relatório final máquinas elétricas i - motor

Processo de montagem de um motor DC

com excitação independente

Luiz Antônio Corrêa Júnior

Marcus Vinicius de Paula

Romeu Yukio Takeda

Thiago Lobo Diana

João Monlevade

11/04/2013

Universidade Federal de Ouro Preto

Instituto de Ciências Exatas e Aplicadas

Curso de Engenharia Elétrica - Campus João Monlevade

Trabalho apresentado ao Prof. Dr. Juan Carlos Galvis Manso, na disciplina de Máquinas Elétricas I, do curso de

Engenharia Elétrica da UFOP, como requisito para conclusão da referida

disciplina.

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SUMÁRIO

1. Introdução ............................................................................................................................. 3

2. Objetivos ................................................................................................................................ 3

3. Materiais utilizados e orçamento ........................................................................................ 3

4. Montagem do estator ............................................................................................................ 4

5. Montagem das bobinas de campo ....................................................................................... 4

6. Enrolamento da armadura .................................................................................................. 5

7. Montagem da base do motor ............................................................................................... 5

8. Posicionamento do conjunto porta-escovas ........................................................................ 6

9. Conclusões e ensaios realizados no protótipo..................................................................... 7

10. Referências .......................................................................................................................... 8

11. Anexos .................................................................................................................................. 8

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1. Introdução

Neste trabalho de montagem de um motor, optou-se por confeccionar uma máquina DC de excitação independente com dois pólos. Nesta configuração, as bobinas de campo são excitadas de forma separada da armadura, necessitando, deste modo, de

duas fontes autônomas. Um motor DC é denominado de excitação independente quando o circuito de campo é eletricamente independente do circuito da armadura, ou seja, tem-

se dois circuitos elétricos independentes, que podem ser analisados isoladamente. O primeiro circuito, circuito de campo, recebe energia elétrica de uma fonte independente para a excitação da máquina, a qual é armazenada na forma de um campo magnético. O

segundo circuito é formado pelo circuito da armadura ligado a uma segunda fonte de energia, em corrente contínua, que alimenta o motor em nível de força [3].

Outro aspecto importante é o tipo de enrolamento utilizado na armadura. Neste projeto, optou-se pelo enrolamento imbricado. Segundo [1], no enrolamento imbricado cada ranhura é ocupada por dois lados de bobina e existem tantas bobinas quantas são as

ranhuras do estator. Todas as bobinas têm o mesmo formato e tamanho como também o mesmo número de espiras (pré-moldadas), resultando num enrolamento perfeitamente

simétrico. Os dois lados de bobinas são colocados em camadas sobrepostas e separadas por um isolante, pois cada lado de bobina pertence a grupos de fases distintos e como há uma diferença de potencial relativamente elevada, é necessário uma isolação

eficiente para diminuir os riscos de curto circuito entre bobinas.

2. Objetivos

Este trabalho tem como objetivo apresentar os passos de montagem de um motor DC de excitação independente com enrolamento de armadura imbricado. Optou-se pela

confecção de um motor de corrente-contínua devido à sua simplicidade estrutural e pelo fato da disciplina de Máquinas Elétricas I contemplar, em grande parte, a abordagem de máquinas DC.

3. Materiais utilizados e orçamento

A seguir, serão listados os materiais que foram utilizados na montagem do motor, bem como a procedência de todos eles.

Material Procedência Custo (R$)

Núcleo de um transformador Removido de um aparelho de

microondas e adquirido em uma

eletrônica

5,00

Fio esmaltado AWG 24 (0,5 mm2)

Removido das bobinas do mesmo transformador de microondas e

adquirido em uma eletrônica

0,00

Conjunto porta escovas + escovas

Removido de um motor de liquidificador

0,00

Armadura de um motor Adquirido numa casa de sucatas 0,00

Dois rolamentos pequenos Adquirido em loja especializada 23,00

Fita isolante Adquirido em loja especializada 1,20

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Bastão de cola quente Adquirido em loja especializada 1,00

Madeira tipo MDF Resíduo de obras da UFOP 0,00

Pregos Adquirido em loja especializada 1,50

Isopor Resíduo de obras da UFOP 0,00

Duas fontes CC Propriedade do Laboratório de

Eletrônica da UFOP 0,00

Junção e desbaste das placas do núcleo do transformador

Realizada em uma empresa de soldagem e usinagem

50,00

Preço total do projeto 81,70

4. Montagem do estator

Primeiramente, foram soldadas as placas do núcleo do transformador, como

forma de adaptar a estrutura do estator do motor. Este tipo de núcleo é composto por chapas laminadas de material ferromagnético em formato de “E”. Após a junção das

lâminas (como mostra a figura 2), desbastou-se a parte central da estrutura resultante para a criação do entreferro, onde será encaixada a armadura.

