Máquinas Elétricas de Imãs Permanentes (Parte 1/2)

Noções Básicas Sobre Operação de Máquinas Elétricas (Motores e Geradores Elétricos):

Quando falamos em veículos automotores para o público em geral, estamos falando de um produto comercial que, apesar de poder ser olhado sobre vários aspectos, ele atende, acima de tudo, as necessidades de mobilidade dos seus adquirentes. Mas quando falamos de veículos automotores para técnicos e engenheiros (que é a pretensão deste blog), precisamos ir além e tratar em detalhes de aspectos técnicos de suas partes principais. Uma dessas partes é o motor do veículo, a máquina que converte a energia armazenada no combustível do tanque ou na eletricidade da bateria em força motriz.

Pela definição clássica, o termo "Máquina Elétrica" é sinônimo de ambos, tanto de “Motor Elétrico” quanto de “Gerador Elétrico”, os quais são conversores de energia eletromecânicos, capazes de realizar tanto a conversão de energia elétrica para energia mecânica (motor elétrico) ou de energia mecânica para energia elétrica (gerador elétrico). O movimento envolvido na energia mecânica pode ser linear ou rotativo. Nas aplicações em sistemas de propulsão de veículos automotores, em geral, emprega-se máquinas rotativas.

Na grande maioria das aplicações das máquinas elétricas, incluindo, entre elas, a aplicação em que um “motor” é destinado para ao sistema de propulsão de Veículos Elétricos (VEs), é muito mais correto se manter o uso do termo “máquina elétrica”, principalmente pelo fato de que ela (a máquina elétrica) estará, eventualmente, operando em ambos os modos: tanto no “modo motor” como no “modo gerador”, dependendo do regime de movimento da máquina elétrica.

O modo que a máquina elétrica opera depende do modo como o próprio veículo está sendo conduzido. Se o veículo é conduzido em “modo de tração” (onde existe aceleração ou manutenção da velocidade do VE), a máquina elétrica opera, efetivamente, como um motor. Todavia, se o veículo é conduzido em “modo de frenagem” (em que ocorre desaceleração do mesmo), a máquina elétrica que (erroneamente) chamamos de motor, na verdade, operará como um gerador elétrico.

Em muitas aplicações, incluindo entre elas aplicação em sistema de propulsão de VEs, as máquinas elétricas precisam ser hábeis para operar movimentos em dois sentidos: marcha avante e marcha a ré. Em geral, a mudança de sentido de movimento do VE implica, consequentemente, na mudança do sentido de giro (horário ou anti-horário) do eixo da máquina elétrica rotativa dele.

Assim, os modos de operação “modo de tração” e “modo de frenagem” devem ser considerados para ambos os caso de sentido de giro e, com isso (2 modos de operação x 2 sentidos de giro), tal sistema é caracterizado pela Operação em Quatro Quadrantes.

Com efeito, para cada sentido de giro do eixo da máquina elétrica, podemos identificar três diferentes regimes de movimento para ela:

• Aceleração (intervalo de tempo ΔT₁);
• Estável (ΔT₂), e;
• Desaceleração (ΔT₃).

Conforme o gráfico ao lado (onde n representa a velocidade), que apresenta o comportamento da velocidade para cada um dos regimes de movimento e o correspondente modo de operação da máquina:

Por conta disso, todos os VEs, sem exceção, não importa se ele for uma pequena motoneta (uma scooter), ou se ele é um grande trem de tração elétrica, os seus sistemas elétricos de potência precisam dispor de circuitos que sejam capazes de fazer a energia fluir de maneira bidirecional.

Sendo bidirecionais, tais circuitos serão capazes de transmitir a energia elétrica nos sentidos:

• A partir da fonte de energia elétrica (seja esta fonte uma bateria ou a rede elétrica) para energizar a máquina elétrica, quando ela opera como um motor (no modo tração) e,
• Operar em sentido reverso, ou seja, transmitindo a energia elétrica a partir máquina elétrica, quando ela passa a operar como um gerador (no modo frenagem) e, (inteligentemente) tentar aproveitar essa energia¹, direcionando-a de volta para a fonte de energia (para ser armazenada na bateria, por exemplo), para posterior reutilização. Para isso são empregados Conversores Bidirecionais.

Trens e trólebus são conectados por contatos elétricos deslizantes diretamente a uma rede elétrica que é dedicada (exclusiva) para a sua aplicação. Tais redes elétricas podem ser caracterizadas por oferecer energia elétrica em dois tipos de formato:

• em CC (Corrente Contínua, cuja tensão apresenta intensidade constante ao longo do tempo);
• em CA (Corrente Alternada, cujo valor da tensão varia de intensidade e, inclusive, alterna de polaridade periodicamente).

Já, os VEs que trafegam em ruas e estradas, precisam carregar, em si, a sua própria fonte de energia elétrica (Onboard Energy), em geral, um pacote de baterias de tamanho considerável. Baterias são fontes que são, também, dispositivos armazenadores de energia elétrica, que disponibilizam energia, tipicamente, em CC.

Existem outros tipos fontes de energia elétrica, tanto CC, quanto CA, que não poder ser ditos como dispositivos armazenadores de energia, pois elas perdem a sua capacidade fornecer energia, praticamente instantaneamente, quando elas próprias deixam de ser alimentadas. 

Para maiores detalhes sobre os modos de operação de uma máquina elétrica aplicada ao sistema de propulsão de um VE, por gentileza, leia também a postagem: Freio Regenerativo (Sistema de Recuperação de Energia Cinética)

O Princípio das Máquinas Elétricas (Com Uma História Bonita de Ser Contada):

Independente de qualquer classificação, as máquinas elétricas apresentam a aplicação de um princípio comum: o da Indução Eletromagnética, cuja descoberta, historicamente, se deu, principalmente, ao longo do século XIX.

A lei de Coulomb implica que a força resultante pode ser
tanto de atração quanto de repulsão.

