Capítulo 4 – Motores especiais

4.1 - Introdução

O motor monofásico é um tipo de motor que possui apenas um conjunto de

bobinas e sua alimentação é feita por uma única fonte. Dessa, forma eles absorvem

energia elétrica de uma rede monofásica e transformam-na em energia mecânica.

Os motores monofásicos são geralmente empregados para cargas que necessitam

de motores de pequena potência como, por exemplo, motores para ventiladores,

geladeiras, furadeiras portáteis, máquinas de costura e etc.

Em relação ao seu aspecto construtivo, existem vários possibilidades de

construção de motores monofásicos, variando de acordo com o tipo de acionamento de

partida, sincronismo com a fonte de alimentação entre outros. Na figura 4.1 podem-se

visualizar estes tipos.

Figura 4.1 – Tipos de motores monofásicos.

4.2 - Construção dos motores de indução monofásicos.

O motor de indução converteu-se no tipo de motor mais usado na indústria. Este

fato deve-se à maioria dos sistemas atuais de distribuição de energia elétrica serem de

corrente alternada e também a sua característica de robustez elevada. Comparando com

o motor de corrente contínua, o motor de indução tem como vantagem a sua

simplicidade, que se traduz em baixo custo e máxima eficácia com manutenção mínima.

O rendimento é elevado para média e máxima carga, e pode-se assegurar um bom fator

de potência com uma seleção correta.

O motor de indução é constituído basicamente pelos seguintes elementos:

Um circuito magnético estático: constituídas por chapas ferromagnéticas

empilhadas e isoladas entre si ao qual se dá o nome de estator;

Uma bobina: localizada em cava aberta no estator e alimentada pela rede de

corrente alternada (enrolamento da armadura);

Enrolamento do rotor: conduz a corrente alternada produzida por indução pelo

enrolamento do estator diretamente ligado à fonte, consistindo de condutores de

cobre ou alumínio engastados ou fundidos no motor de ferro ou aço laminado;

Rotor: constituído por um núcleo ferromagnético, também laminado, sobre o

qual se encontra um enrolamento ou um conjunto de condutores paralelos, nos

quais são induzidas correntes provocadas pela corrente alternada da bobina do

estator. No tipo gaiola de esquilo, ou efetivamente num terminal do tipo rotor

bobinado, anéis terminais curto-circuitam os terminais em ambas as

extremidades. Na figura 4.2 pode-se visualizar este tipo de construção.

Figura 4.2 – Tipo de construção

O rotor é apoiado em um veio, que por sua vez transmite à carga a energia

mecânica produzida. O entreferro (distância entre o rotor e o estator) é bastante

reduzido, de forma a reduzir a corrente em vazio e, portanto as perdas, mas também

para aumentar o fator de potência em vazio.

Na figura 4.3, tem-se um motor de indução separado em suas principais peças

constituintes.

4.3 - Constituição do motor de indução.

Legenda:1 - Rotor 2 - Chaveta3 - Tampa B3 4 - Junta da caixa IP554a - Junta da caixa IP65 4b - Junta da caixa IP655 - Tampa da caixa IP55 5a - Caixa IP655b - Tampa da caixa IP65 6 - Parafusos do capôt7 - Bucin 8 - Tampa traseira do motor

9 - Ventilador de refrigeração10

- Capôt do ventilador

11 - Abracedeira do ventilador 12 - Anilha de mola13a - Rolamento 13b - Rolamento14a - Carcaça B3 14b - Carcaça B515 - Parafusos da caixa 16a - Retentor16b - Retentor 21 - Bobinagem do estator22 - Tampa B5 23 - Tampa B1424 - Placa de bornes 25 - Anilha de afinação

26 - Parafusos longos 27 - Parafusos das patas do motor

28 - Patas do motor

O rotor de qualquer motor de indução monofásico é intercambiável com o de um

motor do tipo gaiola polifásico. Não há ligações físicas entre o rotor e o estator,

havendo um entreferro uniforme entre eles. As ranhuras do estator são uniformemente

distribuídas e normalmente se utiliza um “enrolamento parcial” monofásico, imbricado,

de dupla camada.

4.3 – Torques em motores monofásicos.

No estudo do torque de um motor monofásico de indução, é possível considerar

duas situações de toque: torque equilibrado de um motor de indução monofásico parado

e torque resultante num motor monofásico de indução com resultado da rotação do

rotor.

4.3.1 - Torque equilibrado de um motor de indução monofásico parado.

Em um motor monofásico, o enrolamento de armadura (enrolamento do estator),

quando alimentado com uma tensão alternada, produz um campo magnético resultante,

mostrado na figura 4.4, cujo sentido vai da esquerda para direita, e por indução criará

uma corrente nos condutores do rotor com os sentidos opostos ao sentido do campo que

os criou (de acordo com a lei de Lenz), também mostrados na figura 4.4.

Figura 4.4 – Campo magnético resultante.

O campo gerado pelo enrolamento da armadura combinado com as correntes que

circulam nos condutores do rotor criará, pela regra da mão direita, um torque onde seus

sentidos estão mostrados pelas setas associadas ao condutor do rotor na figura 4.4.

Os torques do sentido horário, produzidos pelos condutores da metade direita,

são equilibrados com o torque do sentido anti-horário produzidos pelos condutores da

mesma metade direita. O mesmo ocorrerá na metade esquerda. Então o torque resultante

será nulo.

O fato de o torque resultante ser nulo mostra que as correntes que circulam nos

condutores A e B, mostradas na figura 4.4, não são capazes de gerar um torque não

nulo. Mesmo que o sentido da tensão alternada mude, o torque continuará sendo nulo.

O torque resultante desenvolvido é pulsante devido ele depender do valor do

campo magnético gerado a partir de uma fonte de tensão alternada. A figura 4.5 mostra

esse torque resultante pulsante, cujo valor médio em um período é zero.

Figura 4.5 – Torque resultante pulsante.

Esse torque resultante pulsante mencionado anteriormente pode ser representado

consistindo de dois torques girando em oposição e tendo campos de igual magnitude e

velocidade angular mostrados na figura 4.6.

Figura 4.6 – Campos girantes opostos.

A figura 4.7 mostra que o torque resultante pode ser decomposto em duas

componentes de torque – uma componente de torque que faz girar o rotor no sentido

horário e outro no sentido anti-horário – e, além disso, mostra a relação do torque

resultante com o escorregamento do motor. Então, a partir da figura 4.7, percebe-se que

a alteração do escorregamento do motor para um valor diferente de 1 (a partir de meios

externos) causará o aparecimento de torque líquido no sentido horário ou no sentido

anti-horário. E caso o escorregamento seja igual a 1 (condição de motor parado), o

torque resultante será nulo, visto que os torques possuirão mesmo valor e sentidos

opostos.

Figura 4.7 – Torque resultante.

4.3.2 - Torque resultante em um motor monofásico de indução, como resultado da

rotação do rotor.

Como visto anteriormente, o motor monofásico, inicialmente parado, possui um

torque resultante nulo, entretanto, uma vez iniciado o movimento de seu rotor através de

meios externos, apresentará um torque não-nulo de modo a permitir o funcionamento

normal do motor.

Há duas descrições que podem ser dadas para explicar o torque dos motores

monofásicos de indução: Teoria do campo duplo girante e a teoria do campo cruzado.

Uma vez iniciado o movimento de seu rotor, haverá o aparecimento de uma fem

(força eletromotriz) chamada de fem de velocidade. Isso ocorre devido o movimento

relativo dos condutores do rotor e o fluxo magnético gerado pelo enrolamento do

estator.

A figura 4.8a mostra que, enquanto a fem de velocidade é produzida nos

condutores de rotor, não há a circulação de corrente no rotor até uma posição de quase

90º elétricos decorridos. Quando a corrente passa a circular nos condutores do rotor, é

produzido um fluxo no rotor para baixo (Φr).

Figura 4.8 – Campos produzidos pela rotação do rotor.

O fluxo pulsante (Φf) – gerado pela fonte de tensão alternada – em seu máximo

é mostrado na figura 4.8b. Esse fluxo por sua vez gera uma fem de velocidade máxima

nas barras do rotor tendo um sentido mostrado na figura 4.8a.

Então se percebe que o fluxo resultante do campo diminui e que o fluxo do rotor

se atrasa em relação ao fluxo de campo de 90º elétricos (figura 4.8c). Um instante após,

na figura 4.8d, o fluxo pulsante de campo é zero, mas a corrente do rotor está num

máximo, produzindo um fluxo no rotor. Um instante depois, figura 4.8e, o fluxo Φf

pulsa no sentido oposto e ao mesmo tempo decresce o fluxo do rotor. No instante

seguinte, o fluxo do rotor se torna nulo e o fluxo de campo máximo no sentido oposto. E

por fim o fluxo de campo começa a decrescer e o fluxo do rotor a crescer no sentido

oposto (figura 4.8g).

O campo resultante do rotor reage contra o campo pulsante principal para

produzir um campo magnético resultante. Esse campo magnético resultante é um campo

magnético girante, razoavelmente constante, sendo que sua rotação se dá no mesmo

sentido da rotação do rotor. Então nota-se que o motor continuará a girar produzindo um

torque como no motor de indução, num campo magnético “girante”, uma vez que tenha

tido início a fem de velocidade.

É possível notar que a fem de velocidade é função da velocidade do rotor e que

na velocidade síncrona (ou próxima a ela) o Φr é praticamente igual ao Φf de modo que

o campo girante produzido é chamado de campo circular. E à medida que se colocar

carga a fem de velocidade decresce e, como conseqüência, a corrente e o fluxo do rotor

também.

A descrição acima está relacionada com a teoria do campo cruzado, que próximo

da velocidade síncrona, o a fem de velocidade é elevada produzindo um campo

magnético girante razoavelmente constante.

A teoria do duplo campo girante, diz, que próximo da velocidade síncrona, o

torque no sentido horário e o torque no sentido anti-horário são praticamente iguais e o

torque no motor monofásico é idêntica ao de um motor polifásico.

Em anexo serão estudados os principais motores de indução monofásicos:

Motor de pólos sombreados;

Motor de fase dividida;

Motor de capacitor de partida;

Motor de capacitor permanente;

Motor com dois capacitores;

Motor universal.