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Como construir um motor eletrico
Tipologia: Notas de estudo
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LABORATÓRIO de FÍSICA II
Relatório Nº 8
Eder Martim – RA: 201090326 Leandro Mateucci – RA: 200090148 Max Murilo Rossete – RA: 201090278 Ronaldo Bebe – RA: 200090219
Prof: Julio César Martins De Oliveira Piracicaba - SP, 04 de dezembro de 2010.
1.1.. Objetivo Construir um motor elétrico e demonstrar seu funcionamento.
2.1.. Introdução;
Motor elétrico é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em mecânica. É o mais usado de todos os tipos de motores, pois combina as vantagens da energia elétrica - baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando – com sua construção simples, custo reduzido, grande versatilidade de adaptação às cargas dos mais diversos tipos e melhores rendimentos.
A tarefa reversa, aquela de converter o movimento mecânico na energia elétrica, é realizada por um gerador ou por um dínamo. Em muitos casos os dois dispositivos diferem somente em sua aplicação e detalhes menores de construção. Os motores de tração usados em locomotivas executam frequentemente ambas as tarefas se a locomotiva for equipada com os freios dinâmicos.Normalmente também esta aplicação se dá a caminhões fora de estrada. Chamados eletrodíesel.
Atualmente, os motores elétricos estão por toda a parte. Em sua casa, praticamente tudo que se move devido à eletricidade usa um motor elétrico CA (corrente alternada) ou CC (corrente contínua). Quando as lâminas de um liquidificador giram para triturar uma fruta, ou quando um robô ergue uma peça, podemos dizer que estas máquinas estão desenvolvendo sua capacidade de trabalho mecânico, isto é, sua energia mecânica. Mas energia é alguma coisa muito séria para ser produzida por uma máquina. Em geral, as máquinas não produzem energia. Elas apenas convertem a energia que recebem em outra forma de energia. As máquinas elétricas convertem energia elétrica em energia mecânica para poderem trabalhar. O principio de funcionamento dos motores elétricos, é tão importante para a automação de equipamentos e processos de fabricação quanto os motores a combustão para os automóveis. Sem eles, simplesmente não haveria automação.
2.2.. Historia;
O ano de 1886 pode ser considerado, como o ano de nascimento da máquina elétrica, pois foi nesta data que o cientista alemão Werner von Siemens inventou o
Em 1879, a firma Siemens & Halske apresentou, na feira industrial de Berlim, a primeira locomotiva eléctrica, com uma potência de 2 kW.
A nova máquina de corrente contínua apresentava vantagens em relação à maquina a vapor, a roda d’água e à força animal. Entretanto, o alto custo de fabricação e a sua vulnerabilidade em serviço (por causa do comutador) marcaram-na de tal modo que muitos cientistas dirigira sua atenção para o desenvolvimento de um motor eléctrico mais barato, mais robusto e de menor custo de manutenção. Entre os pesquisadores preocupados com esta idéia, destacam-se o jugoslavo Nikola Tesla, o italiano Galileu Ferrarris e o russo Michael von Dolivo-Dobrovolski. Os esforços não se restringiram somente ao aperfeiçoamento do motor de corrente contínua, mas também se cogitou de sistemas de corrente alternada, cujas vantagens já eram conhecidas em 1881.
Em 1885, o engenheiro electrotécnico Galileu Ferraris construiu um motor de corrente alternada de duas fases. Ferraris, apesar de ter inventado o motor de campo girante, concluiu erroneamente que os motores construídos segundo este princípio poderiam, no máximo, obter um rendimento de 50% em relação a potência consumida. E Tesla apresentou, em 1887, um pequeno protótipo de motor de indução bifásico com rotor em curto-circuito. Também esse motor apresentou rendimento insatisfatório, mas impressionou de tal modo a firma norte-americana Westinghouse, que esta lhe pagou um milhão de dólares pelo privilégio da patente, além de se comprometer ao pagamento de um dólar para cada HP que viesse a produzir no futuro. O baixo rendimento desse motor inviabilizou economicamente sua produção e três anos mais tarde as pesquisas foram abandonadas.