Em 1785, o francês Charles-Augustin de Coulomb apresentou o seu primeiro relatório sobre Eletricidade e Magnetismo, onde ele descreveu que a força de repulsão sobre os pólos magnéticos produzidos em objetos eletricamente carregados (dois corpos eletrificados do "mesmo tipo de energia elétrica" ou seja, cargas elétricas de mesma polaridade) exercem entre si, obedecida uma lei da proporção, inversa do quadrado da distância entre eles. Isso viria, posteriormente, já no século XX (no contexto da nascente mecânica quântica) a ser titulado como uma das quatro forças fundamentais da natureza, a força da interação eletromagnética.

Chegando a 1802, o italiano Gian Domenico Romagnosi (que era filósofo, economista e jurista e não era um cientista da Física), realizando experiências sobre as primeiras pilhas voltaicas (ou pilhas de Volta, as primeiras baterias que podiam fornecer continuamente uma corrente elétrica a um circuito, construídas pelo também italiano Alessandro Volta, a partir de 1800), relatou que as cargas eletrostáticas presentes em uma pilha voltaica podiam desviar uma agulha magnética. Ou seja, mesmo partículas de cargas elétricas estacionárias (que se encontram armazenadas no corpo de uma placa da pilha e não em movimento ordenado por um circuito elétrico) apresentam o fenômeno do magnetismo. Assim, podia-se ter concluído que os elétrons provêm aos átomos da matéria uma característica magnética inerente, independente da corrente elétrica, mas os modelos físicos e matemáticos da época não estavam, ainda, prontos para permitir, com efeito, tal conclusão.

Em 1820, já lidando efetivamente com a efetiva circulação de corrente elétrica provida por pilhas voltaicas, durante uma aula na Universidade de Copenhague, o dinamarquês Hans Christian Oersted percebeu que uma agulha de bússola desviava a partir do norte magnético natural, quando uma corrente elétrica produzida a partir de uma bateria era ligada e desligada em um condutor que estivesse colocado próximo a ela, confirmando a existência de uma relação direta entre eletricidade e magnetismo. Coube ao francês André-Marie Ampère começar a desenvolver uma teoria matemática e física para entender a relação entre eletricidade e magnetismo, ampliando o trabalho experimental de Oersted e demonstrando que dois fios paralelos que transportam correntes elétricas se atraem ou se repelem mutuamente, dependendo se as correntes elétrica por eles fluem no mesmo sentido ou em sentidos oposto, respectivamente. Isto alicerçou os fundamentos da eletrodinâmica.

Apesar da participação de trabalhos de alguns outros pesquisadores, como William Sturgeon, que em 1824 pôs em prática a ideia do eletroímã, envernizando uma ferradura de cavalo para deixá-la superficialmente isolante elétrica e enrolando sobre ela diversas voltas espaçadas de um fio condutor de corrente elétrica, e de Joseph Henry, que em 1827 sistematicamente melhorou essa ideia, simplesmente envernizando a superfície o fio condutor a ser enrolado, criando um isolamento elétrico, ao invés do ferro do núcleo, para formar uma bobina compacta de múltiplas espiras sobrepostas, aumentando consideravelmente a intensidade do campo magnético produzido, assim, o eletroímã popular, e de Francesco Zantedeschi, que entre 1829 e 1830 publicou trabalhos sobre a produção de correntes elétricas em circuitos fechados pela aproximação e afastamento de um ímã, é a Michael Faraday que é creditado ter constituído, a partir de 1831, uma lei básica do eletromagnetismo prevendo, com maior propriedade, como um campo magnético interage com um circuito elétrico para produzir uma Força Eletromotriz (FEM).

Isto se tornaria no princípio fundamental de funcionamento de indutores em geral, de solenoides, de transformadores (dispositivos que também são classificados como máquinas elétricas, apesar de neles não haver peças que se movimentem), e de muitos tipos de motores elétricos e geradores. Na verdade, numa definição mais abrangente, máquina elétrica é todo dispositivo cujo funcionamento se baseia no princípio da indução eletromagnética que, com efeito, pode se dar por duas maneiras:

• Espira (enrolamento) de condutor elétrico, se movendo no interior de um campo magnético estacionário (invariável2 e fixo no espaço);
• Espira de condutor elétrico fixa, e imersas no interior de um campo magnético variável.

Já, no caso de as espiras forem fixas, ao mesmo tempo em que o campo magnético também seja estacionário (de intensidade invariável), ai não pode haver indução eletromagnética alguma.

Campos magnéticos muito mais fortes podem ser produzidos se um "núcleo" de material ferromagnético, tal como ferro macio, por exemplo, é colocado no interior do carretel de uma bobina, devido à elevada permeabilidade magnética (μ) do material ferromagnético (dai adveio a denominação "material ferromagnético"). Isso é chamado de um eletroímã de núcleo ferromagnético e, o próprio núcleo se torna magnetizado, devido a passagem de corrente elétrica pelo fio condutor da bobina, que induz fluxo magnético fechando caminho pelo núcleo.

Nestes eletroímãs, em geral, uma vez removida a circulação da corrente elétrica na bobina, o campo magnético que flui pelo núcleo entra, imediatamente, em colapso e, após um tempo relativamente pequeno, desaparece por completo o seu magnetismo, enquanto que, empregando imãs, sejam imãs naturais ou artificiais, o campo magnético não depende da manutenção de corrente elétrica, e sua existência, com manutenção da capacidade magnética, pode ser verificada por tempos tão longos que eles são chamados de imãs permanentes.

Campos magnéticos estacionários podem ser obtidos tanto por emprego de imãs (opcionalmente denominados magnetos) que estejam fixos, quanto por eletroímãs (eletromagnetos) que também estejam fixos, nos quais o campo magnético é desenvolvido quando uma bobina é alimentada por uma corrente elétrica do tipo CC. Como a intensidade da CC que flui pela bobina é invariável, o campo magnético resultante é estacionário, ou seja, possui uma intensidade constante em torno do espaço em que ele se encontra fixo.

