Motores Elétricos: Como Funcionam E Sugestões De Possíveis Modificações Para...

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ ESCOLA POLITÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA FÁBIO LEPRE JORGE GUSTAVO SQUILINO ANDOLPHO RICHARD RENAN HOLLEN DIAS VICTOR PIMENTEL ROSA DIOVANY CORSI DE ANDRADE MOTORES ELÉTRICOS: COMO FUNCIONAM E SUGESTÕES DE POSSÍVEIS MODIFICAÇÕES PARA MELHORA DE RENDIMENTO CURITIBA 2012 PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ ESCOLA POLITÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA FÁBIO LEPRE JORGE GUSTAVO SQUILINO ANDOLPHO RICHARD RENAN HOLLEN DIAS VICTOR PIMENTEL ROSA DIOVANY CORSI DE ANDRADE MOTORES ELÉTRICOS: COMO FUNCIONAM E SUGESTÕES DE POSSÍVEIS MODIFICAÇÕES PARA MELHORA DE RENDIMENTO Artigo técnico-científico apresentado à disciplina de Introdução à Engenharia Mecânica do curso de Engenharia Mecânica da Pontifícia Universidade Católica do Paraná para obtenção de nota parcial. CURITIBA 2012 2 MOTORES ELÉTRICOS: COMO FUNCIONAM E SUGESTÕES DE POSSÍVEIS MODIFICAÇÕES PARA MELHORA DE RENDIMENTO ELETRIC ENGINES: HOW IT WORKS AND POSSIBLE SUGESTIONS OF MODIFICATIONS TO IMPROVE THE PRODUCTIVITY Autores: Fábio Lepre Jorge1 Gustavo Squilino Andolpho2 Richard Renan Hollen Dias3 Victor Pimentel Rosa4 Diovany Corsi De Andrade5 Orientador: Valdir José da Silva6 RESUMO Esse trabalho tem como objetivo verificar o funcionamento dos motores elétricos e sugerir, através de inúmeras pesquisas realizadas, melhorias que poderiam ser feitas para otimizar o aproveitamento de energia e rendimento do motor. A metodologia para a elaboração do presente artigo foi a divisão do assunto em quatro objetivos específicos: a importância da substituição dos motores à combustão interna atuais por motores elétricos; partes que compõem um motor elétrico e seu funcionamento; o que pode ser feito para aumentar o rendimento de um motor elétrico e por último exemplos de máquinas onde os motores elétricos já estão sendo usados. O motor elétrico é um equipamento eletromecânico que atualmente já é largamente utilizado (eletrodomésticos, brinquedos elétricos, rádios, etc), e que possui um imenso potencial quase não aproveitado em relação á veículos automotores. Entre suas diversas vantagens a mais notável é a não poluição atmosférica. Pesquisas sobre o tema para a substituição de motores à combustão seriam de grande importância no âmbito global. PALAVRAS-CHAVE: Motores Elétricos, Otimização de Motor, Motor de Corrente Contínua, Motor de Corrente Alternada, Veículos Elétricos e Motor de Indução. 1 Aluno do curso de Engenharia Mecânica da PUCPR; Aluno do curso de Engenharia Mecânica da PUCPR; 3 Aluno do curso de Engenharia Mecânica da PUCPR; 4 Aluno do curso de Engenharia Mecânica da PUCPR; 5 Aluno do curso de Engenharia Mecânica da PUCPR; 6 Professor orientador da matéria de Introdução à Engenharia Mecânica do curso de Engenharia Mecânica da PUCPR 2 3 ABSTRACT This work has the focus to verify the behavior of electric engines and suggest, through of numberless realized researches, improvements that could be done to optimize the use of energy and the productivity of the motor. The methodology that was used to create the present article was the division of the main subject in four specific objectives: the importance of choice electric instead of actual ignition engines; component parts of an electric engine and how they act; what can be done to increase the productivity of an electric engine and, last, examples of machines where electric engines are been used. An electric engine is an electromechanical technology that has been used nowadays in many different types of machines (domestic appliances, electric toys, radios, etc), and has a big potential that has been almost not used in automotive vehicles. Among your many advantages the most remarkable is that this kind of engines does not pollute the air. Researches about the subject to change the ignition motors would be wide important globally. KEY WORDS: Eletric Engines, Improvement of Motors, Direct Current Engine, Alternating Current Engine, Eletric Vehicles and Induction Motors. 