Motor DC - DC motor
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Um motor CC é qualquer um de uma classe de motores elétricos rotativos que converte energia elétrica de corrente contínua em energia mecânica. Os tipos mais comuns dependem das forças produzidas por campos magnéticos. Quase todos os tipos de motores DC têm algum mecanismo interno, seja eletromecânico ou eletrônico, para alterar periodicamente a direção da corrente em parte do motor.
Os motores DC foram a primeira forma de motor amplamente utilizada, pois podiam ser alimentados por sistemas de distribuição de energia de iluminação de corrente contínua existentes. A velocidade de um motor CC pode ser controlada em uma ampla faixa, usando uma tensão de alimentação variável ou alterando a intensidade da corrente em seus enrolamentos de campo. Pequenos motores CC são usados em ferramentas, brinquedos e eletrodomésticos. O motor universal pode operar em corrente contínua, mas é um motor leve escovado usado para ferramentas e aparelhos elétricos portáteis. Os motores CC maiores são usados atualmente na propulsão de veículos elétricos, elevadores e guinchos, e em acionamentos para laminadores de aço. O advento da eletrônica de potência tornou possível a substituição de motores CC por motores CA em muitas aplicações.
Motores eletromagnéticos
Uma bobina de fio com uma corrente passando por ela gera um campo eletromagnético alinhado com o centro da bobina. A direção e a magnitude do campo magnético produzido pela bobina podem ser alteradas com a direção e a magnitude da corrente que flui através dela.
Um motor DC simples tem um conjunto estacionário de ímãs no estator e uma armadura com um ou mais enrolamentos de fio isolado enrolados em torno de um núcleo de ferro macio que concentra o campo magnético. Os enrolamentos geralmente têm várias voltas ao redor do núcleo e, em motores grandes, pode haver vários caminhos de corrente paralelos. As extremidades do enrolamento do fio são conectadas a um comutador . O comutador permite que cada bobina de armadura seja energizada por sua vez e conecta as bobinas giratórias com a fonte de alimentação externa por meio de escovas. (Os motores DC sem escova têm componentes eletrônicos que ligam e desligam a corrente DC para cada bobina e não têm escovas.)
A quantidade total de corrente enviada para a bobina, o tamanho da bobina e o que ela envolve ditam a força do campo eletromagnético criado.
A sequência de ligar ou desligar uma determinada bobina determina a direção em que os campos eletromagnéticos efetivos são apontados. Ao ligar e desligar as bobinas em sequência, um campo magnético giratório pode ser criado. Esses campos magnéticos rotativos interagem com os campos magnéticos dos ímãs (permanentes ou eletroímãs ) na parte estacionária do motor (estator) para criar um torque na armadura que faz com que ela gire. Em alguns projetos de motores DC, os campos do estator usam eletroímãs para criar seus campos magnéticos, o que permite maior controle sobre o motor.
Em níveis de alta potência, os motores DC são quase sempre resfriados com ar forçado.
O número diferente de campos do estator e da armadura, bem como a forma como eles são conectados, fornecem diferentes características inerentes de regulação de velocidade e torque. A velocidade de um motor DC pode ser controlada alterando a tensão aplicada à armadura. A resistência variável no circuito de armadura ou circuito de campo permite o controle de velocidade. Os motores CC modernos são freqüentemente controlados por sistemas eletrônicos de potência que ajustam a tensão "cortando" a corrente CC em ciclos ligados e desligados que têm uma tensão efetiva mais baixa.
Uma vez que o motor DC bobinado em série desenvolve seu torque mais alto em baixa velocidade, ele é frequentemente usado em aplicações de tração, como locomotivas elétricas e bondes . O motor DC foi o esteio das unidades de tração elétrica em locomotivas elétricas e diesel-elétricas , bondes / bondes e plataformas de perfuração elétricas a diesel por muitos anos. A introdução de motores DC e um sistema de rede elétrica para operar máquinas a partir da década de 1870 deu início a uma nova segunda Revolução Industrial . Os motores CC podem operar diretamente a partir de baterias recarregáveis, fornecendo a força motriz para os primeiros veículos elétricos e os carros híbridos e elétricos de hoje , além de conduzir uma série de ferramentas sem fio . Hoje, os motores DC ainda são encontrados em aplicações tão pequenas como brinquedos e drives de disco, ou em tamanhos grandes para operar laminadores de aço e máquinas de papel. Grandes motores CC com campos excitados separadamente foram geralmente usados com acionadores de bobinadeira para guinchos de mina , para alto torque, bem como controle de velocidade suave usando acionamentos de tiristor. Eles agora são substituídos por grandes motores CA com inversores de frequência.