Nos tempos de Faraday, as únicas fontes de energia elétrica mais facilmente concebíveis para realizar a prática de seus experimentos, ainda eram as pilhas voltaicas, que oferecem energia em CC. Fontes de energia elétrica em CA, ou seja, máquinas elétricas operando tipicamente como geradores, só viriam a existir mais tarde, justamente por que elas dependeram do estabelecimento prévio do seu princípio, para que elas pudessem ser, posteriormente, desenvolvidas.

Se, na bobina de um eletroímã fixo fizermos circular uma corrente elétrica do tipo CA, assim como a forma de onda da CA varia com o tempo, o campo magnético resultante a partir do seu núcleo é, também, variável e, como a CA alterna, ele também alternará de polaridade. Isso é o que possibilita induzir corrente elétrica para uma segunda bobina, também fixa, que esteja montada compartilhando o mesmo núcleo da primeira bobina (princípio dos transformadores).

Deste modo, nos transformadores, transfere-se energia elétrica aplicada sobre uma bobina (primário) para uma outra bobina (secundário), mesmo estando elas galvanicamente isoladas (sem contato metalmecânico ou qualquer tipo de contato elétrico direto) entre si. Este foi o princípio que, décadas mais tarde, permitiu, também. que o croata (naturalizado norte-americano) Nikola Tesla começasse a eletrificar o "mundo dos seres humanos" e, também, é o princípio empregado nos modernos “carregadores sem fio” (usados carregamento wireless de dispositivos móveis e VEs), que o mesmo Tesla quis desenvolver, em seu tempo, mas para aplicação a grandes distâncias, e ele não conseguiu (e ninguém ainda conseguiu, satisfatoriamente, até os dias de hoje).

Diagrama representativo do aparelho anel de ferro de Faraday. O chaveamento da corrente na bobina da esquerda provoca alteração do fluxo magnético dela e induz uma corrente na bobina direita.

No entanto, (espertamente) Faraday utilizou-se, mesmo que de modo precário, da técnica de chaveamento de CC em seu experimento, gerando impulsos intermitentes de corrente, fazendo com que o campo magnético produzido também pulsasse, caracterizando, com isso, um campo magnético variável e possibilitando, assim, a indução eletromagnética. (Mas que, obviamente, não pode ser verificado com o emprego de um galvanômetro, como é ilustrado na figura acima, pois eles ainda não existiam nos anos de 1830).

Chavear a CC, porém por emprego de um comutador eletromecânico, produzindo impulsos elétricos periódicos, também foi o princípio empregado por Sturgeon quando, pela primeira vez, ele demonstrou o Motor Elétrico CC incorporando um comutador, em 1832, mesmo ano em que o primeiro dínamo era construído pelo francês Hippolyte Pixii.

Dínamo de Hippolyte Pixii

Uma máquina dínamo, que produz CC, também com a utilização de um comutador, consiste numa estrutura fixa, que fornece um campo magnético constante, e um conjunto de enrolamentos que giram no interior desse campo. Em máquinas pequenas o campo magnético constante podia ser proporcionado por um ou mais imãs permanentes; máquinas maiores tinham o campo magnético constante fornecido por um ou mais eletromagnetos (eletroímãs) alimentados por CC, que são comumente chamados de bobinas de campo.

Faraday havia explicado a indução eletromagnética através de um conceito que chamou de Linhas de Força. No entanto, os cientistas da época amplamente rejeitaram suas idéias teóricas, principalmente porque elas não foram formuladas matematicamente (assim como, ainda hoje, não existem modelos matemáticos específicos para dar suporte aos motores puramente magnéticos mas, o fato é que eles, apesar dos pesares, funcionam).

A lei de Lenz, formulada por Heinrich Lenz entre 1834 e 1835, se tornou uma forma comum de compreender como os circuitos eletromagnéticos obedecem a terceira lei de Newton e também que eletromagnetismo se manifesta sob a lei da conservação da energia. Ela descreveu, ainda, o "fluxo através do circuito", e deu a direção da FEM (força eletromotriz) induzida e da corrente resultante da indução eletromagnética. A lei de Lenz afirma que a corrente induzida no circuito, devido a uma mudança ou um movimento de um campo magnético, é orientada de maneira a opor-se à variação no fluxo, ou a exercer uma força mecânica oposta ao movimento.

Algo que é comum a todos os elementos armazenadores e energia conhecidos, assim como, em elétrica, tanto os capacitores, quanto os indutores (bobinas) o são3, é que para que este elemento adquira (ou perca) uma certa quantidade de energia, isto é um processo que demanda, sempre, um determinado tempo. A energia pode entrar ou sair de um sistema (passando de um sistema para outro, desde que eles possam interagir no espaço), mas nunca instantaneamente.

Na figura anterior, em a) verificamos que quando o ímã é rapidamente empurrado para perto da bobina, a força do campo magnético que é percebido pela bobina aumenta (aumentou, por que se tornou mais próximo e repentinamente, por que movemos o imã bem rapidamente). Assim, a corrente induzida na bobina surge, também repentinamente, na medida necessária para criar um outro campo, no sentido oposto ao do incremento do campo provocado pela aproximação do ímã, para opor-se àquele aumento. Jé, em b) é um caso inverso ao anterior, em que o imã é rapidamente empurrado para longe da bobina, com o afastamento dele provocando diminuição (decremento) do campo, por isso a corrente induzida é de sentido contrario à do caso a). Este é um aspecto da lei da indução de Lenz, a reação na bobina sempre se opõe a qualquer alteração brusca no fluxo.

Isso ajudou a inibir o poder de rejeição inoperante dos céticos acadêmicos para com o trabalho de Faraday e para com o eletromagnetismo, em geral. No entanto, foi somente bem mais tarde, em 1861, que coube a James Clerk Maxwell, usado as ideias de Faraday como base, formular a sua teoria eletromagnética quantitativa, e a matematizar o que passou a ser denominada Lei da Indução de Faraday, devidamente generalizada com a equação de Maxwell–Faraday. As quatro equações de Maxwell (incluindo a equação de Maxwell-Faraday), juntamente com a lei de Lorentz (a forma moderna da fórmula para a força eletromagnética, que inclui as contribuições para o total da força dos campos, tanto o elétrico quanto magnético, de 1892, constituem um fundamento suficiente para derivar, praticamente tudo, em eletromagnetismo clássico.