4 SUMÁRIO ASSUNTO PÁGINA INTRODUÇÃO...........................................................................................................06 1-IMPORTÂNCIA DA SUBSTITUIÇÃO DE MOTORES A COMBUSTÃO ATUAIS POR MOTORES ELÉTRICOS...................................................................................07 2- COMO FUNCIONAM OS MOTORES ELÉTRICO E SEUS COMPONENTES....08 3- O QUE PODE SER FEITO PARA AUMENTAR O RENDIMENTO DE UM MOTOR ELÉTRICO.................................................................................................................16 4- EXEMPLOS DE ONDE MOTORES ELÉTRICOS ESTÃO SENDO USADOS.....22 CONCLUSÃO............................................................................................................24 REFERÊNCIAS……………………………………………………………………………25 5 INTRODUÇÃO Segundo a termodinâmica, a entropia de todos os corpos tende aumentar. Entropia é a medida de desordem de um sistema físico, ou seja, a energia está cada vez se tornando mais indisponível para ser utilizada pelo ser humano. Devido a isso, é necessário o desenvolvimento de máquinas que dissipem a menor quantidade de energia possível (rendimento máximo). Motores são máquinas com a função de transformar determinado tipo de energia (química, elétrica, etc) em energia de mecânica de movimento. Nesse processo parte da energia disponível é perdida. Hoje em dia diversas empresas e governos destinam enormes quantias de dinheiro para o desenvolvimento de motores que possuam um rendimento maior, justificando a importância do assunto. Tecnologias não poluentes é outro ponto amplamente debatido atualmente devido a constante abordagem na mídia de temas como o aquecimento global e o derretimento das calotas polares. É necessária a criação de equipamentos que não agridam o meio ambiente e, em muitos casos, ajudem a reduzir a quantidade de gases nocivos na atmosfera. Dentro desse quadro de insatisfação apontado e de “solo fértil“ para novas tecnologias não poluentes decidimos, após diversas pesquisas, abordar o tema motores elétricos e o que pode ser feito para melhorar o seu rendimento elétrico. O tema de motores elétricos em si já é uma das soluções para os problemas vividos atualmente, porém mesmo estes necessitam de melhoramentos para que, através de aperfeiçoamentos constantes, se tornem cada vez melhores para o meio ambiente e para as vidas das pessoas. 6 1- IMPORTÂNCIA DA SUBSTITUIÇÃO DE MOTORES A COMBUSTÃO ATUAIS POR MOTORES ELÉTRICOS Com a crescente necessidade de se conseguir equipamentos e maquinas mais ecologicamente aceitáveis os motores elétricos são bastante usados na substituição dos motores a combustão interna, normalmente utilizados em veículos atualmente ,isso se da pelo fato de que esses motores não produzem resíduos ou gases tóxicos ao meio ambiente, por sua vez sendo quase que ideais para preservação da atmosfera, outra vantagem é que são relativamente pequenos permitindo carros mais compactos e com mais aproveitamento do espaço do carro para outros sistemas ,como por exemplo sistemas de segurança. Os problemas dessa substituição são que motores elétricos não tem a potencia necessária para igualar com as dos motores a combustão e tem um tempo limitado de uso ,pois suas baterias não duram longos períodos de tempo e para durarem precisam ser grandes e pesadas ,outra desvantagem é que para recarregar demoram horas oque deixa pouco prática a utilização exclusiva desses motores ,tendo normalmente um motor a combustão como principal e motores elétricos como apoio em um veículo. Na figura 1-1 podemos visualizar uma comparação entre motores elétricos e á gasolina. Podemos notar que os motores elétricos fazem menos quilômetros por gasolina e demoram mais para recarregar, principais fatores que fazem com que essa tecnologia fique “longe das ruas” por enquanto. Figura 1-1 Título: Motores elétricos vs á gasolina; Fonte: HYBRID CARS. Disponível em:http://www.hybridcars.com/electric-car. Acesso em 21 de novembro de 2012. 7 2- COMO FUNCIONAM OS MOTORES ELÉTRICO E SEUS COMPONENTES A maior parte dos eletrodomésticos, brinquedos a pilha e equipamentos elétricos que nos cercam possuem motores elétricos, tal fato pode ser confirmado por uma afirmação no site HowStuffWorks, que diz que “Em sua casa, praticamente tudo que se move devido à eletricidade usa um motor elétrico CA (corrente alternada) ou CC (corrente contínua)” (HOWSTUFFWORKSa). Devido a isso, é interessante que entendamos como um motor elétrico funciona, bem como para que servem os seus componentes. Segundo a lei de Lavoisier7: na natureza nada se cria e nada se perde, tudo se transforma. Seguindo essa linha de raciocínio e tendo em mente que um motor é um “transformador de tipo de energia”, motor elétrico é um equipamento de trabalho que converte energia elétrica em energia mecânica de rotação. A maior parte dos motores desse tipo opera através de interações entre campos magnéticos provenientes de imãs e condutores - em formato de solenoides e bobinas- para gerar força. De acordo com o site Brasil Escola: O funcionamento dos