Foi o engenheiro electrotécnico Dobrowolsky, da firma AEG, de Berlim, entrou em 1889 com o pedido de patente de um motor trifásico com rotor de gaiola. O motor apresentado tinha uma potência de 80 watts, um rendimento aproximado de 80% em relação a potência consumida e um excelente conjugado de partida. As vantagens do motor de corrente alternada para o motor de corrente contínua eram marcantes: construção mais simples, silencioso, menos manutenção e alta segurança em operação. Dobrowolsky desenvolveu, em 1891, a primeira fabricação em série de motores assíncronos, nas potências de 0,4 a 7,5 kW.
2.3.. Principio de funcionamento;
A maioria de motores elétricos trabalham pela interação entre campos eletromagnéticos, mas existem motores baseados em outros fenômenos eletromecânicos, tais como forças eletrostáticas. O princípio fundamental em que os motores eletromagnéticos são baseados é que há uma força mecânica em todo o fio quando está conduzindo corrente elétrica imersa em um campo magnético. A força é descrita pela lei da força de Lorentz e é perpendicular ao fio e ao campo magnético. Em um motor giratório, há um elemento girando, o rotor. O rotor gira porque os fios e o campo magnético são arranjados de modo que um torque seja desenvolvido sobre a linha central do rotor. A maioria de motores magnéticos são giratórios, mas existem também os tipos lineares. Em um motor giratório, a parte giratória (geralmente no interior) é chamada de rotor, e a parte estacionária é chamada de estator. O motor é constituído de eletroímãs que são posicionados em ranhuras do material ferromagnético que constitui o corpo do estator e enroladas e adequadamente dispostas em volta do material ferromagnético que contitui o rotor.
São motores de custo elevado e, além disso, precisam de uma fonte de corrente contínua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada comum em contínua. Podem funcionar com velocidades ajustáveis entre amplos limites e se prestam a controles de grande flexibilidade e precisão. Por isso seu uso é restrito a casos especiais em que estas exigências compensam o custo muito mais alto da instalação, ou no caso da alimentação usada ser contínua, como no caso das pilhas em brinquedos
Máquina de corrente contínua é uma máquina capaz de converter energia mecânica em energia elétrica (gerador) ou energia elétrica em mecânica (motor).
A energia elétrica utilizada hoje em dia na distribuição e transporte da mesma é a corrente alternada, porém os motores de corrente contínua têm tradicionalmente grandes aplicações nas indústrias sendo que, são eles que permitem variação de velocidade como de uma esteira ou de um comboio por exemplo. Atualmente componentes eletrónicos de tensão alternada já são capazes de controlar a velocidade do motor assíncrono facilmente e pelo seu menor custo e recursos de
3.2.. Operando como gerador de corrente contínua;
Quando se trata de um gerador, a energia mecânica é suprida pela aplicação de um torque e da rotação do eixo da máquina, uma fonte de energia mecânica pode ser ,por exemplo, uma turbina hidráulica, uma turbina eólica, etc.
A fonte de energia mecânica tem o papel de produzir o movimento relativo entre os condutores elétricos dos enrolamentos de armadura e o campo magnético produzido pelo enrolamento de campo e desse modo, provocar uma variação temporal da intensidade do mesmo, e assim pela lei de Faraday induzir uma tensão entre os terminais do condutor.
Desta forma, a energia mecânica fornecida ao eixo, é armazenada no campo magnético da máquina para ser transmitida para alimentar alguma carga conectada à máquina.
3.3.. Operando como motor de corrente contínua;
No caso de motores, o funcionamento é inverso: energia elétrica é fornecida aos condutores do enrolamento da armadura pela aplicação de uma tensão elétrica em seus terminais pelo anel comutador(coletor), fazendo com que se circule uma corrente elétrica nesse enrolamento que produz um campo magnético no enrolamento da armadura.
Como o corpo do estator é constituído de materiais ferromagnéticos, ao aplicarmos tensão nos terminais do enrolamento de campo da máquina temos uma intensificação do campos magnéticos no mesmo e, portanto, a produção de pólos magnéticos (Norte e Sul) espalhados por toda a extensão do estator.