O sistema de energia em CA usado ainda hoje em dia, desenvolveu-se rapidamente, a partir de 1881, com a demonstração prática do Transformador Elétrico, um dispositivo que foi essencial para viabilizar a transmissão e a distribuição de energia elétrica de modo massivo, na época. A|o contrário da CC, com os transformadores, a tensão CA poderia ser intensificada a valores bastante elevados, e então transmitida por fios mais finos e mais baratos, mesmo para longas distâncias, e no final, ter a tensão reduzida novamente, para distribuição aos usuários no destino.

O desenvolvimento do sistema CA incluiu contribuições diversas, como as de Pavel Yablochkov, da Rússia, de Lucien Gaulard da França, de John Dixon Gibbs e de Sebastian Ziani de Ferranti, da Inglaterra, de William Stanley, Jr e George Westinghouse, dos EUA, de Carl Wilhelm Siemens, da Alemanha, além de Nikola Tesla.

Por uma série de descobertas através de adaptações, o dínamo se tornou a fonte de muitas invenções posteriores, incluindo o alternador CA, o motor síncrono CA e o conversor rotativo. Os motores de indução CA foram inventados de forma independente por Galileo Ferraris e por Nikola Tesla, com um modelo de motor funcional tendo sido demonstrado pelo primeiro 1885 e pelo último em 1887. George Westinghouse, que estava buscando desenvolver um sistema de energia CA completo naquele momento, licenciou as patentes de Tesla em 1888 e comprou a opção de patentes nos EUA do conceito de motor de indução de Ferraris.

Sistema Primitivo de CA da Westinghouse de 1887

Não obstante o fato de que, em 1887, já houvessem 121 centrais Edison nos EUA fornecendo eletricidade em CC para clientes industriais, residenciais e de iluminação publica, naquele mesmo ano, o London Electric Supply Corporation (Lesco) contratou Sebastian Ziani de Ferranti, que já havia se tornado em um especialista em alternadores, para o projeto de sua usina em Deptford. Ele projetou o edifício, a planta de geração e sistema de distribuição. Em sua conclusão, em 1891, ela foi a primeira estação de energia verdadeiramente fornecendo energia CA de alta tensão que era depois reduzida para uso do consumidor em cada rua.

Os Sistemas em CA demonstraram superar as limitações do sistema em CC, proposto e usado por Thomas Edison, distribuindo energia elétrica de forma eficiente em longas distâncias apesar da forte campanha publicitária de Edison tentando desacreditar a CA como muito perigosa durante a chamada “Guerra das Correntes”, nos EUA. Além do mais, houve uma forte promoção do desenvolvimento do sistema CA trifásico, com russo Mikhail Dolivo-Dobrovolsky desenvolvendo o motor de indução de rotor em gaiola (sem enrolamentos no rotor), em 1889, e o transformador de três membros (transformador trifásico) em 1890.

Sistema Trifásico - Máquina Elétrica (Motor de Indução) de 4 Polos

A primeira usina comercial nos Estados Unidos, utilizando CA trifásica de foi a Usina Hidrelétrica Mill Creek Nº 1 de perto Redlands, Califórnia, em 1893, projetada por Almirian Decker. O projeto de Decker incorporou transmissão em 10 quilovolts trifásica e estabeleceu padrões para o sistema completo de geração, transmissão e de motores usados ainda hoje.

A Teoria de Circuitos em CA continuou a desenvolver na última parte do século XIX e início do século XX. Outros contribuidores notáveis para a base teórica dos cálculos CA incluem Charles Steinmetz, Oliver Heaviside, e muitos outros, enquanto que a CA passou a ser a forma padrão em que a energia elétrica que é entregue às empresas e às residências. A forma de onda usual de um circuito de alimentação CA é uma onda de forma senoidal (sinusoidal, forma de onda relativa a da função trigonométrica seno). Em determinadas aplicações, diferentes formas de onda são utilizadas, tais como ondas triangulares ou quadradas.

Classificações das Máquinas Elétricas:

A classificação de todas as máquinas elétricas existentes atualmente é algo deveras complicado de se definir em sua totalidade, devido as múltiplas possibilidades de combinação de princípios físicos ao se construir uma máquina elétrica. Todavia, descartando os transformadores (máquinas que não têm partes móveis), qualquer tipo de máquina elétrica móvel, é basicamente composta de duas partes principais: o estator (parte fixa da máquina) e o rotor (parte móvel da máquina). Em geral, as máquinas elétricas apresentam, também, uma carcaça protetiva (que envolve a máquina).

Já, de acordo com a direção do fluxo de campo magnético e, consequentemente relacionado com a forma da geometria (formas e espaço, topologia) da máquina elétrica, elas podem ser classificadas, também, em máquinas de fluxo radial, nas quais o fluxo magnético flui radialmente através da máquina a partir do eixo do rotor), ou em máquinas de fluxo axial, em que o fluxo magnético flui na mesma direção do eixo através da máquina a partir do eixo do rotor.

Numa abordagem convencional, para máquinas de fluxo radial, o rotor costuma ser montado inserido no interior do estator, que tem uma forma semelhante a um cilindro aberto. Por sua vez, as máquinas de fluxo axial podem ser concebidas com o rotor estando fora do estator, com o rotor e o estator, ambos, em forma de discos, dispostos lado a lado.

Alguns casos especiais de máquinas podem combinar a componente de fluxo radial com a componente de fluxo axial, numa topologia rotor-estator em formas de discos dispostos lado a lado, no que elas são classificadas com máquinas de fluxo transversal. Um outro caso, bem específico, como o da máquina de fluxo radial de rotor cônico, também usa a componente axial obtida pela conicidade do rotor, mas apenas para fazê-lo deslizar axialmente, a fim de acionar um sistema de frenagem de segurança (usado em sistemas móveis industriais pesados, como as pontes rolantes).