motores elétricos está baseado nos princípios do eletromagnetismo, mediante os quais, condutores situados num campo magnético e atravessados por corrente elétrica, sofrem a ação de uma força mecânica, força essa chamada de torque (BRASIL ESCOLA). Dentre os diversos tipos de motores elétricos os principais são os de corrente contínua e de corrente alternada, portanto apenas esses serão profundamente abordados no presente artigo. Um motor de corrente contínua deve ser alimentado por uma tensão contínua. Essa tensão pode ser proveniente de pilhas ou baterias caso o motor seja de pequeno porte ou de rede alternada após retificação, normalmente em motores grandes. Um motor elétrico é composto de duas partes fundamentais: o estator, que é tudo aquilo fixado na carcaça do motor e o rotor, parte interna ao estator que constitui os elementos alocados em torno do eixo (Figura 2-1). 7 Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) foi um célebre francês que dedicou grande parte da sua vida à química. É conhecido como o introdutor da Química Moderna. 8 Figura 2-1 Título: Visão geral de um motor de corrente contínua; Fonte: Blog 100porcentoeletricista. Disponível em: http://100porcentoeletricista.motoreletrico.zip.net/. [Acesso em 20 de novembro de 2012]. Noll afirma que o rotor é composto de: eixo da armadura, parte responsável pela transmissão de energia mecânica para fora do motor, pelo suporte dos elementos internos do rotor e pela fixação ao estator, por meio de rolamentos e mancais; núcleo da armadura, que é composta de lâminas – normalmente de Fe-Si isoladas entre si, com ranhuras axiais na sua periferia para a colocação dos enrolamentos da armadura; enrolamento da armadura, que são bobinas isoladas umas das outras e eletricamente ligadas ao comutador; e o comutador, que se consiste de uma anel com segmentos de cobre isolados entre si, e eletricamente conectados às bobinas do enrolamento da armadura (NOLL, p.1). Segundo o mesmo autor, o estator sendo a parte “de fora” do motor, é composto de: carcaça, que tem a função de dar suporte ao rotor, aos pólos e de fechamento de caminho magnético; enrolamento de campo, que são bobinas que geram um campo magnético intenso nos pólos; pólos que distribuem o fluxo magnético produzido pela bobinas de campo e escovas, que são barras de carvão e grafite que estão em contato permanente com o comutador, sendo que essa última não é utilizada em motores brushless(não escovados)(NOLL, p.2). A figura 2-2 na página seguinte mostra estas partes supracitadas e as suas respectivas localizações internamente em um motor elétrico. 9 Figura 2-2 Título: Componentes internos de um motor de corrente contínua e a representação de um motor; Fonte: NOLL, p.3 Em alguns motores a bobina de armadura está no estator e as bobinas de campo no rotor, existem outros ainda que não possuem bobinas de armadura. Embora tenham essas diferenças o funcionamento é, a princípio, o mesmo. A figura 2-3 pode nos auxiliar a entender mais precisamente o funcionamento de um motor elétrico de corrente contínua. Figura 2-3 Título: Funcionamento de um motor escovado (com escovas) de corrente contínua; Fonte: MORELATO, p. 146 A figura 2-3 ilustra um motor de corrente contínua extremamente simples, o qual o estator se consiste em dois imãs de polos opostos e na armadura existe apenas uma espira - no caso de motores mais potentes utilizam-se bobinas com diversas voltas. O seu funcionamento se baseia em um dos princípios do eletromagnetismo que diz que “uma corrente elétrica que atravessa uma bobina (ou no caso uma espira) cria um fluxo eletromagnético”, isso faz com que um lado do fio 10 condutor possua polo positivo e o outro polo negativo. O polo norte da espira e atraído pelo polo sul do imã, fazendo o eixo entrar em rotação. Porém note que quando o eixo gira 90º os segmentos do comutador, ao girarem, perdem o contato com a escova de antes e passam a fazer contato com a outra escova, invertendo o fluxo da corrente e consequentemente os polos da espira. Esse procedimento ocorre centenas ou até milhares de vezes por minuto, de acordo com a velocidade de rotação do motor e devido a ele que o motor funciona. A figura 2-4 pode nos auxiliar a ter a visão do eixo girando devido à inversão de polaridade no fio condutor. Figura 2-4 Título: Rotação do eixo de um motor elétrico por causa da mudança de polaridade; Fonte: Mecaweb. Disponível em: http://mecaweb.com.br/eletronica/motores/motorcc_2.php. [Acesso em 21 de novembro de 2012]. Motores de corrente alternada, ao contrário do supracitado, deve ser utilizado em tensão variável. Assim, ocorre a troca constante do sentido da corrente elétrica. Noll afirma sobre o resultado da inversão de corrente desse tipo de motor: Neste tipo de motor, o fluxo magnético do estator é gerado nas bobinas de campo pela corrente alternada da fonte de alimentação monofásica ou trifásica, portanto trata-se de um campo magnético cuja intensidade varia continuamente e cuja polaridade é invertida periodicamente (NOLL, p.11). 