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As máquinas CC são como as máquinas AC no sentido que elas contêm tensões e correntes AC em seu interior. As máquinas CC possuem uma saída CC por que existe um mecanismo, chamado comutador, que converte as tensões AC internas em tensões CC nos terminais de saída. Já estudamos o comportamento de uma máquina no capítulo 76 em 5.1 - Gerador de Energia Elétrica CC (clique aqui!). Naquele momento, usamos como exemplo uma máquina formada por uma única espira. Porém, em uma máquina real temos inúmeras espiras formando uma bobina que estará alojada em ranhuras de um cilindro, formado por diversas lâminas justapostas de ferro silício, constituindo um núcleo ferromagnético. Esse cilindro, denominado rotor, possui várias ranhuras para alojar várias bobinas que formam o chamado enrolamento de armadura. As extremidades de todas as bobinas são conectadas ao comutador. E as escovas estão em contato direto com o comutador, sendo responsáveis pelo fluxo de corrente dentro da máquina.

Na Figura 102-01 vemos as várias partes que compõem um motor CC, exceto as escovas. Observe que o rotor fica centrado dentro da máquina e apoiado em rolamentos para que possa girar livremente com o menor atrito. Circundando o rotor se encontra o chamado estator, onde estão posicionados os polos de campo encarregados de produzir o campo magnético necessário para o perfeito funcionamento da máquina. Na foto acima, temos um par de polos. A construção da máquina providencia que enquanto um dos polos é norte, o outro será sul, alternadamente. Dessa forma, em uma máquina, seja CC ou AC, devemos sempre ter um número par de polos, como 2, 4, 6, etc ... Assim, muitas vezes se fala em um número de par de polos. Podemos ter 1 par de polo, 2 pares, 3 pares, etc ...

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3.   Comutação em uma máquina CC

A comutação é o processo mais crítico no projeto e funcionamento das máquinas CC. Para estudarmos esse processo de converter tensões e correntes AC em correntes e tensões CC na armadura de uma máquina CC, vamos analisar o processo em um projeto simples de uma máquina CC para determinarmos como ocorre o processo de comutação e quais problemas estão envolvidos nesse processo. Vamos supor uma máquina que possua quatro espiras completas alojadas em quatro ranhuras abertas no aço laminado do seu rotor. A máquina possui dois polos, como pode ser vista na Figura 102-02. A figura mostra a posição do rotor quando ω t = 0°.

Note que as faces dos polos são curvas, acompanhando a curvatura do rotor, havendo entre eles um pequeno gap de ar no entreferro. Mantendo um gap uniforme, obtemos uma densidade de fluxo magnético homogêneo em todos os pontos debaixo das faces dos polos. A Figura 102-02 também mostra que as espiras da máquina estão alojadas de forma especial nas ranhuras. Para cada espira, o lado da espira sem a marca de linha (' ) é o condutor que está na parte mais externa da ranhura, ao passo que o lado com a marca de linha (' ) é o condutor que está na parte mais interna da ranhura diametralmente oposta. As ligações dos enrolamentos com o comutador da máquina estão mostradas na Figura 102-04. Observe que a espira 1 estende-se entre os segmentos a e b do comutador, a espira 2 estende-se entre os segmentos b e c e assim por diante em torno do rotor.

As ligações dos enrolamentos com o comutador em uma máquina real pode ser vista na Figura 102-03.

No instante mostrado na Figura 102-04, os lados 1, 2, 3' e 4' das espiras estão debaixo da face do polo norte, ao passo que os lados 1', 2', 3 e 4 das espiras estão debaixo da face do polo sul. A tensão em cada um dos lados 1, 2, 3' e 4' das espiras é dada pela eq. 102-01 com o positivo voltado para fora da página.

Neste momento, fazemos uma pausa para explicitar o que acontece em um condutor quando este movimenta-se sob a influência de um campo indução magnético, B, constante.

O campo elétrico, por sua vez, dá origem a uma diferença de potencial elétrico entre as duas extremidades do condutor em movimento. Então podemos escrever:

Podemos analisar qual a tensão gerada no enrolamento da armadura quando o rotor está na posição ω t = 0°. Para isso, vamos nos basear na Figura 102-05, onde é mostrado a posição das escovas em relação ao comutador. Observe que a escova está no centro do comutador não colocando nenhum enrolamento em curto-circuito. Logo, a tensão que vamos obter nas escovas é a soma das tensões obtidas pelos quatro enrolamentos superiores. Como cada enrolamento produz uma tensão igual a e, então os quatro enrolamentos em série produzirão uma tensão terminal E_A igual a 4 e. Para o caso dos quatro enrolamentos inferiores temos a mesma situação. Assim, os dois conjuntos de enrolamentos estão na configuração paralelo.