Geralmente, todas as estruturas de máquinas elétricas podem, também, ser “viradas do avesso”. Assim, o rotor e o estator podem trocar de lugar. No caso de máquinas de fluxo radial, elas recebem a denominação “máquina de rotor externo”. Tanto para o caso de máquinas de fluxo radial quanto para o de máquinas de fluxo axial, topologias constituindo uma configuração com um único estator bobinado ensanduichado entre dois rotores de imãs permanentes podem ser empregadas.

Diferentes topologias de máquinas de fluxo radial: a) Convencional: Estator externo - Rotor interno  b) Avessa: Estator interno - Rotor externo  c) Estrutura com estator interno bobinado toroidalmente e dois rotores, um interno e outro externo.

A configuração do motor em avesso (b) é adequada para aplicações em que o rotor possa ser integrado diretamente ou embutido dentro do sistema mecânico que ele irá tracionar, tais como, por exemplo, motores de acionamento direto para as rodas de veículos elétricos e motores de tração de rolos de condução de correias transportadoras. Já a configuração (c) a primeira vista não parece ser muito prática, uma vez que a estrutura mecânica é mais complicada e a remoção de calor do estator interno irá requerer uma circulação de ar bastante eficiente dentro da máquina. No entanto, tal estrutura melhora essencialmente a densidade de torque (torque x volume) da máquina e pode ser útil em algumas aplicações em que o volume total da máquina seja algo limitado.

Máquinas elétricas podem ser projetadas com ou sem ferro para melhorar a caminho do campo magnético e com e sem ímãs permanentes para produzir os campos magnéticos necessários e, ainda, dotadas com número de polos magnéticos diferentes, e é isso, entre outras coisas, o que as fazem pertencem a diferentes classes de máquinas elétricas.

Além do mais, máquinas elétricas podem ser classificadas como síncronas, o que significa que o rotor gira com a mesma velocidade com que gira o campo magnético criado pelo enrolamento (bobinas) do estator, ou elas podem ser assíncronas, o que significa que há uma pequena diferença entre a velocidade de movimento de campo girante do estator e o movimento do rotor.

O tipo de máquina mais populares em todo o mundo, as máquinas de indução CA, são geralmente assíncronas. Todavia, elas podem se tornar síncronas, se houver emprego de supercondutores nos enrolamentos do rotor.

Hoje em dia, o interesse em máquinas elétricas CA síncronas com supercondutores parece aumentar porque, neste caso, apenas o enrolamento do eletroímã CC que produz o campo magnético do rotor (parte rotativa da máquina) utiliza supercondutores. Os enrolamentos multifásicos CA estabelecidos no estator (parte fixa da máquina) permanecem na mesma estrutura convencional, utilizando-se de condutores de cobre e, não exigindo nenhum suporte prático por supercondutores para conduzir a corrente.

O parâmetro de maior importância no interesse pela “máquina supercondutora” é a geração de um campo magnético muito elevado, que não seria possível em uma máquina convencional. Isto leva a uma redução substancial do volume da máquina, o que significa um grande aumento na densidade de energia.  

Muitas vezes, em muitas aplicações de máquinas elétricas diversas, os condutores de estator precisam ser, de alguma forma, refrigerados para reduzir (mas não eliminar), as suas perdas resistivas. No entanto, na máquina supercondutora, uma vez que os supercondutores apresentam a característica de resistência zero apenas sob uma determinada temperatura de transição supercondutora muito baixa, a qual costuma ser de centenas de graus abaixo do que é a temperatura ambiente média no planeta Terra, em geral, o emprego de criogenia é necessário, o que, por enquanto, inviabiliza o emprego comercial dessas máquinas.

Já, as máquinas elétricas de ímãs permanentes e máquinas de relutância são, sempre, máquinas síncronas. Na série deste artigo, vamos tratar, mais detalhadamente, de máquinas elétricas síncronas de imãs permanentes e suas classificações.

Um motor elétrico síncrono é uma máquina elétrica de CA (motor CA síncrono), no qual, em estado estacionário, a rotação do eixo ocorre em velocidade síncrona, ou seja, perfeitamente sincronizada com a frequência da corrente de alimentação. Isso pressupõem que esse tipo de máquina depende de excitação CA (ou de uma CC periodicamente pulsante, para que haja frequência) para que haja para rotação. Na máquina síncrona, o período de rotação é exatamente igual a um múltiplo inteiro do período relativo ao ciclo da CA de alimentação que produz o campo girante no estator da máquina.

O rotor de uma máquina síncrona é, em geral, não-excitado, o que significa que nenhum tipo corrente elétrica precisa ser fornecida ao rotor, para a excitação. Assim, os rotores podem ser fabricados utilizando três diferentes tecnologias de projetos magnéticos:

• de ímãs permanentes;
• de relutância (em geral tendo um rotor constituído por uma peça sólida de aço com polos em projeções de dentes salientes, no mesmo número que os polos do estator);
• de histerese (em geral tendo um rotor cilíndrico liso sólido feito com uma liga dura de aço cobalto de alta coercividade magnética).

Máquinas síncronas (sem escovas) com ímã permanente e motores de relutância comutada, ambos dependem de sistemas de acionamento eletrônico que produzam campos magnéticos girantes em rampa de aceleração (com frequência variável) para a partida. Apesar de motores de relutância serem mais barato, o motor com rotor constituído por um eixo de aço com ímãs permanentes ou, se o motor for pequeno, um anel magnético fixado em torno da circunferência do eixo, é o que transmite maior torque por volume de máquina. Dai, a predominância de máquinas síncronas com uso de imãs permanentes.

Já, o estator da máquina síncrona contém eletroímãs, realizados pela energização de enrolamentos que são alojados na circunferência do estator, que criam um campo magnético girante, qual gira em sincronia com a frequência da corrente da linha de alimentação. Por sua vez, o rotor girará no passo com este campo, com exatamente a mesma taxa.

