Como funcionam os motores escovados? Comutador, escovas e curva de torque explicados

A resposta curta: a corrente da bobina inverte conforme ela gira

A motor escovado possui duas partes magnéticas e uma chave rotativa. O campo é estacionário, produzido por ímãs permanentes no invólucro ou por um enrolamento de campo separado. As bobinas de trabalho ficam na armadura, enroladas em torno de um núcleo de ferro que é fixado ao eixo e gira livremente.

A corrente contínua chega a essas bobinas através das escovas. Cada escova pressiona o comutador, um cilindro de segmentos de cobre isolados. A corrente entra pela escova positiva, atravessa o segmento abaixo dela, viaja através de uma bobina da armadura e sai pelo segmento oposto e pela escova. Como essa bobina agora transporta corrente dentro de um campo magnético, cada lado dela sente uma força perpendicular ao campo e à corrente, e as duas forças atuam em lados opostos do eixo. A armadura gira.

O problema é que uma bobina com corrente fixa oscilaria para se alinhar com o campo e pararia aí. O comutador impede isso. À medida que a armadura gira, cada escova desliza de um segmento para o seguinte, invertendo a corrente naquela bobina ao cruzar o plano neutro. A polaridade da bobina muda, então a força continua empurrando o rotor na mesma direção. Para cada bobina, essa inversão acontece duas vezes por revolução, e o tempo é definido apenas pela geometria: largura do segmento, largura do pincel e posição do pincel.

O que cada parte faz e qual sintoma aponta para ela

Quando um motor escovado apresenta desempenho inferior, a falha geralmente ocorre em um dos cinco locais, e cada um deixa uma impressão digital diferente.

A superfície de contato é tão importante quanto as próprias peças. Uma película fina, uniforme e escura no comutador mantém a formação de arco baixo; cobre seco e brilhante geralmente significa que o grau da escova é muito abrasivo ou que o motor funciona muito levemente por longos períodos.

Por que a corrente reverte duas vezes por revolução

1. A corrente de alimentação entra pela escova positiva e entra no segmento do comutador que a toca.
2. Esse segmento direciona a corrente através de uma bobina da armadura, que se torna um eletroímã com extremidades norte e sul.
3. Sua extremidade norte é repelida pelo pólo norte do estator e atraída pelo pólo sul do estator, de modo que a armadura gira.
4. No plano neutro, a escova atravessa o espaço isolado entre os segmentos e a corrente para aquela bobina é brevemente cortada.
5. O próximo segmento assume o controle e a direção da corrente através da bobina é agora invertida.
6. Os pólos da bobina foram trocados, então a força continua empurrando na mesma direção de rotação em vez de frear o eixo.

Um motor escovado é uma chave rotativa com um ímã aparafusado ao seu redor. A poeira da escova, a vida útil da escova, o ruído de radiofrequência e o prático teto de velocidade vêm desse interruptor, assim como o preço baixo.

A quarta etapa é para onde vai o esforço de engenharia. Durante a breve interrupção, a indutância da bobina tenta manter a corrente fluindo, e essa energia tem que ir para algum lugar: um pequeno arco na face da escova, um pouco de calor ou um pico de tensão que um capacitor de supressão absorve. O grau da escova, a pressão da mola e o espaçamento dos segmentos são escolhidos para manter o arco pequeno o suficiente para sobreviver milhares de horas.

Velocidade, Torque e Back EMF: Lendo os Números Corretamente

Uma bobina giratória dentro de um campo magnético também é um gerador. A voltagem que ele produz se opõe à fonte e é chamada de EMF de volta, e cresce com velocidade. A aritmética é fácil de ver.

Pegue um motor escovado de 12 V com 1,2 ohms de resistência de armadura. No instante em que a chave fecha, o rotor fica estacionário, o EMF traseiro é zero e o enrolamento pode puxar cerca de 10 A. Uma fração de segundo depois, operando perto de 3.000 rpm, o EMF traseiro pode ter subido para aproximadamente 10,5 V, deixando apenas 1,5 V através da resistência, ou cerca de 1,25 A. A corrente de partida e a corrente de operação são quantidades diferentes, e uma fonte dimensionada apenas na figura de funcionamento irá escurecer a cada partida.

• A velocidade de funcionamento livre é medida sem nada no eixo; a velocidade citada em uma página de catálogo geralmente é o valor em carga nominal, que é menor.
• As tolerâncias são reais. Uma janela de mais ou menos 10 por cento na velocidade sem carga é normal e altera o fluxo de ar, o consumo de corrente e o ruído no aparelho acabado.
• O torque de estol é um valor máximo por alguns segundos, no máximo. É útil para dimensionar um fusível, não para descrever serviço contínuo.

Onde os motores escovados ainda vencem no