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Para começar nossos estudos sobre Máquinas Elétricas, vamos introduzir algumas definições e estabelecer alguns princípios básicos do Eletromagnetismo. Cabe ressaltar que existem vários tipos de motores, sendo que neste site estamos interessados nos motores de Corrente Contínua, motores de Indução e nos princípios básicos dos motores Síncronos. A partir do conhecimento destes tipos de motores, fica muito fácil entender os outros tipos existentes, pois quase todos derivam-se de os mencionados acima.

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O estudo do Eletromagnetismo traz consigo uma teoria bastante complexa se desejarmos ser exatos. Por isso, na prática, é desejável tornar o problema mais simples, fazendo algumas simplificações que levem à resultados bastantes satisfatórios e muito próximos dos valores exatos. Assim, por exemplo, no estudo das Máquinas Elétricas, algumas grandezas são tais que o termo da corrente de deslocamento nas equações de Maxwell pode ser desconsiderada sem prejuízo para o resultado final. Este termo leva em conta os campos magnéticos produzidos no espaço por campos elétricos variantes no tempo, e muito associado à produção de ondas eletromagnéticas.

No decorrer deste estudo vamos nos deparar com várias definições e símbolos para designar as variáveis. Assim, segue abaixo uma relação das principais.

Para dar início ao estudo das máquinas elétricas, vamos começar introduzindo o conceito de uma máquina Linear CC, pois segue os mesmos princípios e apresenta o mesmo comportamento dos geradores e motores reais.

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Basicamente, uma máquina linear CC consiste em uma bateria, um resistor e uma chave conectados a um par de trilhos sem atrito. É um dispositivo que converte energia elétrica em energia mecânica através de um processo conhecido como indução eletromagnética. O princípio de funcionamento baseia-se na interação entre o campo magnético e a corrente elétrica que flui na barra condutora, resultando em uma força que impulsiona a barra ao longo dos trilhos. Este fenômeno é descrito pela Lei de Lorentz, que afirma que uma corrente elétrica, quando exposta a um campo magnético, experimenta uma força perpendicular tanto à direção da corrente quanto à do campo magnético. Uma barra de metal condutora está assentada sobre os trilhos, tendo liberdade de movimento ao longo dos trilhos. Um esquema básico dessa máquina é mostrada na Figura 101-01.

A eficiência e o desempenho da máquina linear CC podem ser afetados por diversos fatores, incluindo a resistência interna da bateria e do circuito, bem como a qualidade dos materiais utilizados na construção dos trilhos e da barra condutora. Estudos e experimentos contínuos são realizados para otimizar essas máquinas para diversas aplicações, como sistemas de transporte e atuadores em automação industrial.

O comportamento dessa máquina pode ser determinado a partir da aplicação de quatro equações básicas à máquina. As equações são as seguintes:

eq.   101-01

eq.   101-02

eq.   101-03

eq.   101-04

Usamos essas quatro equações como ferramentas vamos analisar o comportamento básico dessa máquina CC.

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    2.1.1  Dando Partida à Máquina Linear CC

Fechando a chave, estamos aptos a dar a partida a essa máquina. Assim, ao fecharmos a chave, haverá uma corrente fluindo pelo circuito e podemos determinar seu valor empregando a lei de Kirchhoff das tensões, ou seja

Inicialmente, a barra se encontra em repouso, logo ε_ind = 0, e a equação mostrada acima se reduz a I = V / R. Assim, a corrente fluirá para baixo através da barra e fecha o circuito através dos trilhos. Porém, sabemos que uma corrente que circula por um fio condutor imerso em um campo magnético induz uma força no fio, dada pela eq. 101-01. Relembrando, temos:

E essa força está direcionada para a direita. Portanto, pela lei de Newton, a barra acelerará para a direita. Mas, ao acelerar, a barra ganha velocidade e será induzida uma tensão sobre ela. A polaridade positiva da tensão induzida na barra está na parte superior da barra. Assim, a corrente flui pelo circuito no sentido horário. Como vimos no item anterior, a tensão induzida, para o caso da Figura 101-01, é dada pela eq. 101-02. Como a tensão induzida cresce devido ao movimento da barra, analisando a eq. 101-05 concluímos que a corrente pelo circuito decresce. Ao final, como resultado dessa ação, a barra atingirá uma velocidade constante de regime permanente, tal que a força líquida sobre a barra torna-se zero. Isso ocorrerá quando ε_ind tiver crescido até se igualar à tensão da bateria, V. A barra continuará a se deslocar indefinidamente com a velocidade de regime permanente enquanto não houver carga, exceto se alguma força externa venha a perturbá-la.

Esse é precisamente o comportamento observado na partida de motores reais.

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    2.1.2   A Máquina Linear CC como Motor

Vamos assumir que inicialmente a máquina linear está operando em regime permanente sem nenhuma carga agindo sobre ela. Agora vamos imaginar que seja aplicada uma força à barra, que denominamos F_carga, no sentido de se opor ao seu movimento. A aplicação dessa força resultará em uma força líquida sobre a barra com sentido oposto ao do movimento, ou seja, F_liq = F_carga - F_fio. Como consequência, a força fará a barra diminuir sua velocidade. Entretanto, tão logo a barra comece a perder velocidade, a tensão induzida na barra cai e a medida que a tensão induzida diminui, o fluxo de corrente na barra aumenta, conforme a eq. 101-05. Assim, a força induzida na barra também cresce. O efeito total de todos esses eventos é que a força induzida cresce até que se torna igual e oposta à força de carga e a barra começa novamente a se deslocar em regime permanente, mas com uma velocidade menor. Agora, há uma força induzida no sentido de movimento da barra. A potência também está sendo convertida da forma elétrica para a forma mecânica de modo a manter a barra em movimento. E como a potência é convertida da forma elétrica para a forma mecânica, então ela está operando como um motor. Podemos expressar essa potência da seguinte forma:

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Se analisarmos o Problema 101-1 veremos que para produzir forças pequenas, da ordem de 20 N ou 30 N, usamos correntes elétricas de valor apreciável, tais como 30 A, associada a uma tensão elétrica da ordem de 120 V. É claro que podemos aumentar o tamanho do comprimento do fio para obtermos forças maiores. Mas isso implica em aumentarmos o tamanho da máquina, tornando quase inviável seu projeto. Outra opção seria aumentar o campo indução magnético, mas sabemos que os materiais magnéticos usados na construção das máquinas elétricas saturam nas vizinhanças de um campo da ordem de 1 tesla. Logo, não é prático na vida real aumentarmos o campo indução magnético para obtermos forças mais intensas.

Então, uma maneira mais prática é enrolar um longo fio em várias espiras, em um formato cilíndrico e colocá-lo a girar sob a ação de um campo indução magnético de valor mais adequado, sem necessidade do material magnético trabalhar na zona de saturação. Assim, nos dias de hoje, a maioria (mas nem todos) dos motores são no formato cilíndrico, onde facilmente geramos um torque e uma potência que pode ser controlada, seja por meios mecânicos, elétricos ou eletrônicos.

Portanto, nos próximos capítulos abordaremos esse tipo de motor.