O estator possui um grupo de lâminas de aço ranhuradas (0,1 a 0,6 mm de espessura) que são fundidos para formar uma pilha uniforme sólida, a qual cria uma série de dentes. As bobinas de cobre enroladas são então inseridas em cada uma das ranhuras. Em conjunto, a pilha de laminados e as bobinas de cobre enroladas formam o conjunto do estator.

O caminho de retorno que completa o circuito magnético é composto pelo material laminado externo dos enrolamentos de cobre no estator, e a carcaça do motor. Os imãs permanentes no rotor da máquina fornecem um campo magnético do rotor constante, e torna possível um rotor com um elevado torque por volume, altamente eficiente e de baixo momento de inércia.

Embora os motores mais ortodoxos e eficientes são os de três fases, máquinas síncronas de duas fases são, também, muito usadas por causa da simplicidade da sua construção simples e do seu circuito de acionamento. 

Do ponto de vista da estrutura da máquina elétrica, os denominados Motores CC Sem Escovas (Brushless DC Motor ou BLDC Motor) são muito semelhantes aos Motores CA Síncronos (Synchronous Motor), do tipo que é conhecido como Motor de Ímãs Permanentes (Permanent-Magnet Synchronous Motor - PMSM): 

Os enrolamentos do estator são semelhantes às de um motor de CA polifásico qualquer, enquanto o rotor é constituído por um ou mais imãs permanentes. Só que no Motor CC Sem Escovas temos uma arquitetura com o número de polos do estator diferente do número de polos do rotor, enquanto que no Motor CA Trifásico Síncrono, o número de polos magnéticos do rotor é igual ao número de grupos de bobinas por fase do estator.

Na verdade eu me atrevo a dizer que o termo "Motor CC Sem Escovas" nasceu de um artifício, como uma forma de incentivo de marketing para induzir as pessoas a pensarem no motor com a sua unidade de acionamento associada, como uma boa opção de substituto para um motor CC com escovas e sua unidade de acionamento.

No início e, até meados dos anos '80, os “verdadeiros Motores CA Síncronos” eram concebidos como sendo máquinas de velocidade única, sendo esta velocidade associada a um submúltiplo da frequência da rede elétrica. A partir dai, os primeiros desenvolvimentos dos Conversores de Frequência, conhecidos, também, como Inversores (em inglês, Power Inverters) eram dispositivos de acionamento de máquinas que visavam, num primeiro momento, controlar a velocidade, apenas, das Máquinas CA Assíncronas (máquinas com arquitetura do motor de indução CA trifásico, com um rotor de gaiola de esquilo simples). 

A Máquinas CA Assíncronas era, e ainda são, de longe, as máquinas elétricas rotativas mais desejáveis, como primeira escolha e, empregadas em maior número na totalidade das aplicações motorizadas, em todas as áreas, por elas serem, dentre todas, as máquinas mais baratas (nenhum imã permanente é necessário) e terem baixos custos de manutenção (nenhum comutador mecânico).

Acontece que, antes do advento dos conversores de frequência (os inversores) se tornarem algo mais acessível, as aplicações motorizadas em velocidade variável controlada já eram fortemente dominadas, desde o início anos '60 pelo emprego de Máquinas de CC Com Escovas, acionadas por meio de Retificação Controlada, empregando os dispositivos semicondutores de potência denominados Tiristores, que são diodos retificadores controlados feitos a base de silício, popularizados pela sigla SCR (Silicon-Controlled Rectifier), criado pela GE em 1957), enquanto que, os conversores de frequência primitivos podiam ser elaborados para operar apenas de maneira não muito satisfatória, e a um custo bastante elevado, usando esses mesmos dispositivos (que não eram dispositivos de eletrônica de potência muito adequados a tal).

Módulo IGBT (integra IGBTs e diodos de roda livre)
com uma corrente nominal de 1200 A e uma tensão máxima de 3300 V

A história dos dos conversores de frequência (os inversores) é longa, e passou pela época da aplicação dos inversores eletromecânicos, e depois pela época dos inversores baseados em retificação controlada (inversores tiristorizados), no entanto, eles tiveram grande impulso a partir do final dos anos '80 e durante todos os anos '90, com o advento de um novo dispositivo semicondutor de potência denominado IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor), que apesar de patenteado no Japão desde 1968, só começou a ser comercializado com êxito pela Toshiba a partir de 1985), que se tornaram, rapidamente, baratos e populares devido a sua fácil operação e confiabilidade, fazendo migrar o escopo das aplicações de acionamentos motorizados em velocidade controlada para as Máquinas CA Assíncronas.

Assim, enquanto os velhos motores CC com escovas pareciam fadados à extinção, apesar de alguma simplificação do seu controle (mas com aumento de custo da máquina) implementada pelo emprego de imãs permanentes nos seus estatores, o que passou a garantir fluxo de campo constante, os novos Motores CC sem escovas (brushless) foram, então, desenvolvidos a partir da mesma disponibilidade de semicondutores de potência de estado sólido que tornou possível o sucesso dos conversores de frequência (os módulos IGBT) e, como dito anteriormente, como um artifício, como uma forma de incentivo de marketing para induzir as pessoas a pensarem neste “novo motor” como substituto para um motor CC com escovas e sua unidade de acionamento, tentando quebrar a hegemonia do emprego das máquinas de indução CA.

Todavia, os motores CC sem escovas que dai surgiram, de fato, nada tinham em haver com os tradicionais motores CC com escovas convencionais mas, sim, derivaram da topologia da máquina CA síncrona. Assim, a palavra-chave para distinguir cada caso passou a ser, então, a ser a Técnica de Comutação que é empregada para o acionamento da máquina.

A comutação é o processo de chaveamento da corrente nos enrolamentos, a fim de gerar o movimento e o torque. Em motores com escovas, a comutação é fácil de entender, uma vez que as escovas estão em contato com um comutador e ele próprio comuta a corrente de armadura (corrente nos enrolamentos do rotor) a medida que o motor se move. Já, na tecnologia Sem Escovas, não há peças móveis de contato elétrico, o antigo conjunto escova comutador, que implicava em um elevado número de paradas para manutenção e, portanto, a tecnologia sem escovas é mais confiável.