5. Montagem das bobinas de campo

O próximo passo, após a montagem do estator, foi a confecção das bobinas de campo. Utilizou-se nos enrolamentos, fio de cobre esmaltado retirado do transformador

de um microondas, conforme mostra a figura 3. Pela geometria do estator, optou-se por criar o máximo de bobinas de campo possíveis – neste caso, duas. As bobinas foram enroladas num molde de isopor semelhante à sapata polar, devido às dificuldades de se

fazer o enrolamento na própria estrutura. O número total de espiras dos enrolamentos não foi quantificado. A cada camada enrolada, fixavam-se os condutores com fita

isolante, como mostra a figura 4. Quando adquiriram um volume significativo, os enrolamentos foram removidos dos moldes e encaixados nas sapatas polares do estator (figura 5). Como se tratam de duas bobinas ligadas em série, teve-se o cuidado de

enrolá-las no mesmo sentido. Caso este critério não fosse obedecido e o número de espiras nas duas bobinas fossem exatamente iguais, o fluxo magnético resultante no

entreferro seria nulo. A resistência total medida nas bobinas de campo foi de 38,1Ω.

Figura 1: Placas laminadas. Figura 2: Estator com o entreferro ao

centro.

Tabela 1: Orçamento dos materiais e serviços prestados para a montagem do projeto.

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6. Enrolamento da armadura

Para montagem da armadura, utilizou-se o rotor de um motor antigo de pequeno

porte. Esta estrutura já possuía o anel coletor. Removeu-se o enrolamento que já existiam e em seguida foi criado um novo enrolamento do tipo imbricado. O

enrolamento imbricado consiste em bobinas seqüenciais, conectados em palhetas do anel coletor, também em seqüência. Desta maneira, as bobinas estão ligadas em série. Como se tem somente 2 pólos extremos, dividiu-se as bobinas em 2 grupos que estão

ligados em paralelo. No total, foi construído um grupo de 12 bobinas, cada uma com 35 espiras medindo aproximadamente 2 ohms de resistência. Baseando-se no enrolamento

imbricado, pode se estimar uma resistência resultante de um pólo a outro (nas escovas) em torno de 6 ohms. A figura 6 mostra o início do processo de confecção do enrolamento da armadura.

7. Montagem da base do motor

Como forma de facilitar os trabalhos de montagem, optou-se por utilizar madeira para confeccionar a base do motor. Primeiramente, fixou-se o estator numa prancha de

MDF com o auxílio de dois calços de madeira (figura 7). Ambos os calços foram presos

Figura 3: Cobre esmaltado

para enrolamentos.

Figura 4: Confecção dos

enrolamentos de campo.

Figura 5: Circuito magnético

do estator.

Figura 6: Confecção do

enrolamento da armadura.

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à prancha de MDF com pregos. Para finalizar a fixação, aplicou-se cola quente em todos

os pontos de junção do metal com a madeira. Em seguida, foram prendidas – com auxílio de cola quente – duas pranchas de madeira paralelas ao estator e perpendiculares à base. Uma destas pranchas pode ser

visualizada também na figura 7. A função delas é receber os rolamentos e servir de suporte para a armadura. O posicionamento destas “paredes” deve ser feito de tal modo

que a armadura se alinhe da melhor maneira possível com o entreferro do estator. As figuras 8 e 9 mostram, respectivamente, os rolamentos utilizados e a fixação de um deles na “parede” confeccionada. A função dos rolamentos é de suavizar a dinâmica do

motor, facilitando o movimento de rotação e reduzindo as possíveis trepidações. O eixo do motor foi inserido sob pressão na cavidade do rolamento e este, por sua vez, fixado

na madeira com auxílio de cola quente.

