Radiografia – Motores elétricos: movendo o mundo

set, 2009

Edição 43, Agosto de 2009

Por Lívia Cunha

Eles deram força para o desenvolvimento e o progresso tecnológico do mundo, alteraram a vida das pessoas e as formas de utilizar a eletricidade a favor de nossas necessidades. Essa grande invenção contribuiu para que o mundo continuasse a se movimentar econômica e socialmente.

A partir do dia 8 de dezembro deste ano, alguns tipos de motores elétricos fabricados no Brasil passarão por uma significativa mudança. Seguindo as tendências mundiais de eficiência energética, essas máquinas motrizes terão seus níveis de rendimento aumentados. Os índices já estão definidos há quatro anos, desde que a portaria nº 553 foi aprovada pelos ministérios de Minas e Energia, Ciência e Tecnologia, e do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior, em 8 de dezembro de 2005, mas apenas tornam-se obrigatórios neste ano.

Em dezembro, passam a ser proibidas a fabricação e a importação de motores elétricos fora dos novos padrões de eficiência brasileiros, que elevam todos os motores para a categoria de alto rendimento. O tempo de quatro anos, entre a aprovação da portaria, em 2005, e a proibição para fabricação fora dos novos critérios, agora em 2009, foi dado para que as empresas pudessem se adaptar às alterações. A comercialização dos motores antigos tem ainda seis meses a mais de tolerância, após a proibição da fabricação.

“Como a portaria estabelece novos níveis de rendimento para motores, é um momento de upgrade dos motores elétricos”, avalia o consultor de produtos da área de motores da Weg, Silvio Augusto Billo. A portaria vale para os motores trifásicos de indução, alimentados por corrente alternada, que são o principal tipo de motores usados na indústria, maior consumidora dessas máquinas motrizes. Já os motores de 0,75 kW a 185 kW terão rendimento mínimo variável de 70% a 95,4% (ver tabela).

Uma alteração nesse tipo de motores significa muito. Isso porque os motores de corrente alternada representam mais de 90% do mercado mundial. Além disso, juntamente com os outros modelos de motores elétricos, eles são responsáveis por mais de 50% da energia consumida no mundo.

Por consumirem tanta energia elétrica, a preocupação em torná-los mais eficientes tem crescido em todo o mundo desde os anos de 1980, tanto por parte dos profissionais técnicos quanto dos governos. A mudança na normalização referente à eficiência e ao rendimento dos motores que acontece neste ano no Brasil está prevista também para outros grandes mercados globais. Billo conta que os Estados Unidos vão passar por essa mudança no próximo ano e a Europa em 2011.

O grande consumo de energia ocorre porque esses motores transformam energia elétrica em energia mecânica, capaz de gerar trabalho, e por estarem presentes em quase todos os ambientes industriais . É exatamente esse trabalho que é o responsável pelo desenvolvimento e pela automação de diversos outros dispositivos elétricos, que ajuda nossas vidas e movimenta a economia mundial. O trabalho gerado é produzido pelo torque do motor em seu eixo, que  está associado à velocidade, que finalmente se traduz em potência mecânica.

Como os motores são equipamentos presentes em praticamente todos os lugares, podem ser utilizados nas mais diversas aplicações, sejam elas residenciais, industriais ou comerciais. Estão presentes, por exemplo, na movimentação de esteiras industriais, bombas e compressores, nas máquinas de lavar roupas residenciais, geladeiras e secadores de cabelo, nas impressoras comerciais, alcançando tantos outros equipamentos elétricos.

 

Logo que os motores começaram a ser usados em larga escala, no final do século XIX e início do XX, os equipamentos motrizes existentes foram sendo adaptados para o uso da eletricidade, que começava a ser mais amplamente entendida e dominada. Assim, a energia elétrica foi agregada aos produtos que hoje tanto facilitam a vida humana. Complexos sistemas se tornaram simples. Por isso, a invenção do motor elétrico foi, e ainda continua a ser, tão importante na estruturação das sociedades industrializadas.

História

Quando os motores elétricos surgiram, eles não apareceram já na sua forma acabada. Nem mesmo em um único modelo. Diversos pesquisadores trabalharam separadamente em busca de um objetivo comum, a criação de algum dispositivo que, alimentado por energia elétrica, pudesse gerar energia mecânica. Como tantos foram aqueles que contribuíram para a composição do motor como o conhecemos hoje não há consenso de um inventor desta máquina.

