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INTRODUÇÃO
Magnetismo é a parte da Física que estuda os materiais magnéticos, ou seja, que
estuda materiais capazes de atrair ou repelir outros que ocorre com materiais
eletricamente carregados.
A primeira referência conhecida sobre uma substância capaz de atrair outras é a de
Tales de Mileto. Em uma de suas viagens a Ásia (na época província da Grécia)
para Magnésia (nome da região da Ásia) constatou que pequenas pedrinas estavam
sendo atraídas na ponta de ferro do seu cajado. Então estudou tal fenômeno e
descobriu o magnetismo e a eletricidade.
A maneira para determinar se um material é magnético ou não é colocá-lo sobre a
influência de um campo magnético (campo criado pelo movimento de cargas
elétricas). Se aparecerem forças ou torques, se trata de uma substância magnética.
Isso é verdadeiro para todas as substâncias, mas em algumas o efeito é bem mais
evidenciado, e essas são chamadas de magnéticas.
As propriedades magnéticas não estão limitadas unicamente as substâncias
ferromagnéticas, elas se apresentam em todas as substâncias, embora em menor
escala. Nesta categoria, entram dois tipos de substâncias: as paramagnéticas e as
diamagnéticas.
Para classificar as substancias precisamos de conceitos que as definem e assim
temos vários como a curva de histerese, o ponto de Curie bem como a
permeabilidade magnética.
Este trabalho tem como objetivo o estudo das propriedades magnéticas como um
todo abrangendo desde as partes mais básicas da física ate os efeitos que o
magnetismo causa aos materiais e como eles são classificados.
MAGNETISMO
O magnetismo começou a ser descoberto pelo homem ainda na antiguidade, e leva
esse nome por causa da região onde foram encontradas pedras que tinham o poder
de atrair outras pedras e também pequenos pedaços de um metal, o ferro. Essa
região chama-se Magnésia e fica na Ásia menor.
O magnetismo é natural de uma pedra chamada magnetita, hoje mais conhecida
como imã. Mas além desta forma espontânea de magnetismo, existe outra forma de
se gerar um campo magnético. Essa forma é através da corrente elétrica.
PROPRIEDADES MAGNÉTICAS DOS MATERIAIS
O magnetismo é um fenômeno pelo qual os materiais exercem forças (de atração e
repulsão) uns sobre os outros, contudo, a maioria dos elementos e materiais não
exibe essa propriedade. O ferro, alguns aços e a magnetita, compostos
intermetálicos de samário e cobalto, assim como ligas de neodímio, ferro e boro são
exemplos de materiais comuns que apresentam magnetismo.
Muitos dos equipamentos e dispositivos modernos dependem do magnetismo e dos
materiais magnéticos: geradores e transformadores de eletricidade, motores
elétricos, rádio, televisão, telefone e computadores.
CONCEITOS BÁSICOS
Forças magnéticas aparecem quando partículas eletricamente
carregadas (não neutras) se movimentam.
As linhas de força saem do pólo norte em direção ao pólo sul.
Os dipolos magnéticos são análogos aos dipolos elétricos e podem ser
imaginados como pequenas barras compostas de pólo norte e sul.
O momento magnético é um vetor, que em presença de um campo
magnético, relaciona-se com o torque de alienação de ambos os vetores no ponto
no qual se situa o elemento. O vetor de campo magnético a utilizar-se é o B (tesla).
Um campo magnético H é gerado pela passagem de uma corrente i
por uma espira cilíndrica de comprimento l e contendo N voltas. O campo
magnético é medido em termos de fluxo magnético no vácuo Bº (Wb/m²).
Vários parâmetros podem ser utilizados para descrever as propriedades magnéticas
de um material.
PERMEABILIDADE MAGNÉTICA (μ)
Está relacionada com a intensidade de magnetização, esta varia em função da
intensidade do campo aplicado. As permeabilidades medem a facilidade com que
um campo magnético B pode ser introduzido em um material sob ação de um campo
externo H.
μ=TgθB/H é dada em Gauss/Oersted
Permeabilidade magnética relativa (μr) de alguns materiais
Ferro “puro” (0,1% de impurezas) 0,5 10³
Aço ao silício (4,25% Si) 1,5 10³
Aço ao silício (3,25% Si) com grãos
orientados (textura)
2,0 10³
“Supermalloy” (79%Ni; 16%Fe; 5%Mo). 1,0 104
Ferrite cerâmica (Mn, Zn) Fe2O4. 1,5 10³
Ferrite cerâmica (Ni, Zn) Fe2O4. 0,3 10³
DOMÍNIOS MAGNÉTICOS
São regiões da estrutura do material onde todos os átomos cooperam
magneticamente, ou seja, são as zonas de magnetização espontânea.