Pela atuação do anel comutador que tem como função alternar o sentido de circulação da corrente no enrolamento da armadura, quando aplicamos uma tensão no comutador, com a máquina parada, a tensão é transferida ao enrolamento da armadura fazendo com que se circule uma corrente pelo mesmo o que produz um campo magnético e outros pares de pólos no enrolamento da armadura.
A orientação desse campo, ou seja, a posição do pólo norte e sul permanece fixa, simultaneamente temos uma tensão elétrica aplicada no enrolamento de campo no estator, assim, ao termos a interação entre os campos magnéticos da armadura no
rotor e do campo no estator, os mesmos tentarão se alinhar, ou seja, o pólo norte de um dos campos tentará se aproximar do pólo sul do outro.
Como o eixo da máquina pode girar, caso os campos da armadura e do estator não estejam alinhados, surgirá um binário de forças que produzirá um torque no eixo, fazendo o mesmo girar. Ao girar, o eixo gira o anel comutador que é montado sobre o eixo, e ao girar o anel comutador muda o sentido de aplicação da tensão, o que faz com que a corrente circule no sentido contrário, mudando o sentido do campo magnético produzido.
Assim, ao girar o anel comutador muda a posição dos pólos magnéticos norte e sul do campo da armadura e como o campo produzido pelo enrolamento de campo no estator fica fixo, temos novamente a produção do binário de forças que mantém a mudança dos pólos e conseqüentemente o movimento do eixo da máquina.
1.. Motor de corrente alternada;
Nos motores universais, tanto estator como rotor são eletroímãs com bobinas em série e concordância.
São os mais utilizados, porque a distribuição de energia elétrica é feita normalmente em corrente alternada. Seu princípio de funcionamento é baseado no campo girante , que surge quando um sistema de correntes alternadas trifásico é aplicada em pólos defasados fisicamente de 120º. Dessa forma, como as correntes são defasadas 120º elétricos, em cada instante, um par de pólos possui o campo de maior intensidade, cuja associação vetorial possui o mesmo efeito de um campo
profundamente a versatilidade e performance do motor, sendo, os monofásicos, muito mais limitados e necessitados de capacitores de partida, senão, não conseguem vencer a inércia. Os motores de corrente alternada têm outras muitas divisões todas elas mundialmente normalizadas, dentre as mais comuns temos: motor de dupla polaridade, o qual pode rodar em duas velocidades diferentes em detrimento da potência, motor de eixo-duplo, com uma saída para cada lado. Nas placas de identificação dos motores elétricos encontramos diversas informações sobre estes, a saber:
Dentre a enorme variedade de aplicações encontradas para os motores elétricos, podemos citar: bombas, compressores, exaustores, ventiladores, máquinas operatrizes.
Eles podem ser acionados tanto através de partida direta, bem como através de conversor de frequência, soft-starter, chave de partida, transformador, etc.
2.. (^) O que faz girar o rotor do motor elétrico?
O rotor do motor precisa de um torque para iniciar o seu giro. Este torque (momento) normalmente é produzido por forças magnéticas desenvolvidas entre os pólos magnéticos do rotor e aqueles do estator. Forças de atração ou de repulsão, desenvolvidas entre estator e rotor, 'puxam' ou 'empurram' os pólos móveis do rotor, produzindo torques, que fazem o rotor girar mais e mais rapidamente, até que os atritos ou cargas ligadas ao eixo reduzam o torque resultante ao valor 'zero'. Após esse ponto, o rotor passa a girar com velocidade angular constante. Tanto o rotor como o estator do motor devem ser 'magnéticos', pois são essas forças entre pólos que produzem o torque necessário para fazer o rotor girar.Todavia, mesmo que ímãs permanentes sejam freqüentemente usados, principalmente em pequenos motores, pelo menos alguns dos 'ímãs' de um motor devem ser 'eletroímãs'. Um motor não pode funcionar se for construído exclusivamente com ímãs permanentes! Isso é fácil de perceber pois, não só não haverá o torque inicial para 'disparar' o movimento, se eles já estiverem em suas posições de equilíbrio, como apenas oscilarão, em torno dessa posição, se receberem um 'empurrão' externo inicial. Muitos 'inventores de motos contínuos' não percebem isso e se envolvem em 'desenhos' de "motores magnéticos" os quais, obviamente, não saem da fase de 'desenho'. Quando saem, tais protótipos só dá alguns giros devido à energia inicial do 'empurrão' e assumem suas posições de equilíbrio. 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 de uma bobina que gira entre dois ímãs permanentes. (a) Os pólos magnéticos da bobina (representados como ímã) são atraídos pelos pólos opostos dos ímãs fixos. (b) A bobina gira para levar esses pólos magnéticos o mais perto possível um do outro mas, (c) ao chegar nessa posição o sentido da
3.. Força em um condutor
A força em um condutor com corrente é similar à de uma carga em movimento como esperado, já que um condutor com corrente é uma coleção de cargas em movimento. Um condutor com corrente percebe uma força lateral na presença de um campo magnético. A força de Lorentz em uma corrente macroscópica é geralmente chamada de força de Laplace. 0 00 1 Fig 2: Regra da Mão Direita.
A regra da mão direita: apontando o polegar da mão direita na direção da corrente convencional ou movimento da carga positiva e os dedos na direção do campo B, a força sobre a corrente é apontada pela palma da mão. A força é inversa se a carga for negativa.
A direção da força sobre uma carga ou corrente positiva é determinada pela regra da mão direita. Veja a figura à direita. Usando a mão direita e apontando o polegar na direção do movimento da carga ou corrente positivas e os dedos na direção do campo magnético, a força resultante sobre a carga aponta para fora da palma da mão. A força em uma partícula de carga negativa está na direção oposta. Se tanto a velocidade e a carga são revertidas, então a direção da força permanece a mesma. Por esta razão, uma medida do campo magnético (por si mesma) não pode fazer a distinção entre uma carga positiva movendo-se para a direita ou uma carga negativa movendo-se para a esquerda, pois os dois casos produzem a mesma corrente. Por outro lado, um campo magnético combinado com um campo elétrico pode distinguir entre ambas, veja o efeito Hall abaixo
Um magneto colocado em um campo magnético sofre um torque que tenta alinhá-lo com o campo magnético. O torque em um magneto devido a um campo magnético externo é fácil de observar: basta colocar dois magnetos próximos, deixando com que um deles gire. O torque N em um magneto pequeno é proporcional ao campo B aplicado e ao momento magnético m do magneto:
onde × representa o produto vetorial. O alinhamento de um magneto com o campo magnético da Terra é o mecanismo de funcionamento da bússola. Ele é usado para determinar a direção do campo magnético local também (veja a definição de B abaixo). Um pequeno magneto é montado tal que ele possui liberdade para girar (em um dado plano) e seu pólo norte é marcado. Por definição, a direção do campo magnético local é a direção que o pólo norte de uma bússola (ou qualquer outro magneto) tende a apontar. O torque magnético é usado para movimentar motores elétricos simples. Em um projeto simples de motor, um magneto é fixado em um eixo rotativo (formando um rotor) e sujeito a um campo magnético criado por um grupo de eletromagnetos chamado de estator. Pela mudança contínua da corrente elétrica em cada um dos eletromagnetos, o que muda a polaridade de seus campos magnéticos, o estator coloca pólos de mesmo nome próximos ao rotor. O torque magnético resultante é transferido ao eixo. O processo inverso, a transformação do movimento mecânico em energia elétrica, é obtido pelo mecanismo inverso do acima no gerador elétrico.
Materiais utilizados:
T= N.i.B.A.senø
Dados: N=50; B=0,1; A= 40mm x 32mm = 0,00128 mm; i= 0,2 A; Sen 90 = 1;
T= 50 .0,2.0,1.1,28x10 -3. T= 1,28 x 10 -3^ N/m
Foi concluído durante a execução do experimento que quanto maior a distancia entre os imãs, menor a intensidade do campo magnético. Analisando a formula do torque usado para obtenção do resultado final podemos concluir que ao alterarmos qualquer um dos elementos que componham esta formula vamos ter resultados diferentes com relação à rotação do motor, ou seja, ao torque do mesmo.