O doutor em engenharia elétrica e professor da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP), Ivan Eduardo Chabu, explica que “a invenção do motor elétrico é meio controvertida”. Assim como acontece na história do avião, que os americanos creditam o invento aos irmãos Wright e os brasileiros ao Santos Dumont, uns dizem que o motor elétrico seria uma invenção do inglês Michael Faraday, outros do alemão Werner Von Siemens e outros ainda do russo radicado na Alemanha Michael Dobrowolsky.

Certo mesmo é que a partir da descoberta do eletromagnetismo pelo dinamarquês Hans Christian Oersted, em 1820, o campo para as pesquisas que desenvolveriam os motores elétricos estava aberto. Isso porque o mecanismo de funcionamento dos motores é baseado na interação de campo magnético com as correntes elétricas, que fazem o rotor (também chamado de armadura) girar em torno do estator, que se mantém parado. Foi a partir da descoberta do físico de Copenhague, e de outros pesquisadores subsequentes, que se percebeu que eletricidade e magnetismo estavam intimamente ligados.

As bases do eletromagnetismo estavam sendo consolidadas. Só assim foi possível que, em 1831, Faraday descobrisse a indução eletromagnética e inventasse um gerador de corrente, que, utilizando um imã em forma de ferradura, fez girar um disco de cobre. Nessa década, surgiram as primeiras máquinas girantes. Mas o motor elétrico mesmo só apareceria anos mais tarde. Em 1866, o inventor alemão Siemens criou um dínamo que funcionava tanto como gerador de eletricidade quanto como motor de corrente contínua – o que é considerado o primeiro motor da história.

Durante a segunda metade do século XIX, além de pesquisadores e estudiosos buscarem novos inventos para serem usados com a eletricidade, outras questões eram discutidas sobre como essa energia seria transmitida. Nesse período aconteceram grandes disputas técnicas quanto à adoção do tipo de fonte de alimentação.

A corrente contínua, que até então era a predominante, perdeu lugar para a corrente alternada que se firmou enquanto sistema de fornecimento de energia predominante na virada dos séculos XIX e XX. Nessa época pesquisadores conseguiram desenvolver um sistema de transmissão de energia a distâncias maiores do que as conseguidas antes, com a energia contínua, além de terem viabilizado a utilização de tensões e rendimentos mais elevados nestas transmissões.

Assim, com a utilização de um sistema em larga escala, em detrimento de outro, diversos equipamentos passaram a ser criados para esse tipo de fornecimento alternado de corrente. E foi nesse período que alguns pesquisadores de corrente alternada começam a fazer descobertas com relação à invenção do motor. Dobrowolsky é o primeiro a conseguir desenvolver um modelo finalizado de motor de corrente alternada. Em 1889, o russo registrou a patente de um motor trifásico com potência de 80 W e rendimento de 80%. Por isso, como a história é composta por tantos nomes, Chabu afirma que “é difícil caracterizar um único inventor. Cada um deu a sua contribuição.”< /p>

Dois anos após o registro da patente, Dobrowolsky já iniciou a primeira fabricação em série de motores trifásicos assíncronos nas potências de 0,4 kW a 7,5 kW, contribuindo assim para o início da utilização de máquinas motrizes elétricas na indústria.

Poucos anos depois, chegou-se a uma conceituação final da forma construtiva de motores elétricos, tanto para corrente contínua quanto alternada. Mesmo com o passar do tempo não aconteceram muitas mudanças estruturais – a não ser pelas mudanças de padronização de fabricação, com as normas de produtos, e pela evolução dos materiais isolantes e chapas de aço. Por isso, ainda hoje a estrutura dos motores elétricos é bem parecida com os elaborados na virada dos séculos XIX e XX.

Famílias de motores

A diversidade de inventores e pesquisadores envolvidos no desenvolvimento dos primeiros motores contribuiu também para que vários modelos diferentes fossem criados. Assim, foi desenvolvida também classificações de tipos de motores, distinguindo cada um. Dessa forma, os motores elétricos são divididos em duas grandes famílias clássicas, que têm características bem distintas, estabelecidas exatamente pela forma de alimentação de energia.