Como o rotor está girando, enquanto a escova permanecer em contato com um único elemento do comutador, na saída teremos a tensão 4 e. Mas, o que acontece com a tensão gerada se as escovas estiverem em contato com dois elementos adjacentes do comutador? Este caso acontece quando nos estamos na condição ω t = 45°. Isso é o que mostra a Figura 102-06.

Observe que nesse instante as escovas da máquina colocam em curto-circuito os segmentos a-b e c-d. Isso acontece exatamente no momento em que as espiras entre esses segmentos apresentam 0 V, de modo que o curto-circuito nos segmentos não causa problemas. Nesse instante, somente as espiras 2 e 4 estão debaixo das faces dos polos, de modo que a tensão terminal E_A é igual a 2 e.

É importante notar que essas duas situações acima se repetem a cada giro de 45° do rotor. Assim, a 90° teremos a mesma situação de ω t = 0°. Embora, neste caso, haja uma inversão na polaridade da tensão de armadura, o comutador se encarrega de também inverter as conexões das bobinas, tendo como resultado E_A = 4 e. O mesmo acontece para ω t = 135° e o ciclo se repete a cada 45° de giro do rotor.

É isso que mostra o diagrama da Figura 102-07. Observe que a tensão de armadura é igual a 4 e enquanto a bobina está embaixo dos polos. Entre os polos a tensão cai para 2 e.

Devemos ficar atentos para o fato que os valores calculados acima são para a máquina hipotética de somente quatro espiras. Para uma máquina real, onde o número de espiras é bem superior, teremos outros valores que devem ser calculados. Então, aumentando-se o número de espiras no rotor, mais a tensão de armadura se aproxima de uma tensão CC perfeita.

Cabe salientar uma característica comum a todos os sistemas de comutação, que é a existência de dois caminhos paralelos para a corrente dentro da máquina.

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4.   Curva de Magnetização em Máquinas CC

A máquina CC, seja motor ou gerador, ao estar em movimento de rotação ela produz uma tensão elétrica interna que vamos denominar de E_A, e é dada pela eq. 102-02.

Portanto, como é notório pela equação acima, a tensão E_A é diretamente proporcional ao fluxo e a velocidade de rotação da máquina. Cabe aqui uma pergunta: qual a relação entre a tensão E_A e a corrente de campo da máquina?

Quando estudamos transformadores, vimos que ao aplicar uma corrente elétrica em um enrolamento surgia uma força magnetomotriz. Em máquinas CC acontece a mesma coisa. Então, quando aplicamos a corrente no enrolamento de campo, ela produz uma força magnetomotriz dada pela eq. 102-03.

Essa força magnetomotriz produz um fluxo magnético na máquina de acordo com a curva de magnetização. É muito prático representarmos a curva de magnetização em um gráfico E_A x I_F para uma dada velocidade ω_o, pois sabemos que a corrente de magnetização é diretamente proporcional à força magnetomotriz e a tensão E_A, diretamente proporcional ao fluxo magnético. Na Figura 102-08 podemos ver uma curva de magnetização.

Para obtermos a máxima potência possível por quilograma de uma máquina, a maioria de motores e geradores é projetada para operar próximo do ponto de saturação na curva de magnetização (ou seja, joelho da curva). Como consequência, frequentemente um incremento grande na corrente de campo é necessário para obter um pequeno aumento em E_A quando o ponto de operação está próximo da plena carga.

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5.   Problemas na Comutação

Como foi estudado no item 3 o processo de comutação, conforme [1], não é tão simples na prática como parece na teoria. Basicamente temos dois problemas: um é a reação de armadura e outro é conhecido como as tensões L di/dt. Inicialmente vamos estudar a reação da armadura.

