estudo de um motor cc: obtenção de um modelo do seu...

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Estudo de um Motor CC: Obtenção de um modelo do

seu funcionamento

Projeto FEUP:

Coordenador Geral: - Manuel Firmino Coordenador de Curso: - Nuno Fidalgo

- Sara Ferreira - José Carlos Alves

TURMA 1 EQUIPA 4

Supervisor: Paulo Costa Monitor: Pedro Relvas

Estudantes & Autores:

Afonso Eurico Santos [email protected] João Pedro Pereira [email protected]

Bernardo Vaz-Pires [email protected] Maria Inês Arieiro [email protected]

Francisco Magalhães [email protected]

Projeto FEUP | Motor CC: Estrutura e Funcionamento 1

mailto:[email protected]







Resumo

O relatório apresentado foi realizado no âmbito da disciplina Projeto FEUP, inserida no 1º

Semestre do 1º ano de Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores da

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.

Com este trabalho pretendemos informar os leitores sobre o funcionamento dos motores

CC, assim como a sua estrutura.

Primeiramente, foi-nos transmitido um pequeno resumo teórico do funcionamento e

estrutura de um motor CC, assim como alguns conceitos relevantes, de modo a facilitar uma

melhor compreensão do trabalho a elaborar. Neste momento teórico foi feita uma abordagem

aos cálculos necessários para o estudo de um motor CC, bem como a relação entre os valores

analisados nos vários ensaios realizados nas atividades práticas.

Durante estas atividades da unidade curricular o grupo fez várias medições utilizando

resistências e motores CC, medindo a diferença de potencial e a intensidade da corrente para

cada valor de tensão dado pela fonte utilizada.

Numa fase posterior foram medidos e calculados os valores de várias resistências em 3

métodos distintos: calcular o valor nominal a partir das bandas coloridas impressas na

resistência utilizando a tabela universal; medir o valor direto da resistência utilizando o

multímetro e por fim calcular o valor da resistência a partir do valor do declive do gráfico que

relaciona a tensão e a intensidade da corrente.

A partir destas atividades experimentais foi possível estabelecer as diferenças entre um

motor CC e uma resistência, através da análise dos gráficos que relacionam a tensão e a

intensidade da corrente. A execução destas tarefas serviu também para uma melhoria na

consciencialização do grupo de trabalho face à importância da atenção dada aos erros que

possam passar despercebidos, bem como o mecanismo adequado para os resolver de modo a

garantir maior exatidão durante todos os ensaios.


Palavras-Chave

Motor CC;

Multímetro;

Tensão/Diferença de potencial;

Intensidade da corrente;

Resistência.


Agradecimentos

A realização do nosso trabalho deve-se, entre outros fatores, à ajuda que nos foi prestada

por várias pessoas, às quais não podemos deixar de agradecer.

Em primeiro lugar, queremos agradecer ao nosso supervisor, Paulo Costa, e ao monitor,

Pedro Relvas, que em momento algum deixaram de nos ajudar ou de explicar como realizar

este trabalho de forma clara, dando-nos a informação necessária para a sua realização, bem

como os objetivos do mesmo.

Em segundo lugar, gostaríamos de agradecer à própria faculdade, FEUP, por nos

disponibilizar o material necessário, sem o qual seria impossível realizar a componente

prática essencial que este trabalho contém.

Por último, queríamos deixar um agradecimento aos coordenadores, Manuel Firmino, Sara

Ferreira, José Carlos Alves e Nuno Fidalgo, por nos permitirem, através desta unidade

curricular, aprender competências essenciais à partilha de conhecimento, bem como a

obtenção de um contato inicial com a vertente prática da nossa área de estudo, que nos

motiva enquanto estudantes a querer saber sempre mais sobre a área da Eletrotécnica.