No entanto, o sistema eletrônico obrigatoriamente necessário para controlar a corrente no motor é um pouco mais complexo.

Além do mais, descaracterizando por completo a topologia da velha máquina CC com escovas, não é mais a corrente nos enrolamentos presentes no rotor (armadura) que deve ser comutada mas, tal qual se controla uma máquina CA síncrona (ou mesmo tal qual se controla uma máquina CA assíncrona), é a corrente dos enrolamentos do estator, que deve ser comutada, de modo que, para todos os casos, os circuitos de comutação passam a ser inversores estáticos que usam dispositivos de comutação dispostos em uma ponte H (tal qual os empregados nos conversores de frequência de variável).

Em outras palavras, o que nós temos, em última instância, é uma máquina CA síncrona, a qual pode ser acionada por diferentes técnicas e estratégias de comutação, as quais implicam, tanto em diferenças de custos, quanto em diferenças de performance, e também de classificação, de modo que, é a necessidade de performance específica da aplicação que o motor se destina que deve determinar qual delas devemos usar.

De modo geral, podemos dizer que existem três tipos diferentes de técnicas de comutação atualmente disponíveis no mercado: a trapezoidal, a modificada de seis etapas, e a sinusoidal. Os primeiros motores vendidos como sendo “motores CC sem escovas (brushless)” tendiam a ser "trapezoidally wound", ou seja, ter perfis trapezoidais de F_CEM (força contra-eletromotriz) 4 para que pudessem ser razoavelmente bem comutado através de técnicas mais simples de comutação, a partir do barramento de CC.

Posteriormente, a maioria destes motores começam a ser "sinusoidally wound" e idealmente controlados com um algoritmo de comutação sinusoidal mais sofisticado. Não obstante tais denominações diferentes, é notável que ambos estes motores dependem de uma comutação que provoque sua excitação para rodar e desenvolver torque que deve ser classificada como sendo, tipicamente, de CA.

Acionamento do Motor “CC” Sem Escovas:

Em aplicações motorizadas em velocidade variável controlada, porque não há nenhuma referência fixa, a primeira coisa que um controle deve determinar é qual e quando determinada fase deve ser energizada. Há um certo número de maneiras diferentes com que isto pode ser alcançado, fazendo com que o motor incorpore algum meio para produzir os sinais que controlarão os comutadores eletrônicos mas, de longe, o mais popular é o uso de dispositivos de efeito de Hall grosseiros como sensores de posição. Existem três desses dispositivos, um para cada fase, e eles fornecem os sinais que representam os campos magnéticos gerados pelas pistas dos ímãs. Ao analisar esses campos, é possível determinar em qual parte da pista dos ímãs o rotor está posicionado e, portanto, energizar a sequência de fase correta.

Esta configuração de sensores de realimentação para detectar a posição do rotor (ou dos polos magnéticos) atende tanto aos requisitos da comutação trapezoidal, quanto aos requisitos da comutação modificada de seis etapas, como mostrado na figura:

Como os sensores de efeito Hall são montados internamente, integrados à carcaça da máquina elétrica e, como esta configuração não atende, plenamente, aos requisitos da comutação sinusoidal, dai resulta o fato destas máquinas serem, comumente, classificadas sob a denominação Motores CC Sem Escovas e, portanto, tidos como diferentes dos Motores CA Síncronos (motores CA de ímãs permanentes), os quais requerem uma configuração de sensores de realimentação diferenciada.

A comutação trapezoidal é a forma mais simples de comutação e requer que dispositivos de efeito Hall digitais estejam montados alinhados 30º eletricamente a partir do ponto de cruzamento de zero de cada fase. Em cada ponto em que uma transição do sinal Hall acontece, a sequência da corrente de fase é trocada, assim, a comutação do motor ocorre. Considerando o conjunto dos sensores, do controle e do circuito de eletrônica de potência, esta é a forma mais barata de comutação.

A comutação modificada de seis etapas é muito semelhante à comutação trapezoidal. Uma diferença é que os dispositivos de efeito Hall digitais estão alinhados com o ponto de cruzamento zero de cada fase de acordo com o diagrama a seguir mostrando a sequência Hall de um motor sem escovas.

Mais uma vez, em cada ponto em que a transição do sinal de Hall são visto, a corrente de fase é comutada. No entanto, com este método, mais dois sensores de corrente costumam ser utilizados, no que resulta em proporcionar uma sequência de comutação que está mais próxima da corrente de fase sinusoidal ideal. Este método é um pouco mais caro do que a comutação trapezoidal devido à necessidade dos dois sensores de corrente extra. De qualquer forma, ambos os métodos baseados em Hall causarão forças de perturbação, resultando em maior temperatura de funcionamento e num movimento que não é suave.

A forma de onda representativa da comutação da corrente de fase do motor, para cada caso, se parece com as formas de onda do diagrama mostrado a seguir:

O meio ideal para conduzir qualquer motor sem escovas sinusoidally wound é a técnica de comutação sinusoidal propriamente dita. Existem duas formas com que isto é normalmente conseguido. Dispositivos de efeito de Hall analógicos podem gerar um sinal sinusoidal a medida que o motor passa sobre os pólos magnéticos das pistas de ímãs. Os sinais, que são adequados para a comutação do motor, são, então, combinados com o sinal de realimentação de corrente para comutar corretamente o motor. Este é o método de menor custo dentre os dois métodos, no entanto, ruído pode ser captado nos dispositivos Hall, afetando comutação.

Outro método mais popular de comutação sinusoidal é pelo uso de um encoder incremental, combinado, juntamente, com dispositivos hall digitais. Quando uma alteração do estado é detectada no sinal do dispositivo Hall digital, os sinais do encoder incremental podem, então, ser utilizados para determinar digitalmente, em que posição do ciclo de comutação do motor está. A comutação é feita através da geração de um sinal de comando sin (θ) Fase A e um outro sinal de comando sin (θ +120°) Fase B e logicamente multiplicando estes pelo sinal de realimentação de corrente.