   5.1  Reação de Armadura

Vimos que os polos da máquina CC produzem o campo magnético necessário para que a máquina opere como motor ou como gerador. O rotor, no qual está alojado o enrolamento da armadura, fica sob a influência deste campo. Se a máquina não tem rotação, não temos tensão induzida no enrolamento de armadura. Porém, se o rotor entrar em movimento de rotação, surgirá uma tensão induzida no enrolamento de armadura e, como consequência, teremos uma corrente elétrica circulando pelo enrolamento gerando o seu próprio campo magnético. Portanto, agora temos dois campos magnéticos que vão interagir entre si. Um campo magnético devido ao enrolamento de campo e outro devido ao enrolamento de armadura. Esta interação entre os dois campos irá distorcer o campo original fornecido pelos polos da máquina. Quanto maior a carga conectada ao motor ou ao gerador, maior será a distorção do fluxo magnético no entreferro.

Essa distorção no fluxo da máquina é conhecido como reação de armadura. Isso origina dois problemas sérios em máquinas CC. O primeiro é o chamado deslocamento do plano neutro. O plano neutro magnético, também conhecido como neutro magnético, é definido como o plano no interior da máquina onde a velocidade dos condutores do rotor é exatamente paralela às linhas de fluxo magnético, de modo que neste caso a tensão induzida nos condutores é nula, ou seja, o resultado é dado por ε_ind = 0.

Para compreendermos melhor o efeito de distorção do fluxo magnético, vamos olhar para a Figura 102-09, onde na primeira ilustração aparece somente o fluxo do enrolamento de armadura, cuja direção e sentido é de cima para baixo. Na segunda ilustração aparece somente o fluxo do enrolamento de campo, cuja direção e sentido é da esquerda para a direita. E na terceira ilustração vemos a interação entre os dois fluxos mostrando a distorção que ocorre no fluxo resultante.

Considerando o campo magnético gerado pelo enrolamento de campo um valor constante, ou seja, sendo I_F = cte, a direção e sentido do fluxo magnético vai depender da corrente de armadura I_A. Isto é, se a carga for pequena, então a distorção do fluxo é pequena. E, aumentando a carga, aumenta a distorção do fluxo. Olhando para o gráfico dos vetores, à direita, fica claro a variação do ângulo θ em função da corrente de armadura I_A. Como resultado dessa interação entre os campos, houve um deslocamento do local onde a tensão induzida ε_ind no condutor seria nula.

Então, no caso de um motor, o plano neutro magnético é deslocado no sentido de rotação do rotor.

Então, a pergunta é: qual é o problema com o deslocamento do plano neutro?

Além do problema relatado acima, temos um segundo problema originado pela reação de armadura que é o enfraquecimento do fluxo magnético. Esse enfraquecimento é devido à subtração entre o fluxo fornecido pelo enrolamento de campo e o enrolamento de armadura. Como a maioria das máquinas elétricas operam com densidade de fluxo magnético próximo do ponto de saturação, nos locais das superfícies dos polos onde a força magnetomotriz (fmm) do rotor se soma à força magnetomotriz dos polos, ocorre apenas um pequeno incremento de fluxo magnético. Entretanto, nos locais das superfícies dos polos onde a força magnetomotriz do rotor é subtraída da força magnetomotriz dos polos, acontece uma grande diminuição do fluxo magnético. Assim, podemos afirmar que:

Isso causa problemas tanto em motores como em geradores. Nos geradores, a consequência é uma redução na tensão de saída do gerador para qualquer carga. Nos motores, o caso é mais sério. Sabemos que quando diminuimos o fluxo, a velocidade do motor aumenta. Entretanto, o aumento de velocidade de um motor pode elevar sua carga, resultando em mais enfraquecimento do fluxo, que por sua vez, eleva ainda mais a velocidade, gerando uma reação em cadeia. Isso pode conduzir a uma situação de descontrole, levando a um desligamento do fornecimento de energia pelo sistema de proteção ou a destruição do motor.

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   5.2  Tensão L di/dt

Outro problema importante (conforme Chapman, [26]), é a chamada tensão L di/dt que ocorre nos segmentos do comutador que são colocados em curto pelas escovas, algumas vezes denominado de pico indutivo de tensão. Para melhor compreendermos esse problema vamos analisar um exemplo supondo que a corrente elétrica que circula pela escova é da ordem de 400 A. Logo, a corrente em cada caminho é 200 A. Assim, quando um segmento do comutador é colocado em curto, a corrente nesse segmento deve ser invertida. A pergunta é: quão rápido deve ocorrer essa inversão? Supondo a máquina girando a 800 rpm e que há 50 segmentos no comutador (um número razoável), cada segmento do comutador se move debaixo de uma escova e a deixa em t = 0,0015 s. Portanto a taxa de variação de corrente em relação ao tempo da espira em curto deve ser em média

Mesmo considerando uma indutância mínima para a espira, o efeito indutivo gera um pico de tensão (L di/dt) muito significativo, ocasionando através dessa alta tensão induzida os mesmos problemas de faiscamento nas escovas de quando estudamos o problema da reação da armadura, ou seja, o deslocamento do plano neutro.