11 Esse tipo de motor baseia seu funcionamento no princípio de “campo girante”, como será explicado. Os motores elétricos de corrente alternada são subdivididos em dois tipos, motores síncronos e assíncronos. Nos motores síncronos, o rotor é constituído por um ímã permanente ou bobinas alimentadas em corrente contínua através de anéis coletores. Desse modo, o rotor gira com uma velocidade que é diretamente proporcional á frequência da corrente elétrica no estator. Devido a esse fato que motores possuem esse nome. Eles literalmente operam em sincronia com o sistema de alimentação. A figura 2-5 pode nos fornecer uma visão o funcionamento de um motor síncrono. Figura 2-5 Título: Funcionamento de um motor síncrono Fonte: Feira de Ciências. Disponível em: http://www.feiradeciencias.com.br/sala22/motor_teoria1.asp. Acesso em 21 de novembro de 2012 Observando a figura notamos que o rotor é um imã permanente que se localiza entre dois eletroímãs estacionários. Como a corrente inverte de sentido os eletroímãs invertem suas polaridades, “puxando” e “empurrando” o rotor em perfeita sincronia com as reversões da corrente alternada. Os motores assíncronos, ou de indução, funcionam com certa semelhança em relação aos síncronos, pois para que ocorra torque eletromecânico no rotor é necessário que existam no estator bobinas fixas. Existem dois tipos de motores de indução: com rotor bobinado ou com rotor em gaiola, porém apenas o de gaiola que será abordado, pois é o mais empregado atualmente. A diferença do motor com 12 sincronia (síncrono) e do assíncrono se encontra no fato de que nesse o rotor passa a ser um cilindro metálico na forma de “gaiola” (figura 2-6). Figura 2-6 Título: Rotor de um motor assíncrono de indução(formato de gaiola); Fonte: NOLL, p. 12. O campo magnético variável no estator cria correntes senoidais nos condutores da gaiola. Segundo Noll, “estas correntes induzidas, por sua vez, criam um campo magnético no rotor que se opõe ao campo indutor do estator (Lei de Lenz). Como os polos de mesmo nome se repelem, então há uma força no sentido de giro no rotor” (NOLL, p.9). Segundo Morelato, a gaiola possui aros metálicos na tampa e na base para curto-circuitar as varetas e permitir a circulação de correntes por elas, fazendo com que seja criado o campo no rotor (MORELATO, p. 137). Devido ao fato de o rotor girar com á uma velocidade pouco menor do que a corrente de campo, diz-se que esse motor é assíncrono (sem sincronia). Uma característica interessante dos motores assíncronos é que eles não conseguem partir. Segundo Noll, “as forças que atuam nas barras curto-circuitas se opõem uma à outra, impedindo o giro” (NOLL, p. 12). Para solucionar o problema utiliza-se uma bobina com um campo auxiliar, que cria um campo magnético auxiliar para a partida. Uma última característica a ser levada em conta é a quantidade de fases de um motor de corrente alternada, podendo ser monofásico ou polifásico (no geral trifásico). Os motores monofásicos (figura 2-7) têm esse nome pois são ligados á rede monofásica. Só servem para ser usados em baixas potências. Os motores polifásicos (figura 2-8), por outro lado, é ligado às redes de distribuição elétrica e apresenta as vantagens de possuir um arranque fácil. Este é utilizado apenas em 13 potências superiores a 2 KW. Esses são o tipo de motor de indução empregado em carros e indústrias. Figura 2-7 Título: Motor de indução monofásico; Fonte: NOLL, p. 12. Figura 2-8 Título: Motor de indução trifásico; Fonte: MORELATO, p. 138. De modo geral, o motor de indução é o tipo de motor elétrico mais utilizado sendo largamente usado em eletrodomésticos (ventiladores, motores de rádio, etc). É também amplamente usado em instalações industriais devido à sua simplicidade, resistência e baixa necessidade de manutenção. Por último, já que o capítulo abordou bastante coisa sobre motores elétricos, é útil que expliquemos, mesmo que suscintamente, como esses motores devem ser ligados á carros elétricos – já que esses também são objeto de estudo de nossa pesquisa. Caso o motor instalado seja CC, deve utilizar tensão entre 96 e 192 v. Motores CC possuem a característica de poderem