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MOTORES ELÉTRICOS

No nosso cotidiano estamos constantemente utilizando equipamentos que possuem um motor elétrico: liquidificares, ventiladores, batedeiras e furadeiras, apenas para citar alguns mais comuns.

Em um motor eletrico ocorre transformação de energia elétrica em energia mecânica, sob a forma de energia cinética de rotação do eixo.

Um motor elétrico é essencialmente, constituído por um condutor dobrado na forma de um quadro e percorrido por corrente elétrica, imerso em um campo magnético.

Ao ser percorrido por uma corrente elétrica um dos lados do quadro fica sujeito a uma força ascendente, e o lado oposto a uma força descendente. Isso provoca o surgimento de um binário que obriga o quadro a girar ate que fique vertical nessa posição o quadro o para de rodar a menos que o sentido da corrente elétrica seja invertido. A inversão no sentido da corrente elétrica e feita cada meia volta utilizando-se um comutador. Formado por um anel metálico dividido em duas metades, tonando permanente o movimento do quadro. A corrente entra e sai do comutador através de duas escovas de carbono.

ELETROMAGNETISMO

Conceitos básicos:

Toda carga elétrica (q) imersa num campo de indução magnética (B) e dotada de velocidade (V), de direção não coincidente com a direção do campo, e fica sujeita a uma força (Fm) de origem eletromagnética.

A força magnética Fm é sempre perpendicular ao plano definido por V (velocidade) e B (campo magnético). O sentido dessa força pode ser obtido pela conhecida "regra da mão esquerda", onde o dedo indicador representa B, o dedo médio representa V e o polegar a força magnética Fm.

Um ímã em forma de anel (retirado de um

alto falante) produz um campo magnético

conforme demonstrado na figura a seguir.

Os portadores de carga elétrica são os elétrons (que transportam carga negativa) e os íons (cátions transportam cargas positivas e ânions cargas negativas). Em função do tipo de portadores de carga elétrica, diferenciamos os condutores elétricos.

Independentemente do tipo de portador, o sentido convencional da corrente elétrica é sempre do positivo do gerador (+) para o negativo (-). Na ilustração a seguir, i indica o sentido convencional da corrente elétrica nos diversos circuitos.

Reproduzindo a experiência de Oersted.

Em 1818, Hans Oersted fez uma experiência que se tornou clássica: mostrou que uma corrente elétrica cria um campo magnético, como um ímã. Corte uma rodela de isopor do tamanho de uma moeda. Magnetize uma agulha com o ímã, ponha-a sobre a rodela e faça o conjunto flutuar sobre a água em um copo de vidro. Pegue um pedaço de fio condutor e descasque as pontas. Estique o fio sobre o copo, paralelo à agulha imantada. Encoste as pontas do fio nos pólos de uma pilha e observe o que acontece com a agulha. Você reproduziu a experiência de Oersted.

Modelo de motor elétrico com estator de ímã permanente e rotor de bobina.

Os terminais dessas bobinas funcionarão tanto como eixo de rotação do motor comocoletores de corrente elétrica. Eles devem ficar alinhados com o eixo horizontal da bobina.

O verniz deve ser completamente raspado de um desses terminais da bobina e no outro terminal apenas de uma das metades ao longo do fio. Isso funcionará como comutador para o funcionamento do motor.

O conjunto móvel deve ficar bem centralizado. Devido a raspagem de uma das extremidades do fio de um só lado, com uma face da bobina voltada para o ímã não deve haver contado elétrico entre a bobina e os mancais e, com a outra face virada para o ímã, sim.

O campo magnético produzido por dois ímãs de faces opostas que se defrontam sem armadura é menos concentrado do que o campo dos mesmos ímãs agora colados na armadura.

A ilustração a seguir, mostra uma visão da montagem vista por um observador na direção do eixo.

Ilustra-se o vetor campo magnético produzido pelos ímãs fixos (B), os sentidos das correntes elétricas nos lados da bobina girante (Ä e ¤ ) e as forças magnéticas que esse campo aplica nas correntes (F e -F).

MOTOR ELÉTRICO COM ESTATOR E ROTOR DE BOBINA

Um dos fios do estator deve ser ligado em um dos mancais. A outra extremidade do fio do estator vai para um dos pólos da pilha e, do outro mancal sai um fio para o outro pólo da pilha.

A bobina deve ter de 20 a 30 espiras e sua extremidades devem ficar retas e diametralmente opostas.

Um desses extremos deve ser totalmente raspado para retirar o verniz isolante. O outro extremos deve ser apenas parcialmente raspado para funcionar como comutador de corrente elétrica.

MOTOR DE ROTOR LÍQUIDO

A força magnética empurra os íons e arrasta o líquido.