Índice

Lista de figuras 6

Lista de acrónimos 7

Glossário 8

1. Introdução 9

2. Motores CC 10 2.1. O que são motores CC? 10 2.2. Estrutura 11 2.3. Funcionamento 12

3. Atividade Prática 14 3.1 Objetivos 14 3.2. Medições Resistências e Motor 15

3.2.1.Resistências 15 3.2.2 Motor 1º ensaio: 16 3.2.3 Motor com hélice: 16 3.2.4. Análise de resultados 17

3.3. Obtenção de constantes a partir da medição do Motor 2º ensaio: 18

4. Conclusões 22

5. Referências bibliográficas 23


Lista de figuras

Figura 1. Alguns tipos de motores de corrente contínua

Figura 2. Motor CC

Figura 3. Estrutura de um motor

Figura 4. Atração e repulsão entre a bobina e os ímanes

Figura 5. A inversão da polaridade muda os pólos do rotor

Figura 6. Nova inversão de pólos

Figura 7. Amperímetro

Figura 8. Voltímetro

Figura 9. Gráfico Tensão/Intensidade da Corrente Resistência 1


Figura 11. Gráfico Tensão/Intensidade da Corrente Motor 1

Figura 12. Gráfico Tensão/Intensidade da Corrente Motor com Hélice

Figura 13. Dados Intensidade da Corrente e Tensão

Figura 14. Gráfico Tensão/Intensidade

Figura 15. Dados Velocidade e Tensão

Figura 16. Gráfico Tensão/Velocidade

Figura 17. Gráfico (Tensão/Velocidade)/(Intensidade da corrente/Velocidade)

Figura 18. Dados Intensidade/Velocidade e Tensão/Velocidade do motor

Figura 19. Dados velocidade e produto da constante de força contra electromotriz por

a intensidade da corrente

Figura 20. Gráfico (k*i)/(w)


Lista de acrónimos

FEUP- Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

CC- Corrente contínua

DC- Direct Current


Glossário

Direct Current - Corrente contínua


1. Introdução

Com o objetivo de usar motores de corrente contínua é necessário conhecer quer a sua

estrutura quer o seu funcionamento. Neste trabalho o nosso objetivo será mesmo esclarecer

os leitores sobre esses dois pontos fundamentais - estrutura e funcionamento - destes

pequenos motores que se encontram em diversos objetos do nosso dia a dia tais como:

gravadores, câmaras de vídeo, aparelhos de som, entre outros.

Desta forma, podemos considerar que este relatório tem como público-alvo aqueles que

pretendem, através de um relatório experimental, obter conhecimento sobre este tipo de

motores, sendo especialmente destinado a pessoas e estudantes que se interessam sobre a

área da eletrónica.

Diversos aparelhos eletrónicos possuem recursos mecânicos que são mais ou menos

automatizados. Quando isso ocorre, obrigatoriamente temos a presença de um ou mais

motores de corrente contínua.

Motores com os mais diversos aspetos, potências e tamanhos são encontrados nos

aparelhos supracitados.

Apesar de serem muito diferentes quanto à aparência, conforme na figura 1, os princípios

de funcionamento são semelhantes e consequentemente os problemas que podem apresentar

são parecidos também.

Figura 1: Alguns tipos de motores de corrente contínua | Fonte: Newton C Braga, 19 de Outubro de 2016

Desta forma, conhecendo os seus limites e os princípios de funcionamento será muito

mais fácil detectar problemas nos aparelhos que utilizem este tipo de motores e fazer a sua

posterior reparação.


2. Motores CC

2.1. O que são motores CC?

Um motor CC (Figura.2), motor de corrente contínua, também conhecido por vezes

por motor DC, direct current , é um motor com a capacidade de fazer a conversão da energia

elétrica em energia mecânica.

Os motores de corrente contínua têm grandes aplicações nas indústrias, sendo que,

são estes motores que permitem, por exemplo, variar a velocidade de uma esteira ou de um

comboio.