operar com sobrecarga por curtos períodos e, por causa disso são utilizados em empilhadeiras. Um potenciômetro deve ser conectado a um regulador (controlador) de corrente contínua, que tem a função de entregar a quantidade de tensão desejada para o motor. Ele executa essa função pulsando o motor (ligando e desligando) para entregar a quantidade de energia necessária. Para utilizar corrente contínua em um motor de carro elétrico é necessário um regulador que converta a corrente que chega em corrente alternada e 14 transmita-a para o motor. A figura 2-9 ilustra a configuração da instalação de um motor CC em uma empilhadeira. Figura 2-9 Figura 2-10 Título: Esquema de funcionamento de um motor CC de uma empilhadeira Fonte: HOWSTUFFWORKSb Título: Motor CA e o modo de conectá-lo em um carro elétrico Fonte: HOWSTUFFWORKSb Em um motor de corrente contínua a tarefa do regulador CA é um pouco mais complicada. “O regulador cria três ondas pseudo-senoidais. Ele faz isso recebendo a voltagem CC das baterias e pulsando-a em ligado e desligado” (HOWSTUFFWORKSb). Isso ocorre porque um regulador CA necessita inverter o fluxo da corrente. Podemos visualizar como conectar um motor de corrente contínua em um carro através da figura 2-10. 15 3- O QUE PODE SER FEITO PARA AUMENTAR O RENDIMENTO DE UM MOTOR ELÉTRICO Colocando um inversor de frequência poderá variar a rotação, por exemplo, colocando 120HZ você terá 3600 RPM no motor, tendo um aumento considerável na potencia do motor. Usar imãs com grandes capacidades de magnetismo. Um cuidado a ser tomado é com os mancais. Como eles são projetados para a rotação nominal se você colocar uma rotação muito alta você poderá aquece - lós e danificalos. Com o avanço dos computadores e transistores de potência, tornou-se possível "colocar o motor para fora" e eliminar as escovas. Em um motor CC sem escovas (BLDC), você coloca os ímãs permanentes no rotor e transfere os eletroímãs para o estator. Dessa forma, é possível utilizar um computador (conectado a transistores de potência) para energizar os eletroímãs enquanto o eixo gira. Esse sistema traz várias vantagens, como, em vez de escovas mecânicas, é um computador que controla o motor, ele é mais preciso. O computador também pode controlar a velocidade do motor na equação, deixando os motores sem escovas mais eficientes, desta maneira não há faíscas e muito menos ruído elétrico, não há escovas para se desgastarem e com os eletroímãs no estator8, eles são refrigerados com mais facilidade e é possível ter vários eletroímãs no estator para aumentar a precisão do controle, segundo site ”a única desvantagem de um motor sem escovas é seu maior custo inicial, mas normalmente dá para recuperar esse custo devido a maior eficiência obtida durante a vida do motor” (blogmail.com.br/carro-eletrico-volvo-em2012/). O motor elétrico pode ser aplicado em muitas áreas, por exemplo, nos automóveis, conforme mostra a figura 3-1, instalado na dianteira, tem potência equivalente a 110 cv. Permite acelerar com consistência – a Volvo divulga 0 a 100 km/h em 11 segundos e máxima de 130 km/h. 8 Estator é a parte de um motor ou gerador elétrico que se mantém fixo à carcaça e tem por função conduzir o fluxo magnético, nos motores para rotacionar e nos geradores para transformar a energia cinética do induzido. 16 Figura 3-1 Titulo: Carro elétrico da Volvo tração dianteira Fonte: Disponível em: uol.com.br/meio-ambiente/album/2012/06/07/rio20-energia.htm. Acesso em 22 de novembro de 2012 O segredo está em aproveitar o sistema de recuperação de energia para recarregar as baterias. Ao tirar o pé do pedal da direita, ocorre forte desaceleração, é o processo de recuperação. Usando-o bem, quase não se precisa dos freios “normais”, o que significa poupar energia. Os carros com motores elétricos são mais leves, reduzem o peso do veículo, aumentam a economia das baterias e consequentemente há um ganho na velocidade. Os faróis dianteiros utilizam LEDS de baixíssimo consumo, que possibilita maior economia das baterias. Os vidros traseiros são mais escuros que o normal para oferecer menor incidência de calor dentro do veículo. O painel de instrumentos possui um display ECO, que mostra como os vários agentes podem afetar o consumo de eletricidade, como o desembaçador traseiro. Ao entrar para dirigir, coloca-se a chave na ignição e gira-se a chave para a posição "ligado". Depois, posiciona-se a alavanca em "drive" (marcha à frente), pisase no acelerador e o carro anda com o desempenho de um carro a gasolina. Conheça algumas informações interessantes sobre esse carro:  A sua autonomia é de cerca de 80 km.  