A ilustração abaixo mostra uma seção transversal da montagem e uma vista de topo. Através dela você poderá observar bem o movimento dos cátions e ânions, o campo magnético do ímã (B) e o sentido da força magnética (Fm) que age nesses íons, arrastando consigo o liquido todo e fazendo-o girar ao redor do pino central.

Após ligada a fonte de alimentação no motor (6VDC, + no eletrodo central e - no funil), a corrente elétrica começa a circular no condutor iônico, do eletrodo central para o funil (sentido convencional da corrente). Essa corrente é formada por cátions (que caminham do centro para a periferia) e por ânions (que caminham da periferia para o centro).

O campo de indução magnética mantido pelo ímã (B) é, no nosso exemplo, vertical para cima, e age tanto nas cargas positivas (cátions) como nas negativas (ânions). Pela regra da mão esquerda você poderá constatar que as forças magnéticas surgem sempre no sentido de arrastar as cargas movimentando-as no sentido horário. Esse "arrastão" leva consigo o líquido todo e esse se põe a girar.

UTILIZAÇÃO DOS MOTORES ELÉTRICOS

Os campos magnéticos criados no interior e ao redor das

bobinas ficam mais intensos quando se coloca, no interior

da bobina, um núcleo de ferro. O ferro tem a propriedade

de concentrar as linhas de indução produzidas pela

corrente elétrica que circula nessas bobinas. A bobina,

com núcleo de ferro, recebe o nome de eletroímã.

A energia mecânica extraída de um motor de eletroímãs

é bem maior que aquelas desenvolvidas nos outros

motores. É o projeto que mais se aproxima dos motores

convencionais.

Fases do funcionamento de um rotor de eletroímã

CRITÉRIOS PARA DIMENSIONAR UM MOTOR ELÉTRICO

1) Curva : Conjugado x Rotação x Conjugado Resistente

Devemos analisar a curva característica do Motor elétrico com a curva da carga para verificar se o Motor Elétrico vai conseguir acionar a carga. Para tanto é necessário que os valores Cp>Cr e Cmáx seja o maior possível para que o Motor Elétrico vença eventuais picos de carga como pode ocorrer em certas aplicações como por exemplo : Britadores, Calandras, Misturadores e outras além de não "travar", isto é, perder bruscamente a velocidade quando ocorrerem quedas de tensão excessivas momentaneamente.

2) Categorias de Conjugados conforme NBR 7094/96

Conforme as suas características de Conjugado em relação à velocidade e corrente de rotor bloqueado (Ip) , os Motores Elétricos de indução trifásicos com rotor de gaiola de esquilo são classificados em cinco categorias conforme a norma NBR 7094/96 para 2,4,6 e 8 pólos e potência até 630 KW (856 cv) com tensão nominal <= 600 V.

Categoria N - motores elétricos com conjugado de rotor bloqueado normal.

Categoria NY - motores elétricos semelhantes à categoria N, porém previstos para partida estrela-triângulo.

Categoria H -motores com conjugado de partida maiores que os da categoria N.

Categoria HY - motores elétricos semelhantes à categoria H, porém previstos para partida estrela-triângulo.

Categoria D - motores elétricos com conjugado de rotor bloqueado e escorregamento elevados.

Para motores elétricos de indução de gaiola, trifásicos, para tensão nominal > 600 V, qualquer potência, conjugado de partida normal e partida direta valem os seguintes valores mínimos de conjugados:

Cp/Cn = 0,6

Cmín/Cn = 0,5

Cmáx/Cn = 1,60

Onde:

Cp = conjugado com rotor bloqueado

Cmáx = conjugado máximo

Cmín = conjugado mínimo

3) Momento de Inércia ( J )

O Momento de Inércia é uma medida da resistência que um corpo oferece a uma mudança em seu movimento de rotação em torno de um dado eixo. O momento de Inércia da Carga acionada (Jc) é uma das características fundamentais para verificar, através do tempo de aceleração, se o motor consegue acionar a carga dentro das condições exigidas pelo ambiente ou pela estabilidade térmica do material isolante. Quando o momento de inércia da carga tiver em rotação diferente da do motor como nos casos em que o acoplamento não for direto (polias e engrenagens) este deverá ser referido a rotação nominal do motor de acordo com a fórmula:

Jcm = Jc (Nc/Nn)² (kgm²)

Onde:

Jcm = Momento de inércia da carga referido ao eixo do motor (kgm²).

Jc = Momento de inércia da carga (kgm²).

Nn = Rotação nominal do motor (rpm).

Nc = Rotação da carga (rpm).

