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Curso: Mecatrônica Módulo: I Carga Horária: 50h
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maquinas elétricas, Notas de estudo de Mecatrônica
maquinas elétricas
Tipologia: Notas de estudo
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Curso: Mecatrônica Módulo: I Carga Horária: 50h Docente: Turno: Turma: Discente:
Material Instrucional especialmente elaborado pelo Prof. Newton para uso exclusivo do CETEB-CA.
Sumário
Magnetismo
Cronologia
Séculos antes da Era Cristã: gregos conheciam um mineral chamado “lodestone", óxido de ferro, da região de Magnésia; 2700 A .C.: registros do uso de bússolas rústicas feitas de Lodestone pelos chineses; 1000-1200 D.C: bússolas para navegação largamente utilizadas; 1600: William Gilbert, considerado o pai do magnetismo, publica os primeiros conhecimentos afirmando que a Terra é um grande ímã; 1820: Oersted descobre a relação entre eletricidade e magnetismo; Ampere determinou que duas bobinas carregando corrente elétrica agem como ímãs; Arago descobre que o ferro pode ser magnetizado e Faraday afirma que eletricidade pode ser gerada trocando o fluxo magnético dentro de uma bobina. 1920: ímãs de maior capacidade magnética são desenvolvidos: o Alnico. 1950: significantes desenvolvimentos de ímãs cerâmicos orientados (Ferrites) 1970: impressionantes aumentos de forças magnéticas foram obtidas a partir de ligas de Samário Cobalto (Terras Raras), porém com custos muito altos. 1980: da família Terras Raras os ímãs de Neodímio Ferro Boro surgiram com capacidades magnéticas ainda maiores e com menor custo, porém muito sensíveis à altas temperaturas.
Termos do Magnetismo:
Ferromagnético: material que exibe fenômeno de histerese onde a permeabilidade magnética depende da força de magnetização. Curva de Histerese: representação gráfica da relação entre força magnética e a magnetização induzida resultante de um material ferromagnético. Fluxo magnético: manifestação física de um material quando submetido a influencias da magnetização
Indução magnética(β): número de linhas magnéticas por unidade de área na direção do fluxo.
Força coercitiva(H): campo desmagnetizante necessário para reduzir a indução magnética a zero. Desmagnetização: a completa ou parcial redução da indução representada no segundo quadrante da curva de Histerese. Produto de energia (Bhmáx): ponto da curva de desmagnetização no qual o produto da indução magnética pelo campo desmagnetizante atingem o máximo valor. Anisotrópico: quando um ímã possui orientação preferencial de maneira que as características magnéticas são melhores nesta direção. Isotrópico: material que não possui orientação preferencial apresentando características magnéticas em qualquer direção ou eixo. Gap: porção do circuito magnético que não contém material ferromagnético. Permeabilidade: habilidade da indução magnética atravessar um material. Remanência(B): indução magnética que permanece em um circuito magnético após a remoção do campo magnético externo aplicado. Saturação: um material magnético está saturado quando um aumento de força de magnetização aplicada não resulta no aumento da indução magnética. Força atrativa: é a força exercida por um ímã em um objeto ferromagnético.
Introdução ao Magnetismo
Dá-se o nome de magnetismo à propriedade que certos corpos possuem de atrair materiais ferrosos.
Em época bastante remota, os gregos descobriram que certo tipo de rocha, encontrada na cidade de Magnésia, Ásia Menor, tinha o poder de atrair pequenos pedaços de ferro. A rocha era constituída por um tipo de minério de ferro chamada magnetita (Óxido magnético de ferro) e por isso o seu poder de atração foi chamado de magnetismo. Mais tarde descobriu-se que se prendendo um pedaço dessa rocha (( óxido magnético de ferro ) ímã natural) na extremidade de um barbante ela se posicionava de tal maneira que uma das suas extremidades apontavam sempre para uma mesma direção. Esses pedaços de rocha, suspensos por um fio, receberam o nome de “pedra-guia” e foram usadas pelos chineses há 2 mil anos, para viagens no deserto, e também pelos marinheiros, quando das primeiras descobertas marítimas. Assim sendo, descobriu-se que a terra é um grande ímã natural e o giro dos ímãs em direção ao norte é causado pelo seu magnetismo.
