exemplo, são desse tipo.

Motores de passo

Muitos dispositivos computorizados (drives, CDRom etc.) usam motores especiais que controlam os ângulos de rotação dos seus rotores. Em vez de girarem continuamente, estes rotores giram em etapas discretas; os motores que fazem isso são denominados motores de passo.  O rotor de um motor de passo é simplesmente um íman permanente que é atraído, sequencialmente, pelos pólos de diversos electroímanes estacionários, como se ilustra:

Num motor de passo, o rotor é atraído por um par de pólos do estator e a seguir, por outro. O rotor movimenta-se por etapas discretas, pausando em cada orientação, até que novo comando do computador active um jogo diferente de electroímanes.

  Estes electroímanes são ligados/ desligados seguindo impulsos cuidadosamente controlados de modo a  que os pólos magnéticos do rotor se movam de um electroíman para outro. 

Eis algumas ilustrações (animadas) de motores de passo: