Índice
Consideramos a corrente convencional, o fluxo de electrões, o enrolamento, a armadura, o rotor, o eixo, o estator, as escovas, os braços das escovas, os terminais, a fem, os electroímanes, a atração magnética, bem como animações detalhadas sobre o funcionamento do motor de corrente contínua.
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Partes de um motor DC
Motor DC Os motores de corrente contínua têm um aspeto semelhante ao descrito acima, embora existam algumas variações. São utilizados para converter energia eléctrica em energia mecânica e podem ser utilizados, por exemplo, nas nossas ferramentas eléctricas, carros de brincar e ventoinhas de refrigeração.
Utilizado para converter energia eléctrica Quando olhamos para um motor de corrente contínua, vemos primeiro o invólucro protetor metálico que forma o estator.
Numa das extremidades, temos a ponta de um eixo que sobressai da caixa e ao qual podemos fixar engrenagens, pás da ventoinha ou polias.
Estator Na outra extremidade, temos uma tampa de plástico com dois terminais, aos quais podemos ligar uma fonte de alimentação para fazer rodar o eixo.
Se retirarmos a caixa para ver o interior do motor, encontramos dois ímanes que formam o estator, ímanes permanentes que formam um pólo magnético norte e um pólo magnético sul.
Ímanes no interior do motor Ao longo do centro do motor vemos esta haste que é chamada de eixo e que é usada para transferir energia mecânica. Ligado ao eixo temos o rotor. O rotor é feito de vários discos que são laminados juntos, cada disco tem estes braços em forma de T cortados neles.
Envolvidos nos braços em forma de T do rotor estão os enrolamentos da bobina que transportam a corrente eléctrica da bateria. À medida que a corrente passa pelas bobinas produz um campo eletromagnético, controlamos o tempo e a polaridade deste campo magnético para criar a rotação.
Motor interior As extremidades das bobinas são ligadas ao comutador. O comutador é um anel que foi segmentado em várias placas que se situam concentricamente à volta do eixo. As placas estão separadas e isoladas eletricamente umas das outras, bem como do eixo. As extremidades de cada bobina ligam-se a diferentes placas do comutador, para criar um circuito, que veremos em pormenor mais adiante.
Noções básicas sobre motores CC No interior da tampa traseira de plástico encontram-se as escovas, os braços e os terminais. As placas do comutador situam-se entre as duas escovas.
Escovas, braços e terminais A eletricidade pode então fluir através de um terminal, através do braço, para a escova, através de um segmento do comutador, para uma bobina, depois para outro segmento do comutador, para a escova oposta e para o braço, de volta para o outro terminal.
Componentes do motor DC Estes componentes dão-nos o nosso motor DC básico. Para compreender o funcionamento do motor DC, precisamos de compreender alguns fundamentos da eletricidade, bem como o funcionamento dos componentes internos.
Noções básicas de eletricidade
A eletricidade é o fluxo de electrões através de um fio. Quando muitos electrões fluem na mesma direção, chamamos-lhe corrente. A eletricidade de corrente contínua significa que os electrões fluem apenas numa única direção, de um terminal de uma pilha diretamente para o outro. Se invertermos a pilha, a corrente fluirá na direção oposta.
Noções básicas de eletricidade No interior do fio de cobre, encontramos átomos de cobre. Em torno de cada átomo, encontramos electrões livres, chamados electrões livres porque são livres de se deslocar para outros átomos. Eles deslocam-se naturalmente para outros átomos, mas isso acontece em todas as direcções ao acaso, o que não nos serve de nada. Precisamos que muitos electrões fluam na mesma direção e podemos fazê-lo aplicando uma tensãoOs electrões só fluem num circuito completo. Eles tentam sempre voltar à sua fonte, por isso, quando lhes damos um caminho como um fio, eles vão fluir através dele. Mesmo que criemos temporariamente um caminho, eles vão utilizá-lo assim que estiver disponível. Podemos colocar componentes neste caminho para que eles tenham de fluiratravés dele e fazem o trabalho para nós, como iluminar a lâmpada.
Átomos de cobre Nestas animações, vamos utilizar dois termos: fluxo de electrões e corrente convencional. O fluxo de electrões é o que realmente acontece, com os electrões a fluírem do terminal negativo para o terminal positivo. A corrente convencional move-se no sentido oposto, do positivo para o negativo. A corrente convencional era a teoria original e ainda hoje é amplamente ensinada e utilizada porqueÉ mais fácil de compreender, mas é preciso ter em conta os dois termos e qual deles estamos a utilizar.
Fluxo de electrões e corrente convencional Ímanes permanentes
Íman Como provavelmente já sabe, os ímanes são polarizados com extremidades norte e sul. Estes tipos são conhecidos como ímanes permanentes, porque o seu campo magnético está sempre ativo. Quando em proximidade com outro íman, as extremidades iguais afastam-se e as extremidades opostas atraem-se. Assim, obtemos estas forças de empurrar e puxar causadas pelo campo magnético dos ímanes.
Linhas de campo magnético Os ímanes têm estas linhas curvas de campo magnético que vão do pólo norte ao pólo sul e que se prolongam, curvando-se à volta do exterior. O campo magnético é mais potente nas extremidades, o que se verifica porque há mais linhas de campo magnético muito próximas umas das outras.
Podemos realmente ver o campo magnético de um íman polvilhando algumas limalhas de ferro sobre o íman.
Campo magnético de um íman com enchimento de ferro Quando dois ímanes estão próximos um do outro, os seus campos magnéticos interagem. Duas extremidades iguais repelem-se e as suas linhas de campo magnético não se juntam. No entanto, duas polaridades opostas são atraídas uma pela outra e as linhas de campo magnético convergem para uma região altamente concentrada.
O campo magnético de extremidades opostas fundir-se-á Por isso, colocamos dois ímanes de polaridades opostas no estator do motor para formar um forte campo magnético através do rotor.
Electroímanes
Quando ligamos um fio aos terminais positivo e negativo de uma pilha, uma corrente de electrões flui através do fio, do terminal negativo para o positivo.
Quando os electrões passam através do fio de cobre, geram um campo eletromagnético à volta do fio. Podemos ver isso colocando alguns ímanes à volta do fio. Quando passamos eletricidade através do fio, os ímanes rodam. Quando invertemos o sentido da corrente, os ímanes também se invertem e alinham-se no sentido oposto.
Assim, podemos criar um campo magnético que actua como um íman permanente, mas com este tipo de íman podemos desligar o campo magnético.
O problema com o campo eletromagnético num fio é que é bastante fraco. Mas podemos torná-lo muito mais forte simplesmente enrolando os fios numa bobina. Cada fio continua a criar um campo eletromagnético, mas combinam-se num campo magnético muito maior e mais forte, que é o que usamos para criar as bobinas no rotor.
Tornar o campo eletromagnético mais forte enrolando os fios numa bobina. Enrolamentos
As bobinas de fio são conhecidas como enrolamentos. O motor de corrente contínua mais simples tem apenas uma única bobina. Trata-se de um design mais simples; o problema, porém, é que podem alinhar-se magneticamente, o que bloqueia o motor e impede-o de rodar. Quanto mais conjuntos de bobinas tivermos, mais suave será a rotação, o que é especialmente útil para aplicações de baixa velocidade. Por isso, normalmente encontramos pelo menos três bobinas num motorpara assegurar uma rotação suave.
Quanto mais conjuntos de bobinas, mais suave é a rotação Cada bobina está posicionada a 120 graus uma da outra. Entre cada bobina encontramos uma placa comutadora. Cada bobina está ligada a duas placas comutadoras. As placas estão isoladas eletricamente umas das outras, exceto pelo facto de estarem ligadas através das bobinas. Assim, se ligarmos os terminais positivo e negativo a duas das placas comutadoras, podemos completar o circuito, a corrente fluirá e umagerará um campo nas bobinas.
Noções básicas sobre bobinas Rotor
O rotor, ou armadura, é feito de vários discos de ferro laminados entre si.
Rotor Cada disco é isolado eletricamente um do outro com um revestimento de verniz. Se o induzido fosse uma peça sólida de metal, grandes correntes de Foucault circulariam no seu interior. Estas são causadas pela força eletromotriz induzida ou EMF. Estas correntes de Foucault afectam a eficiência do motor. Para as reduzir, os engenheiros segmentam o rotor em discos isolados, as correntes de Foucault continuarão a fluir mas serãoQuanto mais fino for o disco, menor será a corrente de Foucault.
Quanto mais fino for o disco, menor será a corrente de Foucault Comutador
O comutador consiste em pequenas placas de cobre que são montadas no eixo. Cada placa é isolada eletricamente uma da outra, bem como do eixo. A extremidade de cada bobina é ligada a uma placa de comutador diferente. Neste projeto, cada placa de comutador está ligada a 2 bobinas.
As placas fornecem eletricidade às bobinas. Para levar a eletricidade da bateria para as placas, temos algumas escovas que esfregam contra as placas. Os braços das escovas mantêm-nas no lugar. Quando completamos o circuito, a eletricidade flui para os segmentos do comutador através das escovas e depois flui para 1 ou 2 bobinas, conforme o caminho disponível.
Fluxos de corrente entre escovas Em certos pontos da rotação, as escovas entram em contacto com duas placas, o que cria um arco e, quando isso acontece, obtemos pequenas explosões de luz azul. Os arcos são fricção que, com o tempo, destrói a escova.
Regra da mão esquerda dos flamengos
Para isso, temos de usar a mão esquerda com esta forma engraçada. É preciso lembrar que a regra de Flemings utiliza a CORRENTE CONVENCIONAL e não o fluxo de electrões. A corrente convencional vai do positivo para o negativo.
Utilizamos a regra da mão esquerda de Flemings para determinar a direção em que a bobina irá empurrar e puxar, à medida que o campo eletromagnético interage com o campo magnético do íman permanente.
Se olharmos para um fio e visualizarmos que extremidade está ligada ao positivo ou ao negativo, podemos calcular a direção da força.
Para o fazer, estenda a mão esquerda e pense nisto como sendo o polegar, depois os dedos 1, 2, 3 e 4. Feche os dedos 4 e 3. Aponte o dedo 2 para a direita, aponte o dedo 1 em frente e aponte o polegar para cima.
O segundo dedo aponta no sentido da corrente convencional, de positivo para negativo. O primeiro dedo aponta para o campo magnético do íman permanente, de norte para sul. O polegar aponta no sentido do movimento.
Regra da mão esquerda de Fleming Criámos um guia em PDF que inclui alguns exemplos para o ajudar a lembrar-se disto.
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Assim, se olharmos para este exemplo, a corrente convencional vem na nossa direção e o campo magnético vai da esquerda para a direita. Por isso, apontamos o nosso 2º dedo na nossa direção e o 1º dedo na direção do campo magnético. O nosso polegar está, portanto, a apontar para cima, o que significa que a força sobre o fio vai deslocá-lo para cima.
Força ascendente Neste exemplo, temos a corrente convencional invertida no fio, pelo que este se afasta de nós. Por isso, viramos a mão de modo a que o nosso segundo dedo aponte para longe de nós. O nosso primeiro dedo continua a apontar na direção do campo magnético e o nosso polegar aponta para baixo. Isto significa que a força sobre o fio o deslocará para baixo.
Força descendente Se enrolarmos o fio numa bobina, como é que as forças actuam agora? Bem, temos de considerar a bobina como duas metades. Na metade esquerda, a corrente convencional está a fluir para longe de nós, por isso a nossa mão vira-se e vemos que obtemos uma força descendente. No lado direito, a corrente convencional está a fluir na nossa direção, por isso a força é ascendente. Portanto, temos uma força combinada ascendente e descendente, pelo que a bobinaAgora que já sabemos como é que o motor roda, vamos ver em pormenor.
Lado esquerdo 
Lado direito Funcionamento
Vamos considerar o funcionamento de um motor de corrente contínua em câmara lenta. Vamos apenas apontar as partes principais, há os ímanes norte e sul que concentram um campo magnético através do centro. No centro encontramos o eixo, ligado ao eixo temos o rotor, enrolado à volta do rotor temos as bobinas, ligando as bobinas temos o comutador e fornecendo energia ao comutador temos oEscovas e braços de escova. Depois temos uma fonte de alimentação.
O rotor, as bobinas e o comutador vão rodar, tudo o resto permanecerá estacionário.
Detalhe do motor DC Vamos considerar o fluxo de corrente convencional e as forças que estão a ocorrer nos lados longos de cada bobina. Também vamos rotular estas bobinas 1,2 e 3. E as placas comutadoras a, b e c.
Posição 1 - Nesta primeira posição, a corrente convencional fluirá do positivo da bateria para a placa A, depois através de ambas as bobinas 1 & 3, através das placas B & C para a escova direita e de volta para a bateria. O lado direito da bobina 1 tem uma força descendente e o lado esquerdo tem uma força ascendente. A bobina 3 tem uma força ascendente deste lado e uma força descendente deste lado. E assim gira.
Posição 2 2) A corrente flui agora através da placa A apenas para a bobina 1, saindo depois pela placa B. Isto cria uma força ascendente à esquerda e uma força descendente à direita.
Posição 3 3) A corrente flui agora através das placas A e C, através das bobinas 1 e 2 para a placa B. A bobina 1 tem uma força ascendente à esquerda e uma descendente à direita. A bobina 2 tem uma força ascendente à esquerda e uma descendente à direita.
Posição 4 4) A corrente flui agora através da placa c, para a bobina 2 e para a placa b. O lado esquerdo da bobina 2 tem uma força ascendente e o lado direito tem uma força descendente.
Posição 5 5) A corrente flui agora através da placa c para as bobinas 3 e 2 e sai através das placas a e b. Isto dá-nos as nossas forças ascendentes e descendentes nas bobinas.
Posição 6 6) A corrente flui agora através da placa c, para a bobina 3 e depois para fora através da placa a, criando as nossas forças ascendentes e descendentes.
Posição 7 7) A corrente flui agora através das placas c e B, através das bobinas 3 e 1 e sai pela placa a, dando-nos as nossas forças em cada lado.
Posição 8 8) A corrente flui agora através da placa b, para a bobina 1 e sai através da placa a, o que cria as nossas forças.
Posição 9 9) A corrente flui agora através da placa b para as bobinas 2 e 1, saindo depois pelas placas c e a.
Posição 10 10) A corrente flui agora através da placa b para a bobina 2 e depois para fora através da placa c.
Posição 11 11) A corrente flui agora através das placas B e A para as bobinas 2 e 3 e depois para fora através da placa c.
Este processo repete-se várias vezes, o que nos dá a força de rotação que utilizamos para acionar ventoinhas, engrenagens, rodas e roldanas.
Fluxos actuais Forças criadoras Se invertermos a fonte de alimentação, invertemos a corrente e isso inverterá as forças e, portanto, o sentido de rotação. É assim que utilizamos as forças magnéticas e a eletricidade para criar um motor simples.