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6.   Solução para os Problemas na Comutação

Frente aos problemas de comutação que as máquinas CC enfrentam, foi desenvolvido três abordagens possíveis para corrigir parcial ou totalmente os problemas de reação de armadura e tensões L di/dt. São elas:

Vamos estudar cada uma delas separadamente.

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   6.1  Deslocamento das Escovas

Essa foi uma das primeiras tentativas de solucionar o faiscamento nas escovas. Como se sabia que quando a máquina recebesse uma carga seu neutro magnético sofria um deslocamento, então a pergunta óbvia é: por que não deslocar as escovas até suprimir o faiscamento? Inicialmente parece uma boa ideia, mas traz consigo uma série de problemas relacionados a esse deslocamento. Um desses problemas é que se a carga variar, então o neutro magnético também varia. Logo, concluímos que cada vez que a carga variar devemos reajustar a posição das escovas. Mas o deslocamento das escovas traz outro problema: o efeito do enfraquecimento do fluxo magnético causado pela reação de armadura é agravado. Isso é devido a dois fatores:

Em virtude desses problemas, esse método deixou de ser usado já no início do século XX.

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   6.2  Polos de Comutação ou Interpolos

Uma outra ideia para reduzir ou eliminar o problema do faiscamento foi a dos polos de comutação (conforme Chapman, [1]). Basicamente, a ideia consistia em anular a tensão nos condutores que estavam em comutação, eliminando o problema do faiscamento. Então, com a inserção de pequenos polos situados a meio caminho entre os polos principais, esses polos de comutação estão posicionados exatamente acima dos condutores que passam pela comutação. Desta forma, o processo se resume em fornecer um exato fluxo magnético de tal forma que, a tensão induzida neles por estes polos anule a tensão induzida proveniente dos polos principais. E, assim, eliminamos o problema do faiscamento.

Os polos de comutação são tão pequenos que afetam apenas os poucos condutores que estão em vias de passar pela comutação, não interferindo de modo nenhum o funcionamento da máquina. Observe que a reação de armadura debaixo da face dos polos principais não é afetada, pois os efeitos dos polos de comutação são pequenos, restrito aos condutores de interesse e, por isso, não interferem no enfraquecimento do fluxo magnético da máquina.

Mas a pergunta importante é: como conseguir o cancelamento da tensão nos segmentos do comutador para todos os valores de carga? A resposta é simples. Faça uma conexão série dos enrolamentos dos interpolos com os enrolamentos da armadura.

Assim, à medida que a carga e a corrente de armadura do rotor aumentam, o deslocamento do plano neutro e os efeitos L di/dt também crescem. Esses efeitos somados, originam uma elevação na tensão induzida sobre os condutores que estão em comutação. Mas, o fluxo magnético proveniente do interpolo também aumenta, pois está conectado em série com a armadura. Se a corrente de armadura aumenta, o fluxo de interpolo aumenta. O resultado final é que há um cancelamento dos efeitos dentro de um largo intervalo de valores de carga.

Cabe salientar que os interpolos funcionam corretamente, seja a máquina funcionando como motor ou como gerador. Isso devido ao fato que quando a máquina muda o funcionamento de motor para gerador, há inversão no sentido da corrente dos interpolos. Mas acontece que a corrente de armadura também é invertida. Com isso, neutraliza-se o efeito da inversão dos interpolos. Portanto, mantemos o perfeito funcionamento da máquina, seja como motor ou como gerador.

De que polaridade deve ser o fluxo magnético nos interpolos?

Note que nos condutores que estão em comutação, os interpolos devem induzir uma tensão oposta à tensão causada pelo deslocamento do plano neutro e pelos efeitos L di/dt. No caso de um gerador, o plano neutro se desloca no sentido da rotação. Isso significa que os condutores em comutação têm a mesma polaridade de tensão que o polo anterior que acaba de ficar para trás.