Se a energia mecânica externa for aplicada a um motor DC, ele atua como um gerador DC, um dínamo . Esse recurso é usado para desacelerar e recarregar baterias em carros híbridos e elétricos ou para devolver eletricidade à rede elétrica usada em um bonde ou linha de trem movida a eletricidade quando eles diminuem a velocidade. Esse processo é chamado de frenagem regenerativa em carros híbridos e elétricos. Em locomotivas diesel-elétricas, eles também usam seus motores CC como geradores para desacelerar, mas dissipar a energia em pilhas de resistores. Projetos mais recentes estão adicionando grandes baterias para recapturar parte dessa energia.
Escovado
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O motor elétrico DC escovado gera torque diretamente da energia DC fornecida ao motor usando comutação interna, ímãs estacionários ( permanentes ou eletroímãs ) e eletroímãs rotativos.
As vantagens de um motor DC com escova incluem baixo custo inicial, alta confiabilidade e controle simples da velocidade do motor. As desvantagens são manutenção elevada e vida útil reduzida para usos de alta intensidade. A manutenção envolve a substituição regular das escovas de carvão e molas que transportam a corrente elétrica, bem como a limpeza ou substituição do comutador . Esses componentes são necessários para transferir energia elétrica de fora do motor para os enrolamentos do fio giratório do rotor dentro do motor.
As escovas são geralmente feitas de grafite ou carbono, às vezes com cobre disperso adicionado para melhorar a condutividade. Em uso, o material da escova macia se desgasta para se ajustar ao diâmetro do comutador e continua a se desgastar. Um porta-escova tem uma mola para manter a pressão na escova conforme ela encurta. Para escovas destinadas a transportar mais de um ampere ou dois, um cabo voador será moldado na escova e conectado aos terminais do motor. Escovas muito pequenas podem contar com o contato deslizante com um porta-escova de metal para transportar a corrente para a escova, ou podem contar com uma mola de contato pressionando a extremidade da escova. As escovas em motores muito pequenos e de vida curta, como as usadas em brinquedos, podem ser feitas de uma tira de metal dobrada que entra em contato com o comutador.
Sem escova
Motores CC sem escovas típicos usam um ou mais ímãs permanentes no rotor e eletroímãs no alojamento do motor para o estator. Um controlador de motor converte DC em AC . Esse projeto é mecanicamente mais simples do que o dos motores com escovas, pois elimina a complicação de transferir potência de fora do motor para o rotor giratório. O controlador do motor pode detectar a posição do rotor por meio de sensores de efeito Hall ou dispositivos semelhantes e pode controlar com precisão o tempo, a fase, etc., da corrente nas bobinas do rotor para otimizar o torque, conservar energia, regular a velocidade e até mesmo aplicar alguma frenagem. As vantagens dos motores sem escovas incluem longa vida útil, pouca ou nenhuma manutenção e alta eficiência. As desvantagens incluem alto custo inicial e controladores de velocidade do motor mais complicados. Alguns desses motores sem escova são às vezes chamados de "motores síncronos", embora não tenham uma fonte de alimentação externa para sincronizar, como seria o caso com motores síncronos CA normais.
Não comutado
Outros tipos de motores DC não requerem comutação.
- Motor homopolar - Um motor homopolar tem um campo magnético ao longo do eixo de rotação e uma corrente elétrica que em algum ponto não é paralelo ao campo magnético. O nome homopolar se refere à ausência de mudança de polaridade. Os motores homopolares têm necessariamente uma bobina de uma volta, o que os limita a tensões muito baixas. Isso restringiu a aplicação prática desse tipo de motor.
- Motor de rolamento de esferas - um motor de rolamento de esferas é um motor elétrico incomum que consiste em dois rolamentos do tipo rolamento de esferas, com os anéis internos montados em um eixo condutor comum e os anéis externos conectados a uma fonte de alimentação de alta corrente e baixa tensão. Uma construção alternativa encaixa os anéis externos dentro de um tubo de metal, enquanto os anéis internos são montados em um eixo com uma seção não condutora (por exemplo, duas luvas em uma haste isolante). Este método tem a vantagem de que o tubo funcionará como um volante. A direção da rotação é determinada pelo giro inicial que geralmente é necessário para fazê-lo funcionar.
Estatores de ímã permanente
Um motor de ímã permanente (PM) não tem um enrolamento de campo na estrutura do estator, em vez disso, depende de PMs para fornecer o campo magnético contra o qual o campo do rotor interage para produzir torque. Os enrolamentos de compensação em série com a armadura podem ser usados em motores grandes para melhorar a comutação sob carga. Como esse campo é fixo, ele não pode ser ajustado para controle de velocidade. Os campos PM (estatores) são convenientes em motores em miniatura para eliminar o consumo de energia do enrolamento de campo. A maioria dos motores CC maiores são do tipo "dínamo", que possuem enrolamentos de estator. Historicamente, os MPs não podiam reter alto fluxo se fossem desmontados; os enrolamentos de campo eram mais práticos para obter a quantidade necessária de fluxo. No entanto, grandes MPs são caros, além de perigosos e difíceis de montar; isso favorece campos de feridas para grandes máquinas.