Pólos dos Ímãs
Os pólos dos ímãs localizam-se nas extremidades e são denominados de Norte e Sul. Nos pólos, a força magnética do ímã é maior, por ser esse local de maior concentração de linhas magnéticas.
Para provar, praticamente, a existência das linhas de forças magnéticas do ímã, podemos fazer a experiência do espectro magnético. Para tal,coloca-se um ímã sobre uma mesa, sobre o ímã um vidro plano e, em seguida derrama-se limalhas, aos poucos, sobre o vidro. As limalhas se unirão pela atração do ímã, formando um circuito magnético do ímã sobre o vidro, mostrando assim, as linhas magnéticas. A linha de força magnética é a unidade de fluxo magnético. Podemos notar, através do espectro magnético, que as linhas de força magnética caminham dentro do ímã; saem por um dos pólos e entram pelo o noutro, formando assim um circuito magnético. Observa-se também, a grande concentração de linhas nos pólos dos ímãs’ou seja, nas suas extremidades.
Sentido das Linhas de Forças
O sentido das linhas de força de um ímã, por convenção, é sempre, externamente, do pólo norte para o pólo sul e internamente do pólo sul para o pólo norte.
Colocando-se uma barra desse metal sob efeito de um campo magnético externo, as moléculas alinhar-se-ão, polarizando-a, formando um campo magnético conjunto. Quando todos os ímãs elementares forem alinhados, o material tornar-se-á saturado. Nos aços de alto teor de carbono, ao ser retirada a influencia do campo externo, os ímãs elementares permaneceram alinhados e, por esse fator, são denominados ímãs permanentes. Os melhores ímãs desse tipo são os aços ligados com níquel e cobalto e ainda com pequena porcentagem de alumínio (Al = Alumínio; Ni = Níquel; Co = Cobalto).
Todo o ímã permanente pode perder total ou parcialmente o seu fator de imantação, isto é, ter seus ímãs elementares novamente desalinhados, quando submetido a um campo alternado intenso ou a temperaturas elevadas.
Os aços de baixo teor de carbono (ferro doce),ao ser retirado a influencia do campo externo, os ímãs elementares tornam a desalinhar-se, total ou parcialmente, daí a receber a denominação de ímãs temporários. Quando o desalinhamento é parcial, o material conserva o restante do magnetismo, que é chamado de remanescência. Existem substância que facilitam as passagens das linhas magnéticas, assim como existem outras que dificultam a passagem.
Permeabilidade Magnética
Permeabilidade magnética é a condutibilidade magnética, ou seja, a facilidade que certos materiais oferecem a passagem das linhas magnéticas.
Os materiais ferrosos, em geral, são bons condutores de linhas magnéticas.
Os materiais magnéticos são classificados da seguinte maneira:
Paramagnéticos : são materiais que tem imantação positiva , porém constante. Exemplo: alumio, platina, ar e outros materiais que são atraídos dentro do campo magnético.
Ferromagnéticos : são materiais que tem imantação positiva, porém não constante, que depende do campo indutor. Exemplo: ferro, níquel, cobalto e etc...
Diamagnéticos : são materiais que tem imantação negativa e constante, como: bismuto, cobre, zinco e outros, que são repelidos para fora do campo magnético.
Relutância Magnética
Dá-se nome de relutância magnética à propriedade de certas substâncias se oporem à circulação, nelas, do fluxo magnético. Pode-se comparar a relutância magnética à resistência elétrica, oposição à passagem da corrente elétrica em um circuito elétrico.
Relutância Magnética
Densidade magnética é o número de linhas magnéticas, ou o fluxo magnético produzido por um ímã, numa unidade de superfície. Ela é representada pela letra grega beta (β)
Fluxo por unidade da área = a densidade magnética β
Fluxo Magnético
O fluxo de um campo magnético é o número total de linhas de força que compreende esse campo. Ele e representado pela letra “Φ” que se pronuncia Fi.