Os motores de corrente alternada são os mais comuns, principalmente por trabalharem alimentados pela forma de energia fornecida pelas concessionárias. Além disso, eles são menos complexos construtivamente do que os de corrente contínua. A sua simplicidade reduz os custos de fabricação, fazendo com que eles possam, assim, chegar aos consumidores com um preço final menor. Esses equipamentos podem ser divididos em monofásicos e polifásicos – em geral de três fases, que, por sua vez, podem ser ainda subdivididos em síncronos e assíncronos.

Os motores monofásicossão destinados para aplicações  em circuitos fase-neutro e fase-fase, como, por exemplo, nas aplicações residenciais. Já os trifásicos são utilizados, geralmente, em aplicações industriais e comerciais alimentadas com três fases . O motor síncrono de corrente alternada usa eletroímãs como estator para fazer girar o rotor, que se movimenta a uma velocidade constante, em sincronia com a frequência da rede – no Brasil, 60 Hz. Isso tanto para monofásicos quanto para trifásicos.

Se a frequência da rede variar, a velocidade do motor síncrono variará no mesmo percentual, mantendo a sincronia. Isso “porque quem dita a velocidade é a frequência”, comenta o chefe de seção técnica de máquinas elétricas do Instituto de Eletrotécnica e Energia (IEE) da USP, Francisco Salotti. São, entretanto motores pouco utilizados pelo elevado custo, comparado aos assíncronos, e por isso são mais comuns em grandes potências.

Os assíncronos, por outro lado, são os mais utilizados entre todos os modelos de motores elétricos existentes hoje no mercado. Isso independente de serem mono ou trifásicos. São conhecidos também como motor de indução ou motor de gaiola e serão eles os atingidos pela portaria governamental de elevação de rendimento.

Além de corresponderem a mais de 90% do mercado, com maior concentração na faixa de potência de 0,75 a 22 kW, os assíncronos são os motores que apresentam menor complexidade construtiva. Por terem uma construção mais simplificada, são facilmente fabricados em larga escala, em linha de produção, o que contribui ainda para uma redução no seu preço final.

Os motores de indução têm velocidade aproximadamente constante, mas sempre menor do que a dos motores síncronos. Como a velocidade é um pouco inferior, diz-se que esse motor é assíncrono. Para os motores de indução monofásicos, Salotti comenta que a velocidade pode ser entre 3% e 10% menor do que o síncrono, de mesma fase.

Além desses, existem ainda os motores alimentados por corrente contínua, que são classificados quanto à forma como o enrolamento que irá criar o campo magnético do estator estará ligado, em série ou em paralelo. Os motores de corrente contínua trabalham com tensão constante e são conhecidos pelo fácil controle de variação de velocidade. São motores que têm um uso mais específico para aplicações em que são imprescindíveis o controle de velocidade ou que são alimentados por baterias – fontes de corrente contínua.

Os equipamentos de ligação em paralelo podem ser encontrados nos motores elétricos de automóveis, alimentando os limpadores de vidro, os vidros automáticos e tantos outros componentes que utilizam a eletricidade como força motriz. Esse é um nicho de motores de corrente contínua praticamente insubstituível. Como na área veicular, os motores são alimentados por baterias, que armazenam e fornecem a energia na sua forma contínua, manter os equipamentos para esse tipo de eletricidade é mais funcional.

Os motores com ligação em série podem ser encontrados em eletrodomésticos de pequeno porte, por exemplo, como o secador de cabelos. Em equipamentos ligados diretamente na tomada, que fornece corrente alternada, mas que trabalham com corrente contínua, há um retificador que faz a transformação da energia.

Outro fator que contribui para a utilização desse tipo de motores em pequenos eletrodomésticos é o peso. Sobre isso, Francisco Salotti, do IEE, explica “que em pequenas potências é mais fácil trabalhar em corrente contínua, porque em corrente alternada o motor acaba ficando mais pesado. Então você precisaria de musculação para poder segurar o secador de cabelo, por exemplo.”

Os especiais

Além dos motores clássicos, existem alguns motores chamados especiais, construídos especificamente para aplicações no controle preciso de posição e velocidades de determinados processos ou que se adéquam a situações variáveis. Esses motores podem ser mais rápidos que os convencionais e seus componentes são projetados para suportarem momentâneas correntes elevadas. Eles podem ser do tipo motores universais, servomotores e motores de passo.