Ele vai de 0 a 100 km/h em cerca de 15 segundos.  São necessários cerca de 12 quilowatts/hora de eletricidade para carregar o carro após rodar 80 km.  As baterias pesam em torno de 500 kg e duram de 3 a 4 anos. 17 Aqui está um exemplo que compara o custo por quilômetro do carro a gasolina com o deste carro elétrico. Se o custo da eletricidade é de R$ 0,50 por quilowatt/hora, isso significa que para uma recarga completa teremos um custo de R$ 6. O custo por quilômetro, então, é de cerca de R$ 0,075. Fica claro que o "combustível" dos veículos elétricos custa muito menos por quilômetro rodado do que o da gasolina. Para muitos, a autonomia de 80 km não se apresenta como fator limitante um motorista que mora na cidade ou nos arredores, raramente dirige mais do que 50 ou 60 quilômetros por dia. No entanto, afirma o site UOL, “para que a nossa análise seja rigorosamente justa, precisamos incluir o custo de reposição das baterias no cálculo. Por enquanto, elas são o ponto fraco dos carros elétricos” (carros. hsw.uol.com.br/carroseletricos.htm). A reposição de baterias para este carro fica em torno de R$ 4 mil. Elas durarão cerca de 30 mil quilômetros, o que dá em torno de R$ 0,15 por quilômetro. Agora fica fácil entender porque existe tanto interesse nas células a combustível. Elas seriam uma solução para o problema das baterias. Neste carro, o regulador recebe 300 volts CC das baterias. Depois, converteos em um máximo de 240 volts CA, trifásica, para enviar para o motor. Isso é feito através de grandes transistores, que rapidamente ligam e desligam a voltagem das baterias para gerar uma onda senoidal. Quando o acelerador é pressionado, um cabo do pedal se conecta com estes dois potenciômetros: Figura 3-2 Titulo: Os potenciômetros9 ligados ao acelerador Fonte: Disponível em: http://carros.hsw.uol.com.br/carros-eletricos.htm. Acesso em 22 de novembro de 2012 9 Potenciômetro é um componente eletrônico que possui resistência elétrica ajustável. Geralmente, é um resistor de três terminais onde a conexão central é deslizante e manipulável. Se todos os três terminais são usados, ele atua como um divisor de tensão. 18 O sinal dos potenciômetros diz ao regulador quanta energia deve ser entregue para o motor elétrico do carro. Por medida de segurança, há dois potenciômetros. O regulador lê ambos e se assegura de que os sinais são iguais. Se não forem, o regulador não opera. Esse arranjo é para segurança, ao prevenir a situação em que um potenciômetro prenda na posição de aceleração máxima. Figura 3-3 Título: Cabos que conectam a bateria ao regulador Fonte: HOWSTUFFWORKS. Disponível em: http://carros.hsw.uol.com.br/carros-eletricos.htm. Acesso em 20 de novembro de 2012 A tarefa do regulador em um carro elétrico CC é fácil de entender. Vamos supor que o painel tenha 12 baterias de 12 volts, ligadas em série para criar 144 volts. O regulador recebe 144 volts CC e entrega-os ao motor de forma controlada. O regulador CC mais simples seria um grande interruptor liga/desliga conectado ao pedal do acelerador. Ao se pressionar o pedal, o interruptor ligaria, e ao se retirar o pé, desligaria. O motorista teria que pressionar e soltar o acelerador para pulsar o motor, ligando e desligando o interruptor para manter uma dada velocidade. Obviamente, esse sistema "liga/desliga" funcionaria, mas seria muito difícil de dirigir um carro assim. Sendo assim, o regulador pulsa o motor para o motorista, lendo a situação do pedal do acelerador através dos potenciômetros e regulando a energia adequadamente. Digamos que o acelerador esteja pressionado até a 19 metade, o regulador lê esta posição através do potenciômetro e rapidamente liga e desliga a energia para motor, de forma que ele fique ligado metade do tempo e desligado na outra metade. Se o acelerador estiver pressionado a 25%, o regulador pulsa a energia de forma que o motor permaneça ligado em 25% e desligado em 75% do tempo. A maioria dos reguladores pulsa mais de 15 mil vezes por segundo, de maneira a manter a pulsação fora dos limites da audição humana. A corrente pulsante faz com que a carcaça do motor vibre na mesma frequência, assim, ao pulsar a mais de 15 mil ciclos por segundo, o regulador e o motor tornam-se silenciosos ao ouvido humano. Em um regulador CA, a tarefa é um pouco mais complicada, mas é a mesma ideia básica. O regulador cria três ondas pseudo-senoidais. Ele faz isso recebendo a voltagem CC das baterias e pulsando-a em ligado e desligado. Em um regulador CA, há a necessidade adicional de inverter a polaridade da voltagem 60 vezes por segundo. Além