8. Posicionamento do conjunto porta-escovas

Devido às dificuldades técnicas de se fabricar um conjunto porta-escovas, optou-se por adaptar a este motor um conjunto removido de outra máquina. A maior dificuldade em construir este conjunto se dá em obter um contato perfeito entre as

escovas e as palhetas do anel coletor da armadura. Um contato ruim ou mal projetado pode resultar em diversos problemas, como centelhamento excessivo, curtos-circuitos

ou até mesmo impossibilitar que a armadura gire. Devido à reação de armadura, diferentes posicionamentos do conjunto porta escovas podem resultar em diferentes desempenhos da máquina. Começando os testes de posicionamento de forma que as

escovas ficassem perpendiculares à base do motor, o conjunto foi rotacionado até que a velocidade do rotor atingisse o maior valor possível. Deste modo, o conjunto foi fixado

de forma inclinada. A figura 10 mostra o posicionamento do conjunto porta-escovas – após algumas alterações físicas, onde foram eliminadas algumas partes de plástico – no protótipo do motor. A fixação ocorreu também com cola quente.

Figura 7: Fixação de um

dos suportes da armadura. Figura 8: Rolamentos.

Figura 9: Detalhe do

rolamento fixado no suporte.

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9. Conclusões e ensaios realizados no protótipo

Após efetivada toda a montagem, a próxima etapa consistiu na realização de ensaios no protótipo.

Para dar partida no motor, elevou-se primeiramente a corrente de campo do

motor e depois a corrente de armadura. No momento em que o rotor começa a girar, mede-se uma corrente de 0.45 A no

circuito de campo e 1.95 A no circuito da armadura. A tensão, neste mesmo instante, é de 12 V no circuito de campo e 12 V no

circuito da armadura.

Pelas características construtivas da máquina, aconselha-se utilizar como valores nominais aqueles listados na tabela a seguir.

Tensão nominal no estator 14.5 V

Corrente nominal no estator 0.8 A

Tensão nominal na armadura 14 V

Corrente nominal na armadura 2.15 A

Assim como todo motor de corrente contínua, percebeu-se que ao inverter a polaridade da tensão aplicada ou na armadura ou no estator, que o sentido de rotação da

máquina era invertido. Percebeu-se também que uma das bobinas de campo aqueceu mais do que a

outra. Isto pode ser explicado pelo fato do número de espiras dos enrolamentos não

terem sido quantificadas. Deste modo, o número de espiras nas duas bobinas com certeza ficou diferente, o que faz com que as potências dissipadas sejam diferentes nos

dois enrolamentos. A armadura também aqueceu, mais não tanto quanto os enrolamentos de campo. Pelo fato do motor ser de pequeno porte, o torque desenvolvido pela máquina

foi verificado de forma qualitativa tentando frear o seu eixo com as mãos. Percebeu-se

Figura 10: Posicionamento do

conjunto porta-escovas.

Tabela 2: Valores nominais de placa para o motor

(ligação com excitação independente).

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que sua velocidade diminuía após a aplicação de uma força razoavelmente pequena, o

que nos leva a concluir que o torque desenvolvido pelo motor não é muito significativo. Em contrapartida, a velocidade de rotação atingida foi bastante expressiva. A

figura 11 mostra a versão final do projeto do motor CC.

10. Referências

[1] CASSOLI. Manutenção Elétrica Industrial - Enrolamentos para motores CA. CEFET - Vitória. 2006.

[2] FITZGERALD, A. E.; UMANS, S. D.; KINGSLEY JR., C. “Máquinas Elétricas”. Editora Bookman Companhia, 6ª edição, 2006.

[3] PAZZINI, L. H. A. Motores Elétricos - Princípios de Funcionamento. Faculdades Integradas de São Paulo. 2002.

[4] SEN, P.C. Principles of Electric Machines and Power Electronics. Second Edition,

John Wiley. 11. Anexos

O funcionamento do projeto do motor pode ser conferido através de um vídeo

no portal YOUTUBE, no link: http://www.youtube.com/watch?v=yJ8xUQdlFzE

Figura 11: Projeto final do

motor CC