Para se opor a essa tensão, os interpolos devem ter fluxo oposto, ou seja, o fluxo do polo seguinte. Em um motor, entretanto, o plano neutro se desloca no sentido oposto à rotação. Desse modo, os condutores que estão em comutação têm o mesmo fluxo que o polo do qual eles estão se aproximando. Para se opor a essa tensão, os interpolos devem ter a mesma polaridade que o polo principal anterior que está se afastando e ficando para trás. Logo, podemos concluir que:

Portanto, devido ao seu baixo custo e simplicidade em sua implementação, os polos de comutação ou interpolos se tornaram muito comuns em máquinas CC, principalmente nas máquinas com potência de 1 HP ou mais. Cabe ressaltar que, o uso dos interpolos não altera a distribuição do fluxo magnético debaixo das faces polares. Então, o enfraquecimento do fluxo magnético continua presente e só nos resta conviver com seus efeitos.

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   6.3  Enrolamentos de Compensação

No caso dos motores que devem funcionar com cargas muito grandes, o problema do enfraquecimento de fluxo atinge proporções bastante sérias [26]. Com o intuito de cancelar completamente a reação de armadura, eliminando assim simultaneamente o enfraquecimento do fluxo e o deslocamento do plano neutro, foi desenvolvida uma abordagem diferente. Essa terceira técnica consiste em acrescentar o chamado enrolamento de compensação. Esse enrolamento é alojado em ranhuras abertas nas faces dos polos, palalelamente aos condutores da armadura no rotor, cancelando assim o efeito da distorção causado pela reação de armadura. Esses enrolamentos são conectados em série com o enrolamento da armadura. Então, alterando-se a carga mecânica no eixo do motor, ocorrerá mudanças na corrente do enrolamento de compensação, eliminando os efeitos mencionados acima. Isso é possível, pois a força magnetomotriz devido aos enrolamentos de compensação é igual e oposta à força magnetomotriz devido à armadura em cada ponto debaixo dos polos das faces. A força magnetomotriz líquida resultante é exatamente a força magnetomotriz devido aos polos. Desse modo, o fluxo na máquina permanece inaterado, independentemente da carga à qual a máquina é submetida.

Uma das principais desvantagens do uso dos enrolamentos de compensação é seu alto custo, porque devem ser construídos nas faces dos polos. Deve-se ressaltar que qualquer motor que os utilize também necessitará de interpolos, pois os enrolamentos de compensação não cancelam os efeitos L di/dt. Por outro lado, os interpolos não necessitam ser tão robustos, pois agora eles cancelam só os efeitos L di/dt nos enrolamentos, e não as tensões devido ao deslocamento do plano neutro.

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7.   Construção da Armadura em uma Máquina CC

Nas máquinas CC reais, há diversas formas de conectar as espiras da armadura (que está montada dentro do rotor) aos segmentos do comutador. Essas diferentes conexões afetam o número de caminhos paralelos de corrente dentro do rotor, a tensão de saída da armadura, o número e a posição das escovas com os segmentos comutadores.

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   7.1  Enrolamentos de Armadura no Rotor

O enrolamento de armadura consiste em diversas espiras de fio condutor enroladas em um molde formando uma bobina. O condutor, em geral, é um fio de diâmetro adequado à corrente máxima de armadura e isolado por uma ou várias camadas de verniz, ou algum tipo de esmalte isolante. Assim, todas as espiras ficam isoladas entre si. E para isolar a bobina da armadura do ferro que compõe o rotor, nas ranhuras é introduzido um material isolante como papelão, de espessura e formato adequado ou, também pode ser utilizado materiais como PVC. Para motores de grande potência e tensão de operação, as bobinas são isoladas com fita de proteção que proporcionam um bom isolamento elétrico, bem como ao efeito corona.

Denominamos de condutor cada lado da espira que forma a bobina da armadura. Então, para determinarmos o número de condutores do enrolamento de armadura usamos a equação eq. 102-04.

Repare no número 2 na eq. 102-04. Isso é devido ao fato que cada espira possui 2 condutores, conforme podemos ver na Figura 102-10.