disso, são necessários seis conjuntos de transistores em um regulador CA, enquanto somente um é necessário em um regulador CC. No regulador CA para cada fase é necessário um conjunto de transistores que pulse a tensão e outro conjunto para inverter a polaridade. Duplicando isso três vezes por três fases teremos seis conjuntos de transistores. Agora abordando outros tipos de motores elétricos além dos de automóveis podemos destacar algumas melhorias. Para aumentar rendimento de motores de indução assíncronos podemos aumentar a frequência ( reduz o troque de partida) e diminuir o numero de polos magnéticos Para motores de indução monofásicos, por terem somente uma fase de alimentação, não possuem um campo girante como os motores trifásicos, mas sim um campo magnético pulsante. Isto impede que tenham torque de arranque, tendo em conta que no rotor se induzem campos magnéticos alinhados com o campo do estator. Para solucionar o problema de arranque utilizam-se rolamentos auxiliares, que são dimensionados e posicionados de forma a criar uma segunda fase fictícia, permitindo a formação do campo girante necessário para o arranque. Já para motores de fase dividida possuem rolamento principal e um auxiliar. A função do auxiliar é produzir torque inicial para rotação e aceleração do motor, 20 depois disso ele é desligado. Esse meio é bom pois faz com que o rolamento principal use menos energia pra manter a rotação. Além das melhorias citadas o que também pode influenciar no rendimento é manter em bom estado o motor fazendo diversas manutenções como engraxar o motor. Outro atenuante que podemos observar é que quanto melhor condutor o material por onde passará a corrente, menos perda energética haverá. 21 4- EXEMPLOS DE ONDE MOTORES ELÉTRICOS JÁ ESTÃO SENDO USADOS Os motores elétricos já se constituem componentes importantes para as nossas vidas e, por mais que nunca tenhamos percebido, são usados em diversos aparelhos de nossas casas. Há motores no exaustor que fica sobre o fogão, no forno de micro-ondas, em batedeiras, abridores de latas elétricos, em alguns relógios, em serras e furadeiras elétricas, em geladeiras e freezers, em escovas de dente elétricas e barbeadores elétricos, em secadores de cabelos, aspiradores de pó, lava-roupas e secadoras. Se tratando de carros que é um dos subtemas de nosso trabalho, mesmo nos de combustão interna, os motores elétricos estão presentes. Nos vidros elétricos, no aquecedor, no motor de partida e até em antenas elétricas de alguns veículos. Passando agora para a parte de carros movidos através de motores elétricos, propriamente ditos, muitas pesquisas e inovações estão sendo feitas em veículos elétricos. O veículo elétrico é um tipo de veículo que utiliza propulsão por meio de motores elétricos. É composto por um sistema primário de energia, uma ou mais máquinas elétricas e um sistema de acionamento e controle de velocidade ou binário. Os veículos elétricos fazem parte do grupo dos veículos denominados ZeroEmissões, que por terem um meio de locomoção não poluente não emitem quaisquer gases nocivos para o ambiente, nem emitem ruído considerável pois são bastante silenciosos. A fabricação desses veículos em países como Estados Unidos e Japão partiu da indústria automobilística, que estava preocupada com o avanço do preço do petróleo. Já no caso do Brasil, a iniciativa está sendo dada pelas próprias usinas hidrelétricas, lideradas pela Itaipu, que apresentou o protótipo do Palio elétrico em junho de 2006. Desde então, mantém parcerias para o desenvolvimento de veículos e equipamentos de energia limpa. Dentre os veículos elétricos fabricados atualmente, alguns são Tesla Roadster, Tesla Model S, Lightning GT, Nissan Leaf, Venturi Astrolab e Chevrolet Volt. Existem também diversas pesquisas em protótipos, como o Fiat Palio elétrico (figura 4-1), o Eliica (figura 4-2) e o Tesla Model X (figura 4-3). 22 Figura 4-1 Título: Fiat Palio elétrico Fonte: AUTOPAN. Disponível em: http://autopancarros.blogspot.com.br/2010/11/ tecnologia-hibrida-para-automoveis.html. Acesso em 21 de novembro de 2012 Figura 4-2 Título: Eliica Fonte: ICBR(Instituto de Concessionárias do Brasil. Disponível em: http://www.icbr.com.br/F rmNoticia.aspx?id=518. Acesso em 21 de novembro de 2012 Figura 4-3 Título: Tesla Model X Fonte: HybridCars. Disponível em: http://www.hybridcars.com/news/tesla-model-x-reservations-hit500-24-hours-38538.html. Acesso em 21 de novembro de 2012 23 CONCLUSÃO Apesar de a tecnologia de motores elétricos estar amplamente integrada em nosso dia-a-dia, poucas pessoas conhecem os princípios de