Download - 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