A unidade do fluxo magnético é o Weber (Wb).
O fluxo magnético é o produto da indução magnética (densidade magnética) pela superfície do pólo de um ímã. Portanto, a unidade de fluxo magnético é igual ao produtos das unidades de fluxo magnético ao produto das unidades de indução e superfície.
Unidades de fluxo magnético
Densidade Magnética
Blindagem magnética é o processo de isolamento de um corpo da ação de um campo magnético. Existem equipamentos que podem sofrer a ação magnética por se danificarem ou fornecerem dados incorretos. Para blindarmos um corpo da ação de campo magnético, basta envolvê-lo com um material de alta
Permeabilidade Magnética
Indução
Experiência 1:
Meios: Bobina 12.000 espiras, ímã permanente e voltímetro (mV).
Execução: Faça a ligação conforme a figura ao lado e movimente o ímã dentro da bobina.
Observação: Pelo movimento de um ímã numa bobina é produzida uma corrente elétrica I, ou, podemos também dizer, uma tensão U nas espiras. O mesmo efeito se obtém ao mover a bobina.
Após as análises das duas situações o que podemos comprovar?
Meios: Condutor, acumulador ou fonte de alimentação e bússola.
Execução: Posicione o condutor verticalmente e ligue-o a um acumulador ou fonte de alimentação conforme a figura ao lado.
Experiência no^ 3: Inverter os pólos do acumulador ou fonte de alimentação e, assim, inverter a direção da corrente elétrica. Observação:
A bússola se posiciona na direção contrária.
Conclusão: Para desviar o ponteiro da bússola, atraída normalmente pelo magnetismo da Terra, foi preciso outra força magnética. Essa força aparece no condutor quando este é percorrido por uma corrente elétrica. Sempre que um condutor for percorrido por uma corrente elétrica, a bússola posicionada corretamente terá a agulha desviada pelo campo magnético formado no condutor. Este é o efeito magnético da corrente ou eletromagnetismo.
Linhas de Força Magnética
Experiência no^ 4:
Meios: Condutor, chapa de acrílico, limalha de ferro, pilha ou acumulador ou fonte de alimentação e interruptor. Execução: Conecte por intermédio de uma chave de fenda um fio grosso de cobre em série com o acumulador ou fonte de alimentação. Introduza as chapas de acrílico na posição horizontal, perpendicular ao condutor. Ligue o interruptor e espalhe e espalhe a limalha de ferro. A seguir, bata levemente nas chapas de acrílico para ajudar o alinhamento da limalha.
Conclusão: A figura formada chama-se espectro magnético. Esta experiência é utilizada para demonstrar a existência de um campo magnético ao redor de um condutor, quando percorrido por uma corrente elétrica.
Sentido das Linhas de Força Magnéticas
No circuito ao lado, constatamos o sentido das linhas de força magnéticas nas posições indicadas pela bússola. Lembre-se que, na bússola, os pólos são conforme a figura abaixo.
A bússola indica o sentido das linhas de força.
Vamos agora inverter o sentido da corrente elétrica. O sentido das linhas de força também será invertido.
Regra para determinar o sentido do campo magnético, através do sentido da corrente elétrica.
Regra dos Saca-Rolhas
Compare o sentido da corrente e das linhas de força com o sentido de penetração e sentido de giro dos saca-rolhas. O sentido de penetração corresponde ao sentido da corrente elétrica, o sentido de giro corresponde ao sentido das linhas de força. Podemos também definir sentido do campo magnético através da regra da mão direita para condutores. Envolvendo um condutor com a mão direita, os polegares voltando no sentido da corrente, as pontas dos dedos indicarão o sentido do campo magnético.
Condutores em Posição Paralela
Correntes no mesmo sentido
Ao lado, temos dois condutores em paralelo. Por eles passam correntes de mesmo sentido e mesma intensidade, produzindo campos magnéticos de mesma densidade e fluxo no mesmo sentido. Observando os campos magnéticos dos condutores verificamos que as linhas de forcas dos campos magnéticos, entre os condutores estão em sentidos contrários. Logo não existirá campo magnético entre os condutores. Neste caso, as linhas de força magnéticas formam um único campo em torno dos dois condutores.