Se for disponível a velocidade linear da massa poderemos reduzi-la ao eixo do motor elétrico pela fórmula:

Jr = 91,2 m (V²/N²)

Onde:

V = velocidade linear (m/s)

N = rotação do motor (rpm)

m = massa (kg)

Jr = momento de inércia reduzido ao eixo do motor (kgm²)

4) Tempo de Aceleração (ta)

Para verificar se o motor elétrico vai acionar a carga deveremos calcular o tempo de aceleração e comparar com o tempo de rotor bloqueado (trb) nos catálogos técnicos dos fabricantes dos motores elétricos de baixa tensão ( WEG - Jaraguá do Sul/SC e EBERLE - Caxias do Sul/RS). O tempo de aceleração (ta) pode ser determinado de maneira aproximada pela fórmula abaixo:

ta = 2[] ( Jm + Jc) RPM / (Cméd . Cr)

Onde:

ta = tempo de aceleração em segundos (s).

Jm = momento de inércia do motor (kgm²)

Cméd = conjugado médio de aceleração do motor (kgm²)

Cr = conjugado de aceleração da carga (kgm²)

RPM = rotação nominal do motor (rpm)

Jc = momento de inércia da carga (kgm²)

5) Regime de Serviço

É o grau de regularidade da carga a que o motor elétrico é submetido. Os motores elétricos normais de linha são projetados para regime contínuos (S1), quando necessitamos de um motor que vá acionar uma carga que não seja de regime contínuo deveremos contatar o fabricante e informar numericamente ou por gráficos o tipo do regime que é submetido o motor elétrico. Os tipos de regimes foram padronizados pela NBR 7094/1996 em dez tipos de regime de funcionamento:

S1 - Regime Contínuo (funcionamento a carga constante de duração suficiente para que se alcance o equilíbrio térmico) ex : transportador contínuo, bomba.

S2 - Regime de Tempo Limitado (funcionamento a carga constante, durante um certo tempo, inferior ao necessário para atingir o equilíbrio térmico seguido por um período de repouso de duração suficiente para restabelecer a igualdade de temperatura com o meio refrigerante) ex. geladeira no inverno.

S3 - Regime Intermitente Periódico (seqüências de ciclos idênticos, cada qual incluindo um período de funcionamento a carga constante e um período de repouso, sendo tais períodos muito curtos para que se atinja o equilíbrio térmico durante um ciclo de regime e no qual a corrente de partida não afeta de modo significante a elevação de temperatura). Ex. esmeril.

Fator de duração do ciclo

(ED%) = tf / (tf + tr) . 100%

Onde:

tf = funcionamento em carga constante (s)

tr = tempo de repouso

S4 - Regime Intermitente Periódico com Partidas.

S5 - Regime Intermitente Periódico com Frenagem Elétrica.

S6 - Regime de Funcionamento Contínuo com Carga Intermitente.

S7 - Regime de Funcionamento Contínuo com Frenagem elétrica.

S8 - Regime de Funcionamento Contínuo com Mudança Periódica na Relação Carga/Velocidade de Rotação.

S9 - Regime com Variação não Periódica de Carga e Velocidade.

S10 - Regime com Cargas Constantes distintas.

6) Redução da Potência em Função da Temperatura ambiente (T) e da Altitude (H)

Outros dois fatores que influenciam a escolha do motor estão a temperatura ambiente e a altitude aonde o motor elétrico vai trabalhar. O motor elétrico normal foi projetado para trabalhar numa temperatura ambiente de 40º C e altitude de 1000 m , se o motor elétrico for operar numa temperatura maior ou menor do que 40º C e altitude maior que 1000 m deveremos usar o fator de multiplicação de tabela específica além de fabricar o motor elétrico especialmente.

Exemplo:

Motor Elétrico de 100 cv trabalhando em ambiente com 60º C e 1000 m.

Da tabela específica [] = 0,71

P" = 0,71 . Pn ou P" = [] Pn

P" = 0,71 . 100 = 71 cv, ou seja, o motor elétrico poderá fornecer 71 % de sua potência nominal.

Se o Motor elétrico for trabalhar em temperatura ambiente < - 20º C de verá possuir como acessórios: resistência de aquecimento e graxa para baixas temperaturas nos mancais.

Se o Motor elétrico for trabalhar em temp. > 40 º C deveremos sobredimensioná-lo e usar classe de isolação H, graxa especial, rolamento com folga C3.

Se o Motor elétrico for operar em ambientes agressivos, como, estaleiros, instalações portuárias, indústria de pescado, indústria petroquímica, exigem que os mesmos possuam:

- enrolamento duplamente impregnado;

- pintura anticorrosiva;

- placa identificação em aço inoxidável;

- elementos de montagem zincados;

- retentores de vedação tampas dianteira e traseira;

- juntas para vedar caixa de ligação;

- massa de calafetar na passagem dos cabos de ligação;

- caixa de ligação de ferro fundido;

- Ventilador de material não faiscante (polipropileno);

- Labirinto metálico tipo taconite (para ambientes empoeirados);

- Prensa-cabos;

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