Qual é o Princípio de Funcionamento do Motor CC?

Qual é o Princípio de Funcionamento do Motor DC?

Definição de Motor DC

Um motor DC é definido como um dispositivo que converte energia elétrica direta em energia mecânica usando campos magnéticos e correntes elétricas.

Os motores DC desempenham um papel crucial na indústria moderna. Compreender o princípio de funcionamento de um motor DC, que exploramos neste artigo, começa com sua construção fundamental de único loop.

A construção muito básica de um motor DC contém um armadura condutor de corrente, conectado à extremidade de alimentação através de segmentos de coletor e escovas. O armadura é colocado entre o polo norte e o polo sul de um ímã permanente ou eletroímã, conforme mostrado no diagrama acima.

Quando a corrente direta flui pelo armadura, ele experimenta uma força mecânica dos ímãs circundantes. Para compreender completamente como funciona um motor DC, é essencial entender a regra da mão esquerda de Fleming, que ajuda a determinar a direção da força no armadura.

Se um condutor portador de corrente for colocado em um campo magnético perpendicularmente, então o condutor experimentará uma força na direção mutuamente perpendicular tanto à direção do campo quanto ao condutor portador de corrente.

A Regra da Mão Esquerda de Fleming pode determinar a direção de rotação do motor. Esta regra diz que, se estendermos o dedo indicador, o dedo médio e o polegar da nossa mão esquerda perpendiculares uns aos outros de tal maneira que o dedo médio esteja na direção da corrente no condutor, e o dedo indicador esteja na direção do campo magnético, ou seja, do polo norte ao polo sul, então o polegar indica a direção da força mecânica criada.

Para uma compreensão clara do princípio do motor DC, temos que determinar a magnitude da força, considerando o diagrama abaixo.

Sabemos que quando uma carga infinitesimal dq é feita para fluir a uma velocidade 'v' sob a influência de um campo elétrico E e um campo magnético B, a força de Lorentz dF experimentada pela carga é dada por:

Para a operação do motor DC, considerando E = 0.

Ou seja, é o produto vetorial de dq v e campo magnético B.

Onde, dL é o comprimento do condutor carregando a carga q.

Do primeiro diagrama, podemos ver que a construção de um motor DC é tal que a direção da corrente através do condutor do armadura, em todos os instantes, é perpendicular ao campo. Portanto, a força atua no condutor do armadura na direção perpendicular a ambos, o campo uniforme, e a corrente é constante.

Então, se tomarmos a corrente no lado esquerdo do condutor do armadura como I, e a corrente no lado direito do condutor do armadura como -I, porque estão fluindo em direções opostas uma à outra.

A força no condutor do lado esquerdo do armadura,

De forma semelhante, a força no condutor do lado direito,

Portanto, podemos ver que nessa posição a força em cada lado é igual em magnitude, mas oposta em direção. Como os dois condutores estão separados por alguma distância w = largura da volta do armadura, as duas forças opostas produzem uma força rotacional ou torque que resulta na rotação do condutor do armadura.

Agora, vamos examinar a expressão do torque quando a volta do armadura cria um ângulo α (alfa) com sua posição inicial. O torque produzido é dado por, 

Aqui, α (alfa) é o ângulo entre o plano da volta do armadura e o plano de referência ou a posição inicial do armadura, que aqui está na direção do campo magnético.

A presença do termo cosα na equação do torque bem sinaliza que, diferentemente da força, o torque em todas as posições não é o mesmo. De fato, varia com a variação do ângulo α (alfa). Para explicar a variação do torque e o princípio por trás da rotação do motor, vamos fazer uma análise passo a passo.

Passo 1:

Inicialmente, considerando que o armadura está em seu ponto de partida ou posição de referência, onde o ângulo α = 0.

Como α = 0, o termo cos α = 1, ou o valor máximo, portanto, o torque nesta posição é máximo, dado por τ = BILw. Este alto torque de partida ajuda a superar a inércia inicial de repouso do armadura e o coloca em rotação.

Passo 2:

Uma vez que o armadura se movimenta, o ângulo α entre a posição atual do armadura e sua posição de referência inicial aumenta no caminho de sua rotação até se tornar 90 ^o de sua posição inicial. Consequentemente, o termo cosα diminui, assim como o valor do torque.

O torque neste caso é dado por τ = BILwcosα, que é menor que BIL w quando α é maior que 0 ^o.

Passo 3:

No caminho da rotação do armadura, um ponto é alcançado onde a posição atual do rotor é exatamente perpendicular à sua posição inicial, ou seja, α = 90 ^o, e, como resultado, o termo cosα = 0.

O torque atuando no condutor nesta posição é dado por,

Ou seja, virtualmente, nenhum torque rotativo atua no armadura neste instante. No entanto, o armadura ainda não para, isso ocorre porque a operação do motor DC foi projetada de tal forma que a inércia do movimento neste ponto é suficiente para superar este ponto de torque nulo.

Uma vez que o rotor ultrapassa esta posição, o ângulo entre a posição atual do armadura e o plano inicial diminui novamente e o torque começa a atuar nele novamente.