Correntes em sentidos Opostos
Ao lado, temos dois condutores percorridos por correntes de mesma intensidade e sentidos opostos, produzindo campo magnético da mesma densidade, porém com fluxo em sentido contrário. Observando os campos magnéticos dos condutores, verificamos que as linhas de força dos campos magnéticos entre os condutores estão no mesmo sentido. Logo o campo magnético entre os condutores será mais intenso. Neste caso, as linhas de força magnéticas serão concentradas entre os condutores, formando um fluxo magnético mais intenso.
A experiência mostra que a densidade do campo é diretamente proporcional ao produto da corrente pelo número de espiras (Produto medido em ampére-espiras) e inversamente proporcional ao comprimento da bobina.Dessa forma podemos escrever: ``
D = densidade do campo em ampére-espiras/cm
I = corrente em ampéres
n = número de espiras
λ= comprimento da bobina em cm.
Sendo assim podemos afirmar que: onde:
μ = fator de permeabilidade magnética β = densidade de campo em Gauss
Quando o enrolamento não possui núcleo de ferro ou outra substância magnética, será sempre constante e igual a:
O número de ampére-espiras de uma bobina também é conhecido como “força magneto/motriz” da bobina. Por exemplo, a f.m.m. de uma bobina de 20 espiras, quando por ela circulam 2A de corrente, vale 20 x 2 = 40ampéres-espiras. Se o mesmo enrolamento da fig. abaixo tivesse sido efetuado sobre um núcleo de aço ou ferro, teríamos então um eletroímã.
Ao passar uma corrente pela bobina, esse núcleo torna-se altamente magnetizado, durando essa ação enquanto a corrente estiver presente pelo enrolamento.
Eletroímã
Um eletroímã é constituído de uma ou duas bobinas de fio de cobre e um núcleo de ferro, com o respectivo fecho. Ele tem, portanto, o circuito elétrico das bobinas e o circuito magnético do núcleo. A corrente passando nas bobinas cria um campo magnético no núcleo, que atrai fortemente o fecho móvel. O fecho de ferro é atraído pelos pólos do eletroímã e, quanto mais o fecho se aproximar, mais violenta é a atração. A força de atração depende dos elementos seguintes:
Área de seção do núcleo; Número total de espiras das bobinas; Intensidade da corrente.
Os pólos no Eletroímã
Nos aparelhos elétricos, muitas vezes torna-se necessário saber qual o sentido do campo magnético, isto é, onde ficam os pólos norte e sul.
Para determinar os pólos N e S aplicamos a Regra da Mão Direita. Tomando-se o solenóide na mão direita, como na figura ao lado, as pontas dos dedos indicarão o sentido da corrente e o dedo polegar indicará o sentido do fluxo interno das linhas magnéticas do solenóide ou simplesmente, o seu pólo Norte.
Aplicações:
O eletroímã tem inúmeras aplicações em eletrotécnica, eletromecânica, eletrônica, mecatrônica e principalmente nos comandos a distância. Algumas aplicações em sinalização:
Campanhia CC; Anuciador;
Gerador de Corrente Contínua
Cigarra sincronizada CA; Placa magnética; Freio magnético;
Transformadores; Geradores; Máquinas Rotativas e etc..
Disposição de Ímãs
No espectro magnético, as linhas de forças, como nós já sabemos, saem do pólo norte e entram no pólo sul, na parte externa do ímã e percorrem o trajeto do sul para o norte na parte interna.
Seccionando um ímã em duas partes, mantém-se o mesmo alinhamento.
Mudando-se a posição do ímã como mostra a figura, a trajetória da linha de força continua sem alteração. Temos somente um circuito magnético. Separando novamente os ímãs e adotando a disposição ao lado, temos ainda o mesmo circuito magnético. O circuito magnético é formado pelos ímãs e pelo ar.
Para facilitar a passagem das linhas de força usam-se duas peças de ferro, que é constituída de material de alta permeabilidade magnética.