Por outro lado, são motores de custo elevado e, além disso, precisam de uma fonte de

corrente contínua, ou de um dispositivo que converta a corrente alternada comum em

contínua.

Além disso, podem ainda funcionar com velocidade ajustável entre limites de grande

amplitude, sendo utilizados para controlar máquinas de forma bastante precisa. Desta forma,

o uso destas máquinas elétricas é restrito a casos especiais em que as exigências necessárias

compensam o custo muito alto da instalação.

Figura 2. Motor CC Fonte: Newton C Braga


https://pt.wikipedia.org/wiki/Ind%C3%BAstria

2.2. Estrutura

Um motor de corrente contínua é constituído por diversos elementos, todos eles com

função própria e indispensáveis para o funcionamento do motor em geral. Como peças

fundamentais que esta máquina possui destacam-se: o rotor, o estator, o comutador e as

escovas.

O rotor é um componente que gira em torno do seu eixo criando um campo magnético

uniforme a partir da bobina que incorpora.

O estator é a parte do motor que se mantém fixa e que tem como função conduzir o fluxo

magnético a partir do rotor. Uma parte importante que está presente no estator são os

ímanes que têm como função gerar forças de atração e repulsão.

O comutador é o que permite ao rotor poder rodar de forma contínua alternando o

sentido da corrente.

As escovas são peças de grafite que têm como função conduzir a energia para o circuito

do rotor.

Esta estrutura do motor está demonstrada na figura 3 que se encontra em baixo.

Figura 3. Estrutura de um motor | Fonte: Newton C Braga, 19 de Outubro de 2016


2.3. Funcionamento

A base do funcionamento destes pequenos motores está assente no aproveitamento

das forças geradas pelos ímanes.

De que forma?

Se fizermos passar corrente elétrica por duas bobinas próximas, os campos magnéticos

gerados poderão fazer com que surjam forças de atração e repulsão. Vejamos na figura 4.

Figura 4. Atração e repulsão entre a bobina e os ímanes | Fonte: Newton C Braga, 19 de Outubro de

2016

Assim, como podemos verificar também na figura 2, onde está representada a

estrutura do motor, percebe-se que a ideia principal será montar uma bobina entre os dois

pólos diferentes dos ímanes.

No posição inicial, quando os pólos da bobina móvel, incorporada no rotor, estão

alinhados com os ímanes permanentes, enquanto esta está a ser percorrida por uma corrente,

faz com que haja uma manifestação de uma força de repulsão.

O rotor tem tendência a rodar 180º para o pólo norte deste aproximar-se do polo sul

dos ímanes, desta forma também o pólo sul vai-se aproximar do pólo norte do íman, pelo qual

será atraído.[2]

Por outro lado, no eixo do rotor, por onde passa a corrente que circula pela bobina,

está presente um comutador. Este elemento do motor tem como objetivo inverter o sentido

da circulação da corrente elétrica que percorre a bobina resultando na mudança dos pólos.

Atente na figura 5.


Figura 5. A inversão da polaridade muda os pólos do rotor|Fonte: Newton C Braga, 19 de Outubro de 2016

Como consequência dar-se-á a transformação da força de atração em força de

repulsão, o que fará com que o rotor dê continuidade ao seu movimento[4].

A posição de equilíbrio não será assim atingida, pois quando é dada mais meia volta,

em vez dos pólos do rotor estarem alinhados com os pólos opostos dos ímanes fixos, acontece

que a nova posição faz com que o comutador trabalhe e como resultado teremos uma nova

comutação de corrente e como consequência os pólos invertem-se[3], como mostra a figura 6.

Figura 6. Nova inversão dos pólos|Fonte: Newton C Braga, 19 de Outubro de 2016


3. Atividade Prática

3.1 Objetivos

Na sequência do estudo de motores CC foi nos proposto realizar uma atividade prática

dividida em duas partes:

1. Medição de resistências e de um primeiro motor com um voltímetro e com um

amperímetro. Obtenção de um gráfico tensão/intensidade da corrente.