Este método de comutação é o que dá os melhores resultados, devido a ser o mesmo processador utilizado para controlar a corrente, a velocidade e posição, e resulta em tempos de acestamento mais rápidos e laços de servo controle mais robustos. Além disso, os ruídos nos dispositivos Hall digitais são muito mais fáceis de filtrar e remover, resultando num sistema mais fiável. Quando a comutação sinusoidal é usada, tanto com motores rotativos quanto com motores lineares, o movimento é suave e o motor é acionado de forma mais eficiente, causando menor aquecimento.

Assim, podemos concluir que, mesmo que estas máquinas sejam vendidas sob a denominação "Motor CC Sem Escovas” ele são máquinas de imãs permanentes que também são vendidas acompanhadas por uma unidade de acionamento controlado que produz forma de onda CA para, efetivamente, alimentar a máquina, seja a partir de uma fonte DC, ou vendidas como um "motor síncrono CA", que provavelmente será usada alimentando-se diretamente de uma rede elétrica CA, mas também acompanhada com uma unidade de acionamento controlado interfaceando entre a rede elétrica e a máquina.

Dentro de um critério meramente comercial, costuma-se tratar como “Motor CA Síncrono de Imãs Permanentes”, apenas quando a mesma máquina, dispensa o emprego dos dispositivos de efeito Hall incorporados a ela e, ao invés disso, passa a incorporar um Resolver. Um resolver é uma mini máquina elétrica do tipo transformador elétrico rotativo, sem escovas, que é usado como sensor para medir a posição de rotação da motor.

Outros projetos utilizam medir o F_CEM nas bobinas não energizadas para inferir a posição do rotor, também eliminando a necessidade de separar sensores de efeito de Hall, e portanto são muitas vezes chamados controladores sem sensores.

No entanto, um número muito grande de engenheiros têm, cada vez mais, concordado que “Motor CC Sem Escovas” é apenas uma designação comercial para a máquina que, mais apropriadamente, deve ser chamada de “Motor CA Síncrono”.

Bem, por ora vamos ficando por aqui e, até a postagem postagem, que será a da parte 2, quando já estaremos COMEMORANDO AS 100.000 VISITAS A ESTE BLOG. Obrigado!!!

Notas:

1. Note que, se o aproveitamento da energia gerada no modo frenagem, por algum motivo, não for possível, de qualquer outra forma que seja, aquela energia que está sendo gerada precisará ser "queimada", Isso pode ser feito com a corrente proveniente da máquina elétrica sendo conduzida através de um resistor de potência, onde a energia é dissipada para o ambiente em forma de calor (chamamos a isso de frenagem reostática). Sem isso (frenagem reostática), ou aquilo (aproveitamento da energia para recarga da bateria), a efetiva frenagem elétrica (frenagem motora) de um VE não seria possível e ele precisaria ter um outro tipo de sistema de freio. Assim como o reaproveitamento da energia é feito de modo controlado, com o chaveamento dos semicondutores de potência da ponte do conversor, também a frenagem reostática deve ser controlada, para que a frenagem, em si, seja controlada.
2. Também haverá indução eletromagnética se o campo fixo no espaço for do tipo variável, porém, o resultado da interação entre a variação do campo e a variação de posição do movimento da espira, que é o que determina a forma de onda da corrente que é induzida, resultará numa forma de onda que pode ser bastante complicada.
3. Os capacitores armazenam energia elétrica em um campo elétrico, e a disponibilidade de entrega da energia previamente armazenada é com eles operando como fonte de tensão, enquanto que os indutores armazenam energia elétrica em um campo magnético, e a disponibilidade de entrega da energia previamente armazenada é com eles operando como fonte de corrente.
4. F_CEM - é um acrônimo relativo ao termo "Força Contra Eletromotriz" que é um fenômeno relativo a Física da eletricidade (ou dos fenômenos eletromagnéticos) que significa uma força eletromagnética (uma tensão elétrica) que surge sobre um elemento de circuito elétrico denominado indutor (ou elemento indutivo, cuja principal característica é opor-se a qualquer variação brusca na corrente elétrica que flui por ele) que esteja ligado a uma fonte de energia elétrica, formando um circuito fechado, de tal modo que esta fonte possa fornecer uma alimentação comutada (com tensão elétrica chaveada ou pulsante). Quando a fonte de alimentação é comutada para o estado de ligada, a tensão elétrica que ela oferece ao indutor surge abruptamente, para o seu valor máximo, porém, a corrente elétricas que ela fornece ao indutor não pode crescer de intensidade abruptamente, de tal modo que esta corrente irá crescendo de intensidade ao longo de um certo tempo, enquanto o indutor vai se carregando com energia elétrica, que é acumulada e armazenada em seu campo eletromagnético. Decorrido o tempo estipulado, o indutor estará plenamente carregado de energia e o corrente atinge, em fim, o seu valor máximo de intensidade. Até aqui, ainda não ocorreu a F_CEM que, somente surgirá a partir do exato momento em que a fonte de alimentação for comutada para o seu outro estado, ou seja, quando a tensão que ela oferece ao indutor for desligada (o que equivale a tensão dela cair abruptamente). Assim ocorre a F_CEM que corresponde a uma nova tensão que surge abruptamente sobre o indutor, em razão da energia que ele ainda tem armazenada. Esta tensão é a F_CEM, e ela tem a mesma intensidade, porém polaridade contrária, com relação á tensão da fonte que, antes, alimentava o indutor. Por ter polaridade contrária, dai vem o termo Força Contra Eletromotriz. Havendo um caminho para circulação de corrente, a corrente pelo indutor fui no mesmo sentido em que fluía enquanto a fonte o alimentava, e com a mesma intensidade máxima em que ela se encontrava. A diferença é que, agora, é o próprio indutor que está operando como fonte de alimentação, fornecendo corrente, o que o faz ir se descarregando aos poucos. Assim a corrente irá decrescendo (aos poucos, pois o indutor se opõem a qualquer variação brisca da corrente), até que, com o indutor já plenamente descarregado, a corrente, em fim, cessa.

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