Para minimizar o peso e o tamanho gerais, os motores PM em miniatura podem usar ímãs de alta energia feitos com neodímio ou outros elementos estratégicos; a maioria deles são ligas de neodímio-ferro-boro. Com sua densidade de fluxo mais alta, as máquinas elétricas com PMs de alta energia são pelo menos competitivas com todas as máquinas elétricas de indução e síncronas com alimentação individual projetadas de maneira ideal . Os motores em miniatura se assemelham à estrutura na ilustração, exceto que eles têm pelo menos três pólos de rotor (para garantir a partida, independentemente da posição do rotor) e seu alojamento externo é um tubo de aço que liga magneticamente os exteriores dos ímãs de campo curvos.
Estatores de feridas
Existem três tipos de conexões elétricas entre o estator e o rotor possíveis para motores elétricos DC: série, shunt / paralelo e composto (várias combinações de série e shunt / paralelo) e cada um tem características únicas de velocidade / torque apropriadas para diferentes perfis de torque de carga / assinaturas.
Ligação em série
Um motor CC em série conecta a armadura e os enrolamentos de campo em série com uma fonte de alimentação CC comum . A velocidade do motor varia como uma função não linear do torque da carga e da corrente da armadura; a corrente é comum ao estator e ao rotor, gerando comportamento da corrente ao quadrado (I ^ 2). Um motor em série tem um torque de partida muito alto e é comumente usado para iniciar cargas de alta inércia, como trens, elevadores ou guinchos. Esta característica de velocidade / torque é útil em aplicações como escavadeiras de dragline , onde a ferramenta de escavação se move rapidamente quando descarregada, mas lentamente ao transportar uma carga pesada.
Um motor em série nunca deve ser iniciado sem carga. Sem carga mecânica no motor em série, a corrente é baixa, a força motriz contra-eletro produzida pelo enrolamento de campo é fraca e, portanto, a armadura deve girar mais rápido para produzir contra-EMF suficiente para equilibrar a tensão de alimentação. O motor pode ser danificado por excesso de velocidade. Isso é chamado de condição de fuga.
Os motores em série chamados motores universais podem ser usados em corrente alternada . Como a tensão da armadura e a direção do campo se invertem ao mesmo tempo, o torque continua a ser produzido na mesma direção. No entanto, eles funcionam a uma velocidade mais baixa com torque mais baixo na alimentação CA em comparação com a CC devido à queda de tensão da reatância CA que não está presente na CC. Como a velocidade não está relacionada à frequência da linha, os motores universais podem desenvolver velocidades superiores às síncronas, tornando-os mais leves do que os motores de indução com a mesma saída mecânica nominal. Esta é uma característica valiosa para ferramentas elétricas manuais. Os motores universais para utilidade comercial geralmente têm pequena capacidade, não mais do que cerca de 1 kW de saída. No entanto, motores universais muito maiores foram usados para locomotivas elétricas, alimentados por redes especiais de força de tração de baixa frequência para evitar problemas de comutação sob cargas pesadas e variáveis.
Conexão shunt
Um motor DC shunt conecta a armadura e os enrolamentos de campo em paralelo ou shunt com uma fonte de alimentação DC comum. Este tipo de motor possui boa regulação de velocidade mesmo com a variação da carga, mas não possui o torque de partida de um motor CC em série. É normalmente usado para aplicações industriais de velocidade ajustável, como máquinas-ferramentas, máquinas de enrolamento / desenrolamento e tensionadores.
Conexão composta
Um motor DC composto conecta a armadura e os enrolamentos de campos em um shunt e uma combinação em série para fornecer as características de um motor DC em série e em shunt. Este motor é usado quando um alto torque de partida e uma boa regulagem de velocidade são necessários. O motor pode ser conectado em dois arranjos: cumulativamente ou diferencialmente. Motores compostos cumulativos conectam o campo em série para auxiliar o campo de derivação, que fornece maior torque de partida, mas menos regulação de velocidade. Os motores CC com composto diferencial têm boa regulagem de velocidade e normalmente são operados em velocidade constante.
Veja também
- Torque dentado
- Controle de Ward Leonard
- Torque e velocidade de um motor DC
- Motor DC Controlado por Armadura
links externos
- Faça um modelo funcional de motor DC em sci-toys.com
- Como selecionar um motor DC no MICROMO
- Modelo de motor DC no Simulink na troca de arquivos - MATLAB Central