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O efeito motor

Prof. Luiz Ferraz Netto [Léo]
leobarretos@uol.com.br

Abstraindo os mancais, por simplicidade e visualização, os motores elétricos didáticos, a serem apresentados, podem ser reunidos na seguinte esquematização:

Há diferentes modos para explicar como os motores elétricos elementares funcionam, tais como:

α - um eletroímã girante
β - duas forças paralelas produzindo torque.

Este será o enfoque deste trabalho.

α - Eletroímã girante
Quando a bobina do rotor é conectada à fonte de tensão CC, a corrente passa a fluir através dela. O conjunto torna-se um eletroímã. Seguindo o sentido da corrente como se ilustra abaixo, a face superior do rotor torna-se um pólo norte, sendo, portanto, atraída pelo pólo sul do ímã permanente à esquerda e repelida pelo pólo norte, à direita. O rotor parte, girando em sentido antihorário.

Quando o rotor atinge a posição vertical o efeito de torque cessa (o rotor eletromagnético fica alinhado com o ímã permanente). Todavia, neste ponto, a corrente inverte seu sentido de percurso (devido ao comutador) e o rotor tem que girar 180º para atingir novo alinhamento de campo ... onde o sentido da corrente é novamente invertido. A comutação garante a inversão do sentido da corrente a cada 180º, e a rotação prossegue. Observe que apesar da intensidade da força magnética atrativa aumentar sua intensidade conforme os pólos opostos vão se defrontando, as componentes úteis ao torque (aquela parcela perpendicular à face do rotor) vão diminuindo; o torque se anula quando o campo do eletroímã fica alinhado com o campo dos ímãs permanentes.

β - Duas forças paralelas produzindo torque
A corrente elétrica flui ao longo dos lados da bobina do rotor; interessa os lados (esquerdo e direito) que cortam as linhas de força do campo magnético dos ímãs permanentes. Cada trecho, nestes dois lados, têm comprimento l.

Nesta posição (terceira figura acima), onde a direção da corrente é perpendicular à direção do campo magnético cuja densidade de fluxo é B, a intensidade da força magnética de Lorentz, em cada trecho de condutor de comprimento l, vem dada por F = B.i.l . Como a bobina é constituída por n espiras (voltas), teremos:  F = B.i.n.l .

Recorde que a força magnética de Lorentz é sempre perpendicular ao plano definido por i e l, assim, na posição indicada (primeira figura à esquerda, acima) ela atuará na vertical. A regra da mão esquerda de Fleming nos indica que terá sentido para cima do lado direito e para baixo do lado esquerdo. Duas forças de mesma intensidade, sentidos opostos e agindo em pontos distintos de um mesmo corpo, constituem um par ou um binário; seu efeito é produzir um giro ou torque na bobina. Indicando-se por d o braço deste binário, o valor do torque da força pode ser expresso por: W = F.d = B.i.n.l.d .

Assim, observamos que o torque poderá ser incrementado quando:

a- incrementando a densidade de fluxo magnético (colocar ímãs permanentes mais ´potentes´).
b- incrementando a intensidade de corrente (aumentando a tensão de alimentação),
c- aumentando o comprimento
l da bobina,
d- aumentando o número de espiras da bobina do rotor.

O torque apresentará valor máximo, para um dado conjunto de valores da lista acima, quando a distância d  entre as forças for máxima --- isto ocorre quando a bobina estiver na posição horizontal (figura do meio, acima) --- e terá valor mínimo (nulo) quando esta distância se anular --- que ocorre quando a bobina estiver na posição vertical (figura da direita, acima).
Atente, quanto à forma do rotor, que o trecho onde o fio que se estende na largura do rotor não participa em nada, não contribui com torque nenhum; apenas o trecho do comprimento, l, (que corta efetivamente as linhas de força) e a distância d entre esses trechos interessam.

Bobina em posições diferentes
A contar da posição em que a face está voltada para cima, enquanto a bobina gira, a distância perpendicular entre as forças começa a diminuir. Consequentemente, o momento dos pares (binário) diminui. Quando a bobina girou de 90º, o momento é zero porque as forças estão atuando ao longo da mesma linha de ação (isto é a distância perpendicular entre elas é zero).
Esta é uma razão pela qual os motores práticos não têm uma única bobina de rotor, como é o caso deste modelo didático. Com uma única bobina o rotor deve girar de 180º antes que os contatos permutem o sentido da corrente; o torque fica consideravelmente reduzido na maior parte deste giro de 180º. Realmente, a partir do giro de 30º do plano da bobina, em relação à direção do campo magnético, o torque torna-se bem pequeno (a variação é senoidal). Para evitar esta perda de torque, a maioria dos motores usam mais de uma bobina. O pequenos motores para brinquedos (carrinhos, trenzinhos, etc.) têm geralmente três bobinas (ilustração abaixo). Em vez do motor ter de girar de 180º (quando se usa apenas uma única bobina), cada bobina gira apenas de 60º (30º de cada lado em relação à horizontal) antes de comutar o sentido, desta maneira cada bobina é utilizada sempre próximo de seu torque máximo.

 


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