Normalmente uma bobina abrange 180° elétricos. Assim, quando um lado da bobina está debaixo do centro de um dado polo o outro lado da bobina, obrigatoriamente, tem que estar embaixo do centro de um polo que tenha polaridade oposta ao primeiro. Lembre-se que em uma máquina CC, se a bobina passa por debaixo de um polo norte, o próximo polo tem que ser um polo sul. E assim, existe uma alternância de polaridade entre os polos. Isso explica por que deve existir um número par de polos em uma máquina.

A relação entre o ângulo elétrico e o ângulo mecânico em uma dada máquina é dada pela eq. 102-05.

Se uma bobina abranger 180 graus elétricos, em todos os instantes as tensões nos condutores de ambos os lados da bobina terão a mesma magnitude, porém com sentidos opostos. Uma bobina como essa é denominada bobina de passo pleno.

É possível se construir uma bobina abrangendo um ângulo inferior a 180° elétricos. Tal bobina é denominada bobina de passo encurtado ou fracionário e um enrolamento de rotor com bobinas de passo encurtado é denominado enrolamento encurtado. O grau de encurtamento de um enrolamento é descrito por um fator de passo p, que é definido pela equação eq. 102-06.

Em algumas máquinas é usado um pequeno valor de encurtamento nos enrolamentos da armadura para melhorar a comutação. A maioria dos enrolamentos do rotor são enrolamentos de camada dupla, significando que lados de duas bobinas diferentes são inseridas em cada uma das ranhuras. Um lado de cada bobina estará no fundo de uma ranhura e o outro lado estará no topo de outra ranhura. Tal construção requer que as bobinas individuais sejam alojadas nas ranhuras do rotor de acordo com um procedimento muito elaborado. Um lado de cada bobina é colocado no fundo da sua ranhura e, depois que todos os lados inferiores estão no lugar, o outro lado de cada bobina é colocado no topo da sua ranhura. Dessa forma, todos os enrolamentos são entrelaçados, aumentando a resistência mecânica e a uniformidade da estrutura final.

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   7.2  Conexões com os Segmentos do Comutador

Quando todos os enrolamentos (bobinas) estiverem instalados nas ranhuras do rotor, eles deverão ser conectados aos segmentos do comutador. Há diversos modos de fazer essas ligações e as diversas configurações de enrolamentos que podem resultar apresentam diversas vantagens e desvantagens.

A distância (em número de segmentos) entre os segmentos do comutador aos quais os dois lados de uma bobina estão conectadas é denominada passo do comutador, que representaremos por y_c. Se o lado final de uma bobina (ou um certo número de bobinas na construção ondulada) for conectado a um segmento do comutador que está à frente do segmento ao qual está conectado o lado inicial, então o enrolamento será denominado enrolamento progressivo. Se o lado final de uma bobina for ligado a um segmento do comutador que está atrás do segmento ao qual está conectado o lado inicial, o enrolamento será denominado enrolamento regressivo (veja a Figura 102-11).

Os enrolamentos do rotor (armadura) também podem ser classificados de acordo com a multiplicidade de seus enrolamentos. Um enrolamento simples (ou simplex) de rotor é constituído de um único enrolamento, completo e fechado, montado no rotor. Um enrolamento duplo (ou duplex) de rotor é constituído de dois conjuntos completos e independentes de enrolamentos.

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   7.3  Tipos de Enrolamentos

Coletivamente, diz-se que todas as armaduras com mais de um conjunto de enrolamentos têm enrolamentos múltiplos (ou multiplex). Finalmente, os enrolamentos de armadura são classificados de acordo com a sequência de suas conexões com os segmentos do comutador. Há duas sequências básicas de conexões dos enrolamentos da armadura – enrolamentos imbricados e enrolamentos ondulados. Além disso, há um terceiro tipo de enrolamento, denominado enrolamento autoequalizado, que combina enrolamentos imbricado e ondulado em um rotor simples.