Esquema de um motor elétrico de corrente contínua de pequeno porte. Motores CC são normalmente específicos para certas aplicações, como os elementos elétricos de automóveis, vidros, travas, etc.

Os motores universais são construídos para trabalharem com as duas formas de corrente. Eles são uma variante de corrente contínua de ligação em série adaptado para trabalhar em corrente alternada, se necessário. Por isso, em termos de desempenho e de construção, eles são mais próximos dos motores de corrente contínua. Os motores universais em geral apresentam baixo torque e são muito comuns também em pequenos aparelhos domésticos, como aspiradores de pó, batedeiras e máquinas de costura.

Ao invés de se movimentar livremente como os motores clássicos, os servomotores são equipamentos que se movimentam por comandos específicos. Eles também podem ser classificados quanto a corrente de alimentação utilizada. Enquanto no servomotor de corrente contínua o controle de velocidade ou de posição se dá pela regulação da corrente das bobinas do rotor, o de corrente alternada se dá pela regulação da frequência da corrente nas bobinas de campo.

Por fim, na classe de motores especiais estão também os motores de passo, que são usados no controle preciso de posição ou de determinada ação, como em robôs ou em equipamentos de coordenadas específicas. Chabu comenta que nesse tipo de motor “o ângulo [de rotação] é pré-determinado, utilizado em sistemas de controle”. Mas, por ser um motor especial, não pode ser ligado diretamente à tomada, na corrente elétrica. “Entre a fonte e o motor tem que ter um condicionador de energia que faz o condicionamento dessa energia que chega. Porque o motor de passo é um motor de corrente pulsante”, co

mpleta Ivan Chabu, da Poli da USP.

Componentes

Motores elétricos de corrente contínua, de modo geral, são compostos por dois elementos principais. O restante dos componentes são complementos e acessórios. A base dos motores está no estator e no rotor.

O rotor, também conhecido como armadura, é o elemento que gira e pode ser subdivido em comutador, eixo, núcleo e enrolamento da armadura. O eixo é responsável pela transmissão de energia mecânica para fora do motor, pela fixação do estator e pelo suporte de outros elementos auxiliares. O núcleo são lâminas de ferro silício que dão suporte aos enrolamentos da armadura, que, por sua vez, são bobinas isoladas entre si e eletricamente ligadas ao comutador.

O motor conta também com um estator, parte da máquina que permanece estática. Ele é composto pela carcaça, que serve de suporte ao rotor; pelo enrolamento de campo, que são as bobinas geradoras de campo magnético nos polos; pelos próprios polos, que distribuem o fluxo magnético; e, por fim, pelas escovas, barras de carvão e grafite que ficam em contato permanente com o comutador.

Materiais

Desde quando foram criados, na segunda metade do século XIX, até hoje, os motores elétricos sofreram uma significativa redução de peso e dimensão. Alguns especialistas falam em quatro vezes menor e mais leve, outros em oito vezes, chegando até a falar em um tamanho dez vezes menor com maior leveza. Essa variação foi proporcionada pela melhora de materiais utilizados, especialmente os isolantes, e pela melhora das técnicas de cálculo, conseguindo hoje maior precisão  no dimensionamento.

Os materiais isolantes utilizados no final do século XIX eram fibras têxteis, como algodão, que tinham baixa resistência e eram muito sensíveis à elevação de temperatura de trabalho. Se ela fosse elevada acima do valor limite de trabalho, as fibras poderiam se degradar e não isolavam mais adequadamente. A evolução de mais de 100 anos dos materiais isolantes, juntamente com o aprimoramento da técnica, permitiu que fibras sintéticas fossem desenvolvidas. Mais resistentes, elas suportam temperaturas de trabalho superiores às primeiras e maiores tensões.

A redução do tamanho e peso dos motores foi conseguida praticamente graças aos materiais isolantes. Para se ter uma idéia, Francisco Salotti exemplifica que no laboratório de máquinas elétricas do IEE tem um motor de 220 V antigo que tem o tamanho e a configuração parecida com um de 13,8 kV dos dias de hoje.

Além dos materiais isolantes, os motores elétricos são compostos por aços elétricos, que podem ser de ferro silício, e por fios condutores, em geral feitos de cobre ou alumínio. Para os condutores, a tecnologia e os materiais continuam sendo basicamente os mesmos. As alterações significativas nas configurações dos motores aconteceram mesmo na isolação.