funcionamento desses equipamentos. Os motores elétricos mais usados são de dois tipos: de corrente contínua e corrente alternada. Os de corrente contínua funcionam da indução magnética que os imãs (ou bobinas) do estator criam sobre os imãs do rotos. Para que o motor CC complete o seu ciclo é necessário um componente chamado comutador, que se consiste de duas placas de cobre que não se tocam e, a cada giro de 90º do eixo do motor, trocam a escova a qual fazem contato, invertendo a corrente que passa pelas bobinas da armadura do rotor e, consequentemente, os polos do rotor. Já os motores elétricos de corrente alternada, por serem ligados em corrente que inverte o sentido, não têm a necessidade de comutadores. A própria inversão do sentido da corrente faz com que o campo eletromagnético do estator varie, induzindo trocas constantes de carga no rotor e, assim sendo, resultando no giro do eixo do motor. Os motores CA podem ser subdivididos em síncronos ( cuja velocidade de rotação do rotor acompanha a frequência da corrente elétrica no estator) e assíncronos ou de indução, onde o rotor possue o formato parecido com uma “gaiola de hamster”. O motor de indução funciona através da indução constante do sentido das correntes elétricas nas grades dessa “gaiola” que, por sua vez, criam um campo magnético no rotor, gerando uma força de torção que faz o eixo rotacionar. Motores elétricos seriam muito eficientes para o combate do aquecimento global do planeta, mas como todos os equipamentos mecânicos, necessitam de melhoras constantes para que possam progredir cada vez mais em sua ajuda no combate aos gases nocivos. Modos de otimizar o rendimento de motores elétricos e, assim, melhorar o aproveitamento de energia são: substituir motores sem escovas por escovados, engraxar bem os componentes mecânicos, estipular uma taxa adequada de frequência para a corrente que passa pelo estator dos motores elétricos de indução de carros elétricos, entre uma série de outras medidas. 24 REFERÊNCIAS HYBRID CARS - Electric Cars: A Definitive Guide [online]. Disponível em: http://www.hybridcars.com/electric-car. Acesso em 21 de novembro de 2012; BRAIN, M. HOWSTUFFWORKSa – Como Funcionam os Motores Elétricos [online]. Disponível em: http://ciencia.hsw.uol.com.br/motor-eletrico.htm. Acesso em 20 de novembro de 2012; AURÉLIO, M. BRASILESCOLA – Eletricidade: Acionamento de Motores Elétricos [online]. Disponível em: http://www.brasilescola.com/fisica/eletricidade-acionamentomotores-eletricos.htm. Acesso em 20 de novembro de 2012 ; 100PORCENTOELETRICISTA – Motor Elétrico [online]. Disponível em: http://100porcentoeletricista.motoreletrico.zip.net/. Acesso em 20 de novembro de 2012; NOLL, V. Apostila de Motores Elétricos. Curso Pós-Técnico em Automação Industrial. CEFET-SC. Disponível em: http://www.ebah.com.br/motores-eletricosautomacao-industrial-pdf-a15112.html Acesso em: 20 de novembro de 2012; MORELATO FRANCA. Apostila de Motores Elétricos de Corrente Contínua e Universal. Disponível em: http://www.cpdee.ufmg.br/~gbarbosa/Disciplina%20de% 20M%E1quinas%20El%E9tricas/Disciplina%20de%20M%C3%A1quinas%20El%C3 %A9tricas/motor_cc.pdf. Acesso em 20 de novembro de 2012; MECAWEB – Motor de Corrente Contínua (CC) [online]. Disponível em: http://meca web.com.br/eletronica/motores/motorcc_2.php. Acesso em 21 de novembro de 2012; FEIRA DE CIÊNCIAS – Motores Elétricos [online]. Disponível em: http://www.feirade ciencias.com.br/sala22/motor_teoria1.asp. Acesso em 21 de novembro de 2012 BRAIN,M. HOWSTUFFWORKS – Como Funcionam os Carros Elétricos [online]. Disponível em: http://carros.hsw.uol.com.br/carros-eletricos.htm. Acesso em 20 de novembro de 2012 WEG: Apostila de Motores Elétricos Síncronos. Motores Síncronos. Disponível em: http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-motores-sincronos-artigo-tecnicoportugues-br.PDF. Acesso em 21 de novembro de 2012 MENDONÇA, V. FOLLORSCIENCE – Motor Monofásico: Funcionamento Básico [online]. Disponível em: http://www.followscience.com/content/motor-monofco-func ionamento-bco-77798. Acesso em 21 de novembro de 2012. 25 TIRABOSCHI, J. GALILEU – Carro Inteligente [online]. Disponível em: http://revistag alileu.globo.com/Galileu/0,6993,ECT967389-3563,00.html. Acesso em 20 de novembro de 2012 BRAGA, N. O Que São e Como Funcionam os Potenciômetros Digitais [online]. Disponível em: http://www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/115. Acesso em 20 de novembro de 2012 MBT- Conhecendo os Inversores [online]. Disponível em: http://www.mbtenergia.c om.br/conh.inversor.htm. Acesso em 20 de novembro de 2012 26