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    7.3.1   Enrolamento Imbricado

O tipo mais simples de construção de enrolamento utilizado nas máquinas CC modernas é o enrolamento imbricado ou em série simples (ou simplex). Um enrolamento imbricado é um enrolamento de rotor que consiste em bobinas que contêm uma ou mais espiras de fio com os dois lados de cada bobina ligados a segmentos de comutador adjacentes (Figura 102-11). Se o lado final da bobina estiver conectado ao segmento que se segue ao segmento ao qual está conectado o lado inicial da bobina, então se trata de um enrolamento imbricado progressivo e y_c = 1. Se o lado final da bobina estiver conectado ao segmento que antecede o segmento ao qual está conectado o lado inicial da bobina, então se trata de um enrolamento imbricado regressivo e y_c = -1. Uma característica interessante dos enrolamentos imbricados simples é:

Se C for o número de bobinas e de segmentos comutadores presentes no rotor e P for o número de polos da máquina, então haverá C/P bobinas em cada um dos P caminhos de corrente em paralelo que passam pela máquina. O fato de que há P caminhos de corrente também requer que haja tantas escovas na máquina quantos forem o número de polos para poder conectar todos os caminhos de corrente. O fato de que há muitos caminhos de corrente em uma máquina de polos múltiplos torna o enrolamento imbricado uma escolha ideal para máquinas de tensão bastante baixa e corrente elevada, porque as altas correntes requeridas podem ser repartidas entre os diversos caminhos de corrente. Essa divisão de corrente permite que o tamanho dos condutores individuais do rotor permaneça razoável, mesmo quando a corrente total torna-se extremamente elevada.

Se um enrolamento imbricado for duplo (ou duplex), haverá dois conjuntos de enrolamentos completamente independentes alojados no rotor e cada segundo segmento do comutador estará conectado a um dos conjuntos. Portanto, uma bobina individual termina no segundo segmento do comutador após o segmento onde ela foi inicialmente conectada e y_c = ± 2 (dependendo se o enrolamento é progressivo ou regressivo). Como cada conjunto de enrolamentos tem tantos caminhos de corrente quanto ao número de polos na máquina, então em um enrolamento imbricado duplo haverá o dobro de caminhos de corrente em relação ao número de polos na máquina. Em geral, em um enrolamento imbricado de multiplicidade m, o passo do comutador y_c é dado pela equação eq. 102-07:

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    7.3.2   Enrolamento Ondulado

O enrolamento ondulado ou em série é uma forma alternativa de conectar as bobinas do rotor aos segmentos do comutador. No enrolamento ondulado simples cada segunda bobina do rotor termina com uma conexão a um segmento do comutador que é adjacente ao segmento ligado ao início da primeira bobina. Portanto, entre segmentos adjacentes do comutador, há duas bobinas em série. Além disso, como cada par de bobinas entre segmentos adjacentes tem um lado debaixo de cada face polar, todas as tensões de saída serão a soma dos efeitos de todos os polos, não podendo ocorrer desequilíbrios de tensão.

A terminação da segunda bobina pode ser conectada ao segmento que está após ou antes do segmento no qual inicia a primeira bobina. Se a segunda bobina for conectada ao segmento posterior à primeira bobina, o enrolamento será progressivo ou, se ela for conectada ao segmento anterior à primeira bobina, o enrolamento será regressivo, como foi mostrado na Figura 102-11 (acima). Em geral, se houver P polos na máquina, haverá P/2 bobinas em série entre segmentos adjacentes do comutador. Se a bobina de número P/2 for conectada ao segmento posterior à primeira bobina, o enrolamento será progressivo e, se for conectada ao segmento anterior à primeira bobina, o enrolamento será regressivo. Em um enrolamento ondulado simples, há apenas dois caminhos de corrente. Há C/2 ou metade dos enrolamentos em cada caminho de corrente. As escovas dessa máquina estarão separadas entre si por um passo polar pleno.

Qual é o passo do comutador para um enrolamento ondulado? A Figura 102-12 mostra um enrolamento progressivo de nove bobinas. O final de uma bobina ocorre cinco segmentos além do seu ponto de partida. Em um enrolamento ondulado regressivo, o final da bobina ocorre quatro segmentos antes do seu ponto de partida. Portanto, o final de uma bobina em um enrolamento ondulado de quatro polos deve ser conectado exatamente antes ou após o ponto a meio caminho sobre o círculo desde seu ponto de partida. A expressão geral que dá o passo do comutador para qualquer enrolamento ondulado simples ( ou simplex) é:

Para o caso onde o enrolamento ondulado seja de multiplicidade maior que um, então a equação que dá o passo do comutador é a eq. 102-9a

Como há apenas dois caminhos de corrente através de um rotor com enrolamento ondulado simples, serão necessárias apenas duas escovas para coletar a corrente. Isso ocorre porque os segmentos que estão passando por comutação ligam os pontos de mesma tensão debaixo de todas as faces polares. Se desejado, mais escovas poderão ser acrescentadas em pontos distanciados de 180 graus elétricos porque estão no mesmo potencial e estão conectadas entre si pelos fios que passam por comutação na máquina. Escovas extras são usualmente acrescentadas a uma máquina de enrolamento ondulado, mesmo que isso não seja necessário, porque elas reduzem a quantidade de corrente a ser coletada por um dado conjunto de escovas

Para um enrolamento ondulado múltiplo (multiplex) a equação que determina o número de caminhos possíveis para a corrente elétrica é dada pela eq. 102-10.