Agora o circuito magnético tem uma parte comum pelos ímãs, e outra parte que se divide em dois ramos do núcleo de ferro.
Também são possíveis outras disposições dos ímãs. No lugar de ímãs, podem ser usados, também, eletroímãs.
Em 1830, Farady obteve a corrente elétrica induzida movendo um condutor no campo magnético permanente, estabelecendo o princípio ou “Lei de Farady” que diz: “Todo condutor que cortar um campo magnético, induz
Força sobre uma Corrente
O sentido da corrente induzida em uma espira depende do seu movimento e do sentido das linhas de força do campo magnético. A intensidade da corrente induzida em uma espira depende da velocidade do movimento e da intensidade do campo magnético. Para que possamos analisar o sentido da corrente de uma espira, utilizamos a “regra da mão direita”.
- O dedo polegar indica o sentido do movimento da espira (condutor).
- As pontas dos outros dedos indicam o sentido da corrente induzida.
- As linhas do fluxo magnético sempre devem penetra perpendicularmente a palma da mão.
Lembre-se: A teoria eletrônica nos define o sentido real da corrente: o fluxo dos elétrons flui do pólo negativo para o pólo positivo. Porém, a teoria elétrica utiliza o sentido convencional, que prevê o fluxo do pólo positivo para o pólo negativo.
Se utilizarmos o sentido da corrente eletrônica (real), a regra da mão direita transforma-se na regra da mão esquerda, mas o princípio será o mesmo.
Corrente Alternada
Supondo-se que o movimento da espira seja da esquerda para direita dentro de um campo magnético, demonstraremos a variação da corrente elétrica em função desse movimento. A isto chamamos de geração de corrente elétrica alternada.
Posição 1: A espira não se deslocou. Os dois lados da espira não estão cortando as linhas de força, portanto, não há produção de tensão elétrica e por isso, não há fluxo de corrente. O ponteiro do galvanômetro está na posição zero.
Posição 2: A espira se deslocou 45o^ a partir do ponto inicial.
Os condutores da espira estão começando a interferir nas linhas de força do campo magnético. O ponteiro do galvanômetro está indicando o surgimento de uma tensão induzida nos condutores da espira.
Posição 3: A espira deslocou 90o^ a partir do ponto inicial.
A medida que a espira se aproxima do ponto “A” o ponteiro do galvanômetro desloca-se mais do que na posição anterior.
Na posição “A”, as seções transversais aos condutores estão cortando perpendicularmente as linhas de força magnética (ângulo de 90o). Quanto maior a quantidade de linhas de força cortada pela espira, maior é a tensão nela induzida. Portanto, o ponteiro do galvanômetro esta marcando a máxima quantidade de tensão produzida na espira e, respectivamente, a máxima quantidade de corrente.
Posição 4: A espira se deslocou 135o.
Agora o ponteiro do galvanômetro está indicando valor menor que o valor marcado anteriormente. Os dois lados da espira estão, neste momento, em posição inclinada entre as peças polares. Nesta posição, apenas parte do fluxo magnético está sendo interrompido pela espira, produzindo nesta uma tensão cada vez menor. À proporção que a espira se afasta do ponto de maior convergência do fluxo magnético (ponto “A”), o galvanômetro registra menor tensão induzida e, respectivamente, menor corrente elétrica.
O ponteiro do galvanômetro retornou novamente a posição zero. Aqui, os dois lados da espira não estão cortando as linhas de força. Não há indução de tensão nos condutores da espira.
Posição 6: A espira se deslocou 225o. Agora, o ponteiro do galvanômetro está se deslocando para esquerda. Lembre-se de que, até a 5 posição, a parte escura da espira estava cortando o fluxo magnético de cima para baixo e, a parte clara, de baixo para cima.
A partir da 6 posição, a parte escura começou a deslocar- se dentro do campo magnético de baixo para cima e, a parte clara, de cima para baixo. Como o sentido de deslocamento dos lados da espira ficou invertido, inverteu- se também o sentido de deslocamento da corrente elétrica. Por este motivo que o ponteiro do galvanômetro mudou de sentido, ou seja, agora ele esta se deslocando para esquerda.