Tendências

Do início da fabricação comercial dos motores até a década de 1970, a preocupação dos profissionais técnicos e fabricantes era reduzir o tamanho e o custo, tanto de construção quanto de venda, dos motores elétricos, porque eles eram grandes e caros. Durante a primeira década do século XX, houve um grande salto desenvolvimentista nestas máquinas elétricas. Foi exatamente nesse período que houve a redução drástica de tamanho e peso dos equipamentos.

Quando o problema de tamanho estava solucionado, os técnicos começaram a pensar nas questões quanto ao rendimento. Isso porque, se a diminuição na dimensão for muito grande, a partir de um dado momento, o rendimento passa a cair também. E nesse momento a questão financeira volta a pesar. Assim, na década de 1980 começaram os primeiros estudos e aprimoramentos para melhora do rendimento. Com a eficiência energética e a sustentabilidade em alta no início do século XXI, o aumento de rendimento virou ponto de pauta dos fabricantes e consumidores de motores. E essa é uma das tendências para essas máquinas.

Motor de corrente alternada com ventilador acoplado para usar inversor de freqüência. A máquina que foi fabricada este ano, 2009, e, com 52kW de potência, é consideravelmente menor e mais leve do que a do início do século passado.

 

 

 

 

 

Motor de corrente contínua de 75kW de potência (à esquerda) acoplado a umgerador de corrente alternada de 75kVA (à direita). O equipamento é de 1912 e foi adquirido pela Universidade de São Paulo na época em que o Instituto de Eletrotécnica e Energia estava sendo montado, na década de 1940.

 

 

Comparativamente às outras máquinas motrizes, as elétricas já são as que apresentam melhor eficiência. O doutor em engenharia elétrica, Ivan Chabu, comenta que enquanto os motores elétricos de menor rendimento, já seguindo a portaria nº 553, têm uma eficiência de 70%, para os de pequenas potências, e podem chegar a mais 90%, nos maiores, as máquinas térmicas de cana, que convertem energia química da queima do combustível em energia mecânica, têm rendimento de cerca de 30%.

Além de focar a eficiência, as tendências de aprimoramento de motores buscam a redução dos níveis de ruído, o aumento de vida útil, a redução da manutenção nas máquinas, o aumento de segurança e, por fim, o controle de velocidade em motores assíncronos, que normalmente mantêm a rotação aproximadamente constante. Essa variação da velocidade pode ser conseguida pelo acoplamento de um inversor de frequência ao motor.

O consultor de motores da Weg, Silvio Augusto Billo, relata que “até 10, 15 anos atrás, para variar a velocidade eram usados sistemas mecânicos complexos. Com a utilização dos inversores de frequência, que são dispositivos eletrônicos, o controle da variação de velocidade foi facilitado”. Ele garante o controle da velocidade de trabalho dos motores de corrente alternada e pode contribuir também para a redução do consumo de energia. Se a velocidade e a potência utilizadas em um dado momento no trabalho do motor for menor do que a nominal, pode-se conseguir uma redução no consumo energético, fazendo o motor deixar de usar potência total desnecessariamente quando esta não é exigida.

Os inversores de frequência abrem um novo mundo de possibilidades de trabalho para os motores assíncronos. As pesquisas desenvolvidas ultimamente são para reduzir o custo de aplicação em motores de médio e grande porte, para viabilizar a ampliação do uso.

 

 


Os polos

 

Todo imã é composto de pares de polos (norte e sul). O campo magnético criado nos motores elétricos pode ser estabelecido com um ou múltiplos pares de polos. Para esses equipamentos, quanto maior o número de polos mais baixa é a rotação e a eficiência. Eles estão padronizados em dois, quatro, seis e oito polos, sendo os motores de dois polos os mais rápidos. Em 60 Hz chegam a 3.600 RPM. A decisão pelo número de polos depende da necessidade de aplicação e de qual máquina será instalada.

 

 


 

Saiba mais

• A norma brasileira dos motores elétricos de indução é a ABNT NBR 17094-1, para máquinas trifásicas, e a ABNT NBR 17094-2, para monofásicas.

• Além da portaria nº 553, de 8 de dezembro de 2005, que trata dos níveis de rendimento dos motores, o decreto nº

4.508, de 11 de dezembro de 2002, estabelece regulamentação específica que define os níveis mínimos de eficiência energética de motores elétricos trifásicos.

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