Enrolamentos ondulados são bem adequados à construção de máquinas CC de tensão mais elevada, porque as bobinas em série entre os segmentos do comutador permitem produzir uma tensão elevada mais facilmente do que com enrolamentos imbricados.

Outra vantagem do enrolamento ondulado é o fato de que ele necessita somente de dois jogos de escovas, que podem ser colocadas na parte superior do comutador, o que facilita a inspeção e a manutenção. Esta é uma das razões que tornou o enrolamento ondulado universalmente usado nos motores destinados à tração elétrica.

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8.   Construção do Comutador e Escovas

Em uma máquina CC o comutador é feito de barras de cobre isoladas com material à base de mica. As barras de cobre são feitas suficientemente espessas para permitir o desgaste natural durante toda a vida útil do motor. O isolamento de mica entre os segmentos do comutador é mais duro que o material do próprio comutador. Desse modo, depois de muito tempo de uso de uma máquina, frequentemente é necessário aparar a isolação do comutador, para assegurar que ela não fique saliente por cima das barras de cobre

As escovas da máquina são feitas de carbono, grafite, ligas de metal e grafite ou de uma mistura de grafite e metal. Elas apresentam elevada condutividade para reduzir as perdas elétricas e um baixo coeficiente de atrito para reduzir o desgaste excessivo. Elas são feitas deliberadamente de um material bem mais macio que os segmentos do comutador, para que a superfície do comutador sofra muito pouco desgaste. A escolha da dureza das escovas é um meio-termo: se as escovas forem macias demais, elas deverão ser substituídas frequentemente, mas, se forem muito duras, a superfície do comutador sofrerá demasiado desgaste durante a vida útil da máquina.

Todo o desgaste que ocorre na superfície do comutador é resultado direto do fato de que as escovas devem friccionar essa superfície para converter a tensão CA dos condutores do rotor em tensão CC nos terminais da máquina. Se a pressão das escovas for demasiada, tanto as escovas, como as barras do comutador irão se desgastar excessivamente. Entretanto, se a pressão for baixa demais, as escovas tenderão a saltar levemente e uma grande quantidade de faiscamento ocorrerá na superfície de contato entre as escovas e os segmentos do comutador. Esse faiscamento é igualmente prejudicial para as escovas e a superfície do comutador. Portanto, a pressão das escovas sobre a superfície do comutador deve ser ajustada cuidadosamente para uma vida útil máxima.

Na Figura 102-13 vemos a fotografia de um motor com seus diversos elementos, ressaltando-se a posição do comutador e as escovas assentadas sobre o mesmo.

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9.   Geração da Tensão Interna

No item 4 vimos que a tensão gerada pelo enrolamento de armadura é dada pela eq. 102-02. Vamos relembrá-la:

Em qualquer máquina CC real a tensão induzida depende de três fatores:

É exatamente isso que a eq. 102-02 nos diz. Devemos observar que nessa equação a velocidade do rotor está expressa em rad/s. Porém, na indústria moderna a velocidade do rotor é expressa em rpm. Portanto, quando a rotação da máquina é dada em rpm, podemos desenvolver uma nova equação que nos permitirá usar diretamente rpm. Para isso, vamos mostrar a equação que permite transformar rpm em rad/s.

Por outro lado, temos que a definição da constante K é dada pela equação abaixo.

Portanto, substituindo as equações eq. 102-11 e a eq. 102-12 na eq.102-02, vamos obter:

Onde o valor da nova constante K_a é dada pela eq. 102-14.

Portanto, para encontrarmos a tensão induzida E_A quando usamos a velocidade da máquina em rpm, devemos utilizar a eq. 102-14 para calcular a constante de construção da máquina e a eq. 102-13 para calcular a tensão induzida E_A.