Quando um campo magnético é aplicado os domínios magnéticos tendem a se
alinhar com o campo e, então, o material exibe propriedades magnéticas.
Os domínios de uma substância ferromagnética desmagnetizada
são polarizados ao longo do eixo do cristal. Os sinais de ponto e
x representam setas saindo e entrando no monitor, respectivamente.
Foto micrográficas de domínios magnéticos (Bell Telephone Laboratories).
PONTO DE CURIE
Um íman, quando aquecido, perde as suas propriedades magnéticas, pois o
calor provoca um desarranjo na disposição das suas partículas. Como
consequência, acima de uma determinada temperatura os condutores perdem suas
propriedades magnéticas. Esta temperatura, que é constante para cada substância,
é denominada Temperatura de Curie ou Ponto de Curie. Nesta temperatura os
materiais perdem suas propriedades ferromagnéticas. Esta transição é reversível
através do resfriamento do material.
Temperatura de Curie em alguns materiais
Ferro 770º
Cobalto 1075º
Níquel 365º
Gadolínio 15º
Na analogia aos materiais ferromagnéticos, a temperatura de Curie é usada
também em materiais piezoelétricos, onde o material perde sua polarização
espontânea e características piezoelétricas acima da temperatura de Curie. No
"Titano-zirconato de chumbo" (PZT), o material é tetraédrico abaixo da temperatura
de Curie e passa a ser cúbico acima desta temperatura, além disso, não resta
nenhum momento de dipolo líquido e nenhuma polarização espontânea acima da
temperatura Curie.
A temperatura de Curie também é utilizada para o estudo do paleo-
magnetismo terrestre e a desmagnetização de materiais.
MAGNETIZAÇÃO VERSUS TEMPERATURA
As características magnéticas dos materiais estão associadas a outras
grandezas físicas, mas em especial a temperatura.
Todos os elementos quando transformados em ímãs alcançam a
chamada Temperatura de Curie, pois o aquecimento faz com que suas partículas se
desarranjem e a substância perca suas propriedades magnéticas. Abaixo alguns
exemplos destes pontos críticos de temperatura, lembrando que o estado é
reversível apenas resfriando o material.
Ferro - 770ºC
Níquel - 365ºC
CURVA DE MAGNETIZAÇÃO OU HISTERESE
A histerese é a tendência de um material ou sistema de conservar suas
propriedades na ausência de um estímulo que as gerou.
Quando o campo magnético aplicado em um material ferromagnético for
aumentado até a saturação e em seguida for diminuído, a densidade de fluxo B não
diminui tão rapidamente quanto o campo H. Dessa forma quando H chega à zero,
ainda existe uma densidade de fluxo remanescente, Br. Para que B chegue à zero, é
necessário aplicar um campo negativo, chamado de força coercitiva. Se H continuar
aumentando no sentido negativo, o material é magnetizado com polaridade oposta.
Desse modo, a magnetização inicialmente será fácil, até quando se aproxima da
saturação, passando a ser difícil. A redução do campo novamente a zero deixa uma
densidade de fluxo remanescente, -Br, e, para reduzir B à zero, deve-se aplicar uma
força coercitiva no sentido positivo. Aumentando-se mais ainda o campo, o material
fica novamente saturado, com a polaridade inicial.
Esse fenômeno que causa o atraso entre densidade de fluxo e campo
magnético é chamado de histerese magnética, enquanto que o ciclo traçado pela
curva de magnetização é chamado de ciclo de histerese.
Alguns exemplos de campos magnéticos alternados são transmissores de
rádio, o resultante de uma corrente alternada, e todos os equipamentos que utilizam
essa corrente para aumento do fluxo magnético.
FATORES QUE AUMENTAM A PERDA POR HISTERESE
Ferro e aço submetidos a tratamento a frio.
Adição de carbono na fabricação de aço.
Imperfeições ou impurezas dos materiais.
Uma família de curvas de histerese medida com uma densidade de fluxo
modulada sinusoidalmente com frequência de 50 Hz e campo magnético variaável
de 0,3 T a 1,7 T.
B = Densidade de fluxo magnético
H = Campo magnético
BR = Remanência
HC = Coercividade
COMPORTAMENTO MAGNÉTICO DOS MATERIAIS
Os efeitos magnéticos nos materiais originam-se nas minúsculas correntes
elétricas associadas ou a elétrons em órbitas atômicas ou a spins de elétrons.
Podemos classificar os materiais quanto ao seu comportamento magnético em
diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos, antiferromagnéticos e
ferrimagnéticos.
DIAMAGNETISMO
É uma forma muito fraca de magnetismo, que só persiste enquanto um campo
magnético externo estiver aplicado. Na ausência de campo externo, os átomos de
um material diamagnético têm momento nulo. A magnitude do momento magnético
induzido pelo campo externo é extremamente pequena e sua direção é oposta à
direção do campo aplicado.
Todos os materiais têm diamagnetismo, mas ele é tão fraco que só pode ser
observado em materiais que não apresentam outro tipo de magnetismo.
Esta forma de magnetismo não tem importância prática, pode ser observado
em numerosos materiais tais como gases inertes, muitos metais, elementos não
metálicos muitos íons e seus sais, moléculas diatômicas, compostos orgânicos e
água.
PARAMAGNETISMO
Nos materiais paramagnéticos, os átomos individuais possuem momentos
magnéticos, mas suas orientações ao acaso resultam em magnetização nula para
um grupo de átomos.
Os dipolos podem ser alinhados na direção do campo aplicado, é uma forma
muito fraca de magnetismo e não tem aplicação prática, pode ser observado em
materiais como: alguns metais, alguns gases diatômicos, íons de metais de
transição, terras raras e seus sais e óxidos de terras raras.
FERROMAGNETISMO
É a propriedade de concentrar as linhas de força magnética, caracterizada
pela permeabilidade magnética. É o ordenamento magnético de todos os momentos
magnéticos de uma amostra, na mesma direção e sentido. Aplicando um campo
magnético nessa amostra, os domínios se orientam no mesmo sentido e a amostra
passa a ter uma magnetização não nula.Mesmo que o campo externo seja
desligado, a amostra ainda assim apresentará uma magnetização não nula.
Os principais exemplos de materiais ferromagnéticos são: ferro α (CCC),
cobalto, níquel e gadolíneo, algumas ligas e compostos de manganês.
Materiais ferromagnéticos podem apresentar valores de susceptibilidade
magnéticas tão altos quanto 106, apresentam temperatura de Curie acima da qual
perdem o ferromagnetismo e tornam-se paramagnéticos. A susceptibilidade
magnética dos materiais ferromagnéticos diminui com o aumento da temperatura.
FERRIMAGNETISMO
O ferromagnetismo é um fenômeno físico no que se produz o ordenamento
magnético de todos os momentos magnéticos de maneira que não todos os
momentos de uma amostra estão alinhados na mesma direção sentido. Alguns deles
estão opostos e se anulam entre si, no entanto, estes momentos que se anulam
estão distribuídos aleatoriamente e não consegue anular por completo a
magnetização espontânea.
Também apresenta, como o ferromagnetismo, magnetizações de saturação,
ainda que não em valores tão altos. Outra similaridade é que acima da temperatura
de Curie se perde p ferromagnetismo e o material passa a ser paramagnético.
As características macroscópicas do ferromagnetismo e do ferromagnetismo
são similares às diferenças encontram-se na origem do momento magnético.
ANTIFERROMAGNETISMO
É o ordenamento magnético de todos os momentos magnéticos de uma
amostra, na mesma direção, mas em sentido inverso.
Vários compostos de metais de transição apresentam comportamento
antiferromagnético: MnO, Coo, NiO, MnS, MnSe, Cr2O3, CuCl2.
CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS MAGNÉTICAS
A classificação é feita de acordo com a forma da curva de histerese. O nome
está relacionado com as propriedades mecânicas/metalúrgicas da liga:
LIGAS MAGNÉTICAS DURAS
Caracterizam-se pelo alto valor de Hc e alto Br, são ligas endurecidas com
estruturas desequilibradas, dispersas e são utilizadas na fabricação de imãs
permanentes.
Um magneto duro ou permanente tem sua magnetização durante a fabricação
e deve retê-la depois que o campo de magnetização (forte) é removido, possuem
alta resistência à desmagnetização.
Refrigeradores e fones de ouvido necessitam de metais magnéticos duros,
tais como ferritas, cerâmicas, SmCo5, Sm2Co17 e NdFeB. A maioria dos materiais
magnéticos duros é constituída de ferromagnéticos.
LIGAS MAGNÉTICAS MACIAS
Apresentam Hc de baixo valor e pequenas perdas de histerese e baixo Br,
são ligas organizadas geralmente metais puros com boa qualidade estrutural, são
empregados como ligas a serem submetidas à magnetização alternada.
Um material magnético mole opera na presença de um campo magnético,
este comportamento é útil e aplicações que envolvem mudanças contínuas na
direção de magnetização. Geradores, motores elétricos e transformadores têm
eficiência maior se a magnetização não permanece depois que o campo cai a zero.
Para estas aplicações são necessários materiais magnéticos moles de baixa
remanência, tais como ferro puro, aço ao silício, supermalloy e ferritas cúbicas do
tipo espinélio.
HÁ TRÊS TIPOS PRINCIPAIS DE ÍMÃS:
ÍMÃS PERMANENTES
Os ímãs permanentes são os que nos são mais familiares, como os que se
usam para agrupar os clips no escritório. São permanentes no sentido de que uma
vez magnetizados, mantêm o seu nível do magnetismo. Tipos diferentes de ímãs
permanentes têm características ou propriedades diferentes em função da
temperatura de operação, efeitos de desmagnetização, intensidade do campo de
indução.
ÍMÃS TEMPORÁRIOS
Os ímãs temporários são os que se comportam como um ímã permanente
quando estão dentro de um campo magnético forte, mas perdem rapidamente o
magnetismo quando o campo magnético desaparece. Um exemplos é um clip de
sujeito ao campo magnético de um íman.
ELETROÍMÃS
Um eletroímã é uma bobina helicoidal, geralmente com um núcleo de ferro,
que atua como um ímã permanente quando percorrida por uma corrente. A força e a
polaridade do campo magnético criado pelo eletroímã são ajustáveis alterando o
valor da corrente que passa através do fio e mudando a polaridade.
CLASSES DE ÍMÃS PERMANENTES:
BORO FERRO NEODÍMIO (NdFeB ou NIB)-NEODYMIUM IRON
BORON
Um ímã de neodímio é um imã feito a partir de uma combinação de neodímio,
ferro e boro — Nd2Fe14B, também conhecidos como Terras Raras ou “Super Imãs”,
entraram no mercado em 1980. É o material magnético mais moderno. Os imãs de
NdFeB são produzidos pelo compactação de ligas pulverizadas. Possuem as
melhores propriedades de todos os imãs existentes e uma incrível relação
indução/peso. É altamente susceptíveis a corrosão e devem, quase sempre, possuir
revestimento. São normalmente niquelados, zincados ou revestidos c/ resina epóxi.
Este tipo de imã é muito poderoso em comparação com a sua massa, mas também
é mecanicamente frágil e perde seu magnetismo em temperaturas entre 70ºC e
180°C. Devido ao seu custo mais baixo, têm substituído os imãs de samário-cobalto
na maioria das aplicações, que são ligeiramente mais fracos e significamente mais
resistentes à temperatura. Exemplos de aplicações: alto-falantes, discos rígidos,
geradores eólicos, brindes, equipamentos eletrônicos.
COBALTO SAMÁRIO (SmCo)
Os imãs de Samário-Cobalto (SmCo) foram desenvolvidos em 1960, como
resultado da pesquisa de novos materiais magnéticos baseados em ligas de Fe, Co,
Ni e Terras Raras. São produzidos prensando-se as ligas pulverizadas, no formato
final. Posteriormente são sinterizados a altas temperaturas. Apesar das excelentes
propriedades magnéticas e resistência ás temperaturas (até 250 ºC), o alto custo
pode limitar suas aplicações. Possuem razoável resistência à corrosão e não
necessitam de revestimentos particulares. Devido à sua elevada fragilidade, devem
ser manuseados c/ cuidado. Max. Temperatura de trabalho: 250 ºC Exemplos de
aplicações: micro-motores, sensores para automóveis.
ALNICO
Alnico são ligas de Fe (Ferro) contendo Al (Alumínio), Ni Níquel e Co
(Cobalto), além de outros elementos. O nome da liga é formado pela justaposição
dos símbolos químicos dos elementos (Al, Ni e Co). As ligas Alnico foram
descobertas na década de 1920, e permitiram a produção industrial de imãs
artificiais com indução magnética muito superior à dos naturais. Um imã de Alnico é
capaz de levantar mais de 1000 vezes seu próprio peso. Uma das ligas mais
conhecidas é o Alnico5, contendo aproximadamente 15%Ni, 25%Co, 9%Al, 3%Cu e
48%Fe. Já o Alnico12 tem 18%Ni, 35%Co, 6%Al, 8%Ti e 33%Fe. Estão disponíveis
em muitos formatos, como barras, “ferraduras”, etc., normalmente fabricados por
fundição, sofrendo um processo de rectificação para atingir dimensões precisas. Os
imãs de Alnico têm grande estabilidade térmica, ou seja, mantêm as suas
características numa faixa de temperatura muito larga, de aproximadamente -250°C
a 550°C. O material é ainda resistente à oxidação. As suas principais aplicações são
alto-falantes, motores eléctricos e geradores de pequeno porte, etc. Foram também
muito usados em instrumentos de medida, como velocímetros, tacógrafos,
medidores de energia eléctrica, etc.
CERÂMICA OU FERRITE
Também conhecidos como cerâmicos, esta família aparece no mercado em
1952. O processo de fabrico consiste na pulverização das matérias-primas até a
formação de mono-cristais. Este composto é então prensado numa forma sob a
influência de um campo magnético orientado. Após esta compactação, o material é
sintetizado em fornos especiais e moldado para os formatos e dimensões desejados.
Hoje em dia, os imãs cerâmicos são os que possuem menor custo. São resistentes à
corrosão, ácidos, sais lubrificantes e gases. Max. Temperatura de trabalho 250 ºC.
Exemplos de aplicações: alto-falantes, motores CC, sensores.
Material Br Hc BHmax Tcoef Br Tmax Tcurie
NdFeB 12,800 12,300 40 -0.12 150 310
SmCo 10,500 9,200 26 -0.04 300 750
Alnico 12,500 640 5.5 -0.02 540 860
Cerâmica
ou
Ferrite
3,900 3,200 3.5 -0.20 300 460
Br é a medida da densidade magnética residual do fluxo em Gauss, que é o
fluxo máximo que o ímã pode produzir. (Gauss)
Hc é a medida da força coerciva do campo magnético em Oeste, ou o ponto
em que o ímã se desmagnetiza por um campo externo. (Oeste)
BHmax é um termo da densidade total da energia. Quanto mais elevado o
número, mais poderoso o ímã.
Tcoef Br é o coeficiente da temperatura do Br em % por o grau centígrado.
Define a alteração de fluxo magnético em relação à temperatura. -0.20 significa que
se a temperatura aumentar 100 graus centígrados, o fluxo magnético diminuirá 20%.
Tmax é a temperatura máxima o ímã deve funcionar. Se a temperatura
exceder este valor, o imã perde as características magnéticas que recupera após a
temperatura estar dentro dos níveis de funcionamento. (recuperável) (graus
centígrados)
Tcurie é a temperatura em que o ímã ficará desmagnetizado. Se a
temperatura exceder este valor, o imã perde as características que não recupera
após a temperatura estar dentro dos níveis de funcionamento. (não é recuperável)
(graus centígrados)
MOTOR DE ÍMÃS PERMANENTES E INVERSOR DE
FREQÜÊNCIA
O uso de motores elétricos com inversores de frequência tem aumentado
expressivamente nos últimos anos. As principais razões em optar por um conjunto
motor e inversor de frequência, ao invés de um motor com velocidade fixa, são:
ajuste de velocidade, economia de energia, controle de posição e partida suave.
Motores de diversas tecnologias podem ser acionados por inversores de
frequência, como: indução CA, síncrono, síncrono de ímãs permanentes, de
relutância chaveado, etc.
As aplicações com motor e inversor são amplas e variadas, entre as quais
podem ser citadas: lavadoras de roupa, bombas, ventiladores, compressores,
sopradores, máquinas ferramentas, elevadores, servo acionamentos, equipamentos
de refrigeração, condicionadores de ar, aplicações automotivas, esteiras e muitas
outras.
Seguindo as tendências de mercado, o uso de motores síncronos de ímãs
permanentes se encontra em ampla expansão, também na indústria, pois o motor
possui alto rendimento, baixo volume e peso, torque suave, baixo nível de vibração e
ruído, ampla faixa de rotação com torque constante e, com o advento, a partir dos
anos 80, dos ímãs de Neodímio Ferro Boro (NdFeB), de elevada energia, houve um
aumento do número de aplicações, onde se utiliza esta tecnologia.
ÍMÃ PERMANENTE
Para motores elétricos de alta desempenho é de grande interesse que os
ímãs permanentes apresentem um elevado campo coercitivo ou coercividade (Hc) e
elevada indução remanente ou remanência (Br). Um elevado Hc impede que o ímã
seja facilmente desmagnetizado e um alto valor de Br resulta em um fluxo magnético
elevado. A Figura 1 apresenta a curva típica de desmagnetização de um ímã
qualquer.
O ímã de Neodímio-Ferro-Boro (NdFeB) possui remanência e coercividade
elevadas quando comparado ao ímã de Ferrite (cerâmico), resultando em uma maior
energia. Desta forma, motores projetados com NdFeB têm dimensões menores do
que os motores com ímãs de Ferrite. Em contrapartida, os ímãs de Ferrite são
consideravelmente mais baratos do que os de NdFeB.
Figura 1 – Curva B x H do ímã
Uma das características dos ímãs de NdFeB é a redução da remanência e da
coercividade com o aumento da temperatura. Os ímãs de Ferrite e de NdFeB são
mais influenciados pela temperatura do que os ímãs de Samário-Cobalto.
No entanto, nos últimos anos, as propriedades dos ímãs, particularmente os
de NdFeB têm sido continuamente aperfeiçoadas pelos fabricantes. Estes possuem
remanência (Br) cada vez mais elevada e resistem mais à desmagnetização e à
temperatura. Os ímãs usados pela WEG são adequados para trabalharem com
temperaturas de até 180ºC.
MOTORES SÍNCRONOS A ÍMÃS PERMANENTES
Motores síncronos a ímãs permanentes (Permanent Magnet Synchronous
Motor - PMSM) alimentados por inversor de frequência podem ser utilizados na
indústria, onde a variação de velocidade com torque constante e alto desempenho
são requeridos, como em compressores e esteiras transportadoras, etc.
Os PMSMs também estão sendo usados em aplicações onde confiabilidade,
torque suave, baixos níveis de vibração e ruído são fundamentais, como em
elevadores.
Além disso, são muito atrativos para aplicações com espaço reduzido e
necessidade de eliminação de redutores, pois os PMSMs possuem tamanho e
volume reduzidos e podem funcionar em uma ampla faixa de velocidades, sem
necessidade de ventilação independente.
Há dois tipos principais de PMSM: brushless DC e brushless AC.
PMSM - BRUSHLESS DC
O motor é projetado para desenvolver uma forma de onda da força contra
eletromotriz trapezoidal e a forma de onda da corrente de alimentação idealmente
retangular para geração de torque suave, conforme mostrado na Figura2.
Para se obter a fcem trapezoidal, em geral, os ímãs permanentes são
montados na superfície do rotor.
O controle do acionamento trapezoidal é mais simples, pois não há
necessidade de ter um sensor de posição de alta resolução no rotor, uma vez que
somente seis instantes de comutação da corrente das três fases devem ser
monitorados a cada ciclo elétrico. Além disso, requer somente um sensor de
corrente no link CC. Desta forma, o custo do drive é menor. Entretanto, este tipo de
motor apresenta um torque mais pulsante em relação ao brushless AC.
Geralmente, estes motores são utilizados em aplicações de baixas potências,
alguns poucos kW, e não necessitem de alta desempenho. Para aplicações com
potências maiores e alta performance, o acionamento brushless DC apresenta
desvantagens em relação ao motor brushless AC.
Figura 2 – Formas de onda da fcem e da corrente de alimentação
PMSM - BRUSHLESS AC
O brushless AC por sua vez, é projetado para que a fcem e a corrente de
alimentação sejam senoidais, resultando em um torque suave.
A fcem senoidal requer uma distribuição dos enrolamentos do estator
aproximadamente senoidal no entreferro e/ou uma forma de onda da indução
magnética (B) radial, gerada pelos ímãs, com variação senoidal no entreferro.
O motor pode ser projetado com ímãs superficiais ou ímãs internos no rotor,
conforme Figuras 4a e 4b, respectivamente.
Ao contrário do acionamento trapezoidal, o controle do acionamento senoidal
é mais complexo, pois são necessários sensores de correntes em cada fase e um
sensor de posição de alta resolução para manter a sincronização precisa da forma
de onda da corrente com a posição angular do rotor em cada instante de tempo. O
sensor de posição pode ser um encoder óptico ou resolver.
O motor brushless AC, em geral, é utilizado em aplicações onde se necessita
de alto desempenho.
Figura 3 – Formas de onda da fcem e da corrente de alimentação
MOTOR COM ÍMÃS SUPERFICIAIS E INTERNOS - BRUSHLESS AC
O motor com ímãs superficiais, Figura 4a, também é conhecido como motor
de pólos lisos, pois as indutâncias do eixo direto (Ld) e quadratura (Lq) são
praticamente iguais e constantes.
O motor de ímãs internos ou pólos salientes, Figura 4b, possui ímãs
montados internamente no rotor. Devido à geometria do rotor, este tende a produzir
saliência e indutâncias Ld e Lq diferentes. Esta saliência produz torque de relutância
que, somado ao torque eletromagnético devido aos ímãs, produz um maior torque
resultante. Os motores de ímãs internos são capazes de funcionar em uma grande
faixa de velocidades acima da nominal, com potência constante, fig.6.
O motor com ímãs superficiais apresenta uma limitada capacidade de operar
em velocidades acima da nominal, com potência constante, devido à baixa
indutância resultante do grande entreferro.
Outra vantagem do motor com ímãs internos sobre os ímãs superficiais são:
ímãs inseridos no interior do rotor, o que permite que o ímã fique protegido contra a
força centrífuga.
Fig. 4. – a) Motor com ímãs superficiais. b) Motor com ímãs internos
Figura 5 – Curva de torque x velocidade do motor com ímãs superficiais
Fig. 6 – Curva de torque x velocidade do motor com ímãs internos
Ímãs Permanentes
MOTORES DE ÍMÃS PERMANENTES WEG (WMAGNET)
O acionamento do motor de ímãs WEG é do tipo Brushless AC com ímãs no
interior do rotor (pólos salientes) e ímãs de alta energia (NdFeB).
Os motores Wmagnet com ímãs de NdFeB quase não possuem perdas
Joules (RI2) no rotor, ao contrário dos motores de indução com gaiola de esquilo
convencional. Como as perdas Joule são uma parcela significativa das perdas totais
nos motores de indução, retirando a gaiola de esquilo e substituindo-a por ímãs, o
Wmagnet assegura um rendimento muito maior do que os encontrados nos motores
das linhas Standard e Alto Rendimento Plus, conforme Figura 7.
Figura 7 – Gráfico comparativo de rendimento dos motores Wmagnet, Alto
Rendimento Plus e Standard.
Os ímãs no rotor garantem uma grande redução nas perdas elétricas e
consequentemente asseguram uma menor elevação da temperatura do motor.
Devido a estas vantagens, o volume e peso do Wmagnet comparado a um motor de
indução de mesma potência é menor e o tempo de vida é significativamente
aumentado, conforme pode ser observado nos gráficos da Figura 8.
Figura 8 – T para faixa de rotação 10:1
Figura 9 – Comparação de volume entre motor de indução e motor de ímãs
Comparado a um motor de indução equivalente, o volume do Wmagnet é
reduzido em aproximadamente 47%, resultando em uma alta relação de
torque/volume e uma redução de 36% no peso.
Para uma mesma relação de torque/potência, diminuindo-se o tamanho da
carcaça, o sistema de resfriamento também é reduzido. Desta forma, é verificado um
significativo decréscimo no nível de ruído causado pelo ventilador acoplado ao eixo
do motor, conforme gráficos da Figura 10.
MOTOR DE INDUÇÃO
MOTOR DE ÍMÃS PERMANENTES
Figura 10 – Gráfico comparativo do nível de ruído entre os motores Wmagnet, Alto
Rendimento Plus e Standard.
Outra grande vantagem do Wmagnet auto-ventilado é que este pode operar
com torque constante em uma ampla faixa de velocidade, conforme mostrado na
Figura 11.
Fig. 11 – Curva de torque nominal constante
INVERSOR WEG (CFW11 MAGNET)
Um inversor CFW11, com software especial desenvolvido pela WEG, é
necessário para acionar o Wmagnet. Ele utiliza o método de controle vetorial, que
permite o controle de torque mesmo em velocidade nula e também em altas
rotações.
O acionamento de motores de ímãs convencionais necessita de um sensor de
posição de alta resolução no rotor. Contudo, a utilização destes sensores aumenta o
custo do acionamento. Desta forma, a WEG desenvolveu e implementou no inversor
CFW11 uma nova tecnologia sensorless (sem sensor), que possui um avançado
algoritmo de controle que estima a posição e velocidade e elimina o sensor de
posição, reduzindo o custo do acionamento.
CONCLUSÃO
A maioria dos elementos e materiais não exibem propriedades magnéticas.
Alguns dos que exibem propriedades magnéticas são: Ferro, Níquel, Gadolíneo,
algumas ligas (SmCo5, Nd2Fe14B,...).
Ferromagnetismo é a propriedade de concentrar as linhas de força magnética,
caracterizada pela permeabilidade magnética.
Permeabilidade magnética esta relacionada com a intensidade de
magnetização, e a intensidade de magnetização varia em função da intensidade do
campo aplicado.
A classificação é feita de acordo com a forma da curva de histerese, o nome
esta relacionado com as propriedades mecânicas da liga, seja ela, ligas magnéticas
duras ou moles.
Ligas magnéticas duras se caracterizam pelo grande valor de Hc e alto de Br,
são ligas endurecidas com estruturas desequilibradas, dispersas; e são utilizadas na
fabricação de imãs permanentes.
Ligas magnéticas moles apresentam Hc de baixo valor e pequenas perdas de
histerese e baixo Br, são ligas organizadas; são empregadas como ligas a serem
submetidas à magnetização alternada (núcleos de transformadores).
A capacidade de um ímã para a retenção de seu magnetismo sob várias
condições é chamada de “permanência magnética”, e alguns tipos de ímãs
permanentes têm uma maior capacidade de permanência do que outros.
Normalmente, os ímãs permanentes são fabricados com base em elementos
químicos, tais como elementos de terra rara como o Alnico (alumínio, níquel,
cobalto), cerâmica (tais como estrôncio e Ferrite de bário), e ligas de elementos
raros, incluindo SmCo (cobalto-samário) e NdFeB (neodímio-ferro-boro). Como uma
opção vantajosa entre todos os tipos de ímãs industriais, os ímãs permanentes são
amplamente utilizados em muitas indústrias, especialmente para aplicações que
requerem força magnética constante, como na separação do metal e exploração,
bem como a fabricação automotiva, industrial, aeroespacial, construção e muito
mais.
Além das aplicações acima mencionadas, outra aplicação útil é que o
movimento mecânico pode ser criado pelos ímãs permanentes, quando uma
corrente elétrica apresentada a um dos pólos dos ímãs. Entretanto, os ímãs de
elementos raros, incluindo os ímãs de neodímio e os ímãs de cobalto samário,
possuem uma força magnética muito forte (e maior permanência magnética) do que
outros ímãs permanentes, e por isso podem ser usados em pequenas quantidades,
para ajudar em operações de amplificação sonora e processamento de dados de
computadores. Por exemplo, ímãs de neodímio ajudam os discos rígidos de
computadores a ler e armazenar mais informações, ou eles podem causar mais
vibração em alto-falantes, o que produz mais som. Já os ímãs de cerâmica e ímãs
de Alnico (liga de alumínio-níquel-cobalto) são dois tipos de imã permanente que
são fabricados através de sinterização. Também são usados para amplificar o som,
bem como para a construção de motores elétricos. Essa diversidade de aplicações
de imãs permanentes são essenciais no processamento de alimentos, manuseio de
materiais a granel, fabricação de metal e de manuseamento, fabricação de motores
elétricos, amplificação sonora, processamento de dados e muitas outras tarefas. Os
fabricantes de ímãs podem fabricar imãs permanentes personalizados em uma
variedade de formas, densidades e forças magnéticas.
REFERÊNCIAS
PERDAS MAGNETICAS, J V Filardo, UFPR. Disponível em:
http://www.eletrica.ufpr.br/piazza/materiais/JulianoFilardo.pdf
FERRIMAGNETISMO. Disponível em:
http://pt.wikilingue.com/es/Ferrimagnetismo
11-PROPRIEDADES ELÉTRICAS, TÉRMICAS, ÓPTICAS E
MAGNÉTICAS DOS MATERIAIS. Disponível em:
http://www.em.pucrs.br/~eleani/Protegidos/11-
%20propriedades_eletricas_oticas_termicas_magneticas.ppt#256,1,11-
PROPRIEDADES ELÉTRICAS, TÉRMICAS, ÓPTICAS E MAGNÉTICAS DOS
MATERIAIS
PADILHA, Ângelo Fernando. MATERIAIS DE ENGENHARIA:
microestrutura e propriedades. São Paulo, SP: Hemus, 1997.
ITAL MAGNETISMO. Disponível em: http://italpro.com.br/eletroimas-
blog/imas-permanentes/
BRASIL MAGNETS. Disponível em:
http://catalogo.brasilmagnets.com.br/imas
MOTOR DE ÍMÃS PERMANENTES E INVERSOR DE
FREQÜÊNCIAWEG
Disponível em: http://catalogo.weg.com.br/files/wegnet/WEG-motor-de-imas-
permanentes-e-inversor-de-frequencia-artigo-tecnico-portugues-br.pdf
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