Definição:
Corrente alternada é aquela que varia periodicamente de intensidade e de sentido.
Freqüência
Supondo-se que o tempo gasto para a espira percorrer os 360o^ tenha sido de 1 segundo, podemos representá-lo graficamente. Se continuarmos girando a espira, o tempo continuara sendo representado graficamente de acordo com a figura ao lado:
Durante 0,5 segundos, a corrente circula no sentido conforme o desenho abaixo.
De 0,5 segundos até 1 segundo, a corrente muda o sentido conforme a figura acima. Quando um gerador de corrente alternada com dois pólos completa uma rotação, a tensão completa um ciclo. Se essa rotação for completada no tempo de 1 segundo temos, então 1 ciclo/s. Na realidade, podem ser gerados mais ciclos por segundo; o número de ciclos depende de dois fatores:
- Rotação por segundo
- Números de pólos do gerador
O número de ciclos é denominado “freqüência”, que tem como unidade de medida o “Hertz”.
Hertz = Hz
Definição:
Freqüência é o número de oscilações por segundo ou, simplesmente, ciclos por segundo (ciclos/s). Exemplo:
Na sua casa a freqüência da corrente elétrica é de 60Hz. Isto significa que a corrente elétrica completa 60 ciclos em 1 segundo.
Conversão Eletromagnética de Energia
Introdução
A primeira indicação da possibilidade de intercâmbio entre energia elétrica e mecânica foi apresentado por Michael Faraday em 1831. Esta descoberta é considerada por alguns como o maior avanço individual no progresso da ciência para atingir o aperfeiçoamento final da humanidade. Deu inicio ao gerador e ao motor elétrico, ao microfone, ao alto-falante, ao transformador, ao galvanômetro e, de fato, a praticamente todos os dispositivos cujos princípios e características serão considerados nesta disciplina. A conversão eletromagnética de energia, como a entendemos hoje, relaciona as forças elétricas e magnéticas do átomo com força mecânica aplicada à matéria e ao movimento. Como resultado desta relação, a energia mecânica pode ser convertida em energia elétrica, e vice-versa, através das máquinas elétricas. Embora esta conversão possa também produzir outras formas de energia como calor e luz, para a maioria dos usos práticos avançou-se até o estágio onde as perdas de energia reduziram-se a um mínimo e uma conversão relativamente direta é conseguida em qualquer das direções. Assim, a energia mecânica de uma queda- d’água é facilmente convertida em energia elétrica através de um alternador; a energia elétrica produzida é transformada por conversão eletromagnética de energia numa tensão mais elevada para transmissão a longa distância e, em algum ponto terminal, é transformada novamente para distribuição numa subestação, onde, a partir de um centro de cargas, se distribuirá energia elétrica a consumidores específicos como fazendas, fábricas, residências, industrias, estabelecimentos comerciais dentre outros. Nestas aplicações individuais, a energia elétrica pode, mais uma vez, ser convertida em mecânica através dos motores, em energia térmica através de estufas elétricas, em energia luminosa através de lâmpadas elétricas e em energia química através de uso de processos eletroquímicos; ou pode ser convertida em outras formas de energias elétrica, pelo uso de conversores rotativos, retificadores e conversores de freqüência. A energia elétrica produzida através desta conversão eletromecânica de energia pode ser reconvertida várias vezes através de dispositivos apresentados neste módulo, antes que a energia seja finalmente convertida à forma que realizará o trabalho útil.
Relação Entre Indução Eletromagnética e Força Eletromagnética
Foram descobertos certos fenômenos eletromagnéticos naturais que relacionam as energias elétricas e mecânicas. A relativa facilidade com que se processa tal conversão de energia é devida, de fato, ao conhecimento dessas relações. Para a maioria das aplicações usuais, a conversão de energia elétrica em mecânica, e vice-versa, pode ser considerada como uma reação reversível. À medida que o processo deixa de ser completamente reversível e outras formas indesejáveis de energia são nele produzidas (tais como energia térmica, luminosa e química), resultam perda de energia do sistema eletromecânico.