2. Obtenção de constantes do modelo a partir de medições da tensão, velocidade e

intensidade da corrente de um segundo motor: Constante de força contra eletromotriz

(K), resistência interna do Motor (R), atrito estático (Tc) e atrito viscoso (B)[5][6].

Figura 7. Amperímetro Figura 8. Voltímetro


3.2. Medições Resistências e Motor

3.2.1.Resistências




3.2.2 Motor 1º ensaio:

Figura 11. Gráfico Tensão/Intensidade da Corrente Motor 1

3.2.3 Motor com hélice:

Figura 12. Gráfico Tensão/Intensidade da Corrente Motor com Hélice


3.2.4. Análise de resultados

Feitas as medições das resistências, foi necessário comparar os valores obtidos com o

valor nominal apresentado pelo fabricante. Ambos os ensaios mostraram a veracidade desse

valor:

___________________________________________________________________________

❖ Valor nominal: 33*100 Ω ± 5%

❖ Medição: 3.274 * 103 Ω

❖ Erro = 0,78%

❖ Valor nominal:10*100 Ω ± 5%

❖ Medição:9.85*102 Ω

❖ Erro = 1,5%

___________________________________________________________________________

Em relação ao ensaio do motor 1, verificou-se que o ruído provocado por este, assim

como a sua vibração, afetaram a leitura do multímetro. Para minimizar essas mesmas

perturbações, foi inserido no circuito um condensador. Como podemos observar o gráfico da

figura 10

Os gráfico obtidos, tanto para as resistência como para os motores, permitiram-nos

retirar conclusões em relação às diferenças que os distinguem.

Os gráficos das resistências evidenciam a relação tensão/corrente, sendo uma reta que

passa pela origem. Isso significa que podemos representar a resistência em função das duas

variáveis da qual depende:

R = IU

Por outro lado, os motores já não refletem essa tendência. Conclui-se portanto que o motor

rege-se sobre um modelo diferente, o qual vamos analisar posteriormente neste trabalho.


3.3. Obtenção de constantes a partir da medição do Motor 2º ensaio:

Na segunda parte do trabalho experimental realizamos diversas medições com um motor CC

com o objetivo de descobrir constantes importantes do modelo do motor.

Em primeiro lugar traçamos gráficos tensão/intensidade e tensão/velocidade para

analisarmos o comportamento e as características do motor.

i v

0,102 2,487

0,13 3,316

0,154 4,146

0,172 4,96

0,191 5,787

0,209 6,614

0,215 7,418

0,233 8,267

Figura 13. Dados Intensidade da Corrente e Tensão Figura 14. Gráfico Tensão/Intensidade

w v

7,527 2,487

10,341 3,316

13,155 4,146

16,101 4,96

18,915 5,787

21,926 6,614

24,805 7,418

27,751 8,267

Figura 15. Dados Velocidade e Tensão Figura 16. Gráfico Tensão/Velocidade


Logo após obtermos os gráficos anteriormente referidos realizamos cálculos para descobrir as

tais constantes pretendidas. Em primeiro lugar deduzimos a equação seguinte:

.i .wv = R + K ⇔ vw = w

R.I + K

A dedução desta equação permite-nos facilmente encontrar os valores das constantes K e R

uma vez que possuímos os valores tanto da intensidade da corrente como da tensão e da

velocidade angular do motor. Desta forma K vai corresponder ao valor da ordenada na origem

do gráfico a que corresponde esta equação e R vai corresponder ao valor do declive deste

mesmo gráfico.

Figura 17. Gráfico (Tensão/Velocidade)/(Intensidade da corrente/Velocidade)

Figura 18. Dados Intensidade/Velocidade e Tensão/Velocidade do motor


Traçado o gráfico e feitos os respetivos cálculos para descobrir o valor do declive e da

ordenada na origem, descobrimos que R tem um valor e K tem um valor de , 22 Ohm ≃ 6 1

., 83 V .s/rad ≃ 3 9

Para além das constantes K e R também foram nos propostas outras duas constantes, a

constante de atrito viscoso (B) e a constante de atrito estático (Tc). Para as experiência

consideramos sempre casos em regime estacionário onde a aceleração angular é

zero, ou seja:

m c m .i c w .i c B.w T − T − T = 0 ⇔ K − T − B = 0 ⇔ K = T +

A partir desta equação simplificada obtemos mais uma vez um equação reduzida da qual

através do declive e da ordenada da origem conseguimos descobrir os valores das constantes B

e Tc respetivamente.

x(w) y(ki)

7,527 0,406231

10,341 0,517745

13,155 0,613329

16,101 0,685017

18,915 0,760687

21,926 0,832375

24,805 0,856271

27,751 0,927959

Figura 19. Dados velocidade e produto da constante de força contra electromotriz por a intensidade da corrente


Figura 20. Gráfico (k*i)/(w)

Após realizar todos os cálculos relativos ao gráfico anterior encontramos o valor de Tc que é

e o valor de B que é ., 176 N.m ≃ 1 5 , 245 N.m.s/rad ≃ 0 0


4. Conclusões

A realização deste trabalho dividiu-se em duas partes distintas. Numa fase introdutória o

nosso foco foi direcionado para o estudo da definição, estrutura e funcionamento de um

motor de corrente contínua. Nesta primeira parte abordamos de forma teórica os diferentes

sub-temas de forma a obter uma compreensão mais aprofundada de um motor CC.

A segunda parte do trabalho assentou na atividade prática que nos foi proposta nas aulas

desta unidade curricular. Esta fase do trabalho foi também dividida em duas partes

fundamentais. Começamos por realizar medições a resistências e a um motor com a finalidade

de poder comparar e tirar conclusões dos modelos em questão. Neste ponto conseguimos

observar que o modelo de uma resistência é diferente do modelo de um motor CC.

Conseguimos também caracterizar o modelo de uma resistência. Após estas conclusões foi

necessário então encontrar um modelo correspondente ao de um motor CC. Novamente

através de vários ensaios de medições encontramos valores de constantes essenciais para a

caracterização do modelo em causa. Achamos valores das constantes K, R, Tc, B

(anteriormente enunciadas neste relatório). Concluímos assim a segunda parte do relatório e

discutimos os resultados obtidos.

Em suma, a realização deste trabalho permitiu ao grupo tirar várias conclusões essenciais

para um melhor esclarecimento sobre os motores de corrente contínua. Conseguimos concluir

o trabalho com sucesso uma vez que fomos capazes de responder às adversidades encontradas

e obter um modelo de um motor CC, tal como era pretendido.


5. Referências bibliográficas

[1] Arieiro, Tiago Jorge Ruela. 2013. Manutenção e reparação de máquinas-ferramentas de

comando numérico. Tese de mestrado, Universidade do Minho Escola de Engenharia.

[2] Instituto Newton C Braga. 2014. Acedido a 19 de outubro de 2016.

http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/3414-art476a

[3] Wikipédia. 2016. Acedido a 21 de outubro de 2016.

https://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_corrente_cont%C3%ADnua

[4] Cola da Web. 2016. Acedido a 23 de outubro de 2016.

http://www.coladaweb.com/fisica/eletricidade/motores-de-corrente-continua

[5] Infopédia. 2016. Acedido a 24 de outubro de 2016.

https://www.infopedia.pt/$amperimetro

[6] S&E. Acedido a 24 de outubro de 2016.

http://www.seinstrumentos.com.br/voltimetros.html


http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/3414-art476a

https://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_corrente_cont%C3%ADnua


https://www.infopedia.pt/$amperimetro

http://www.seinstrumentos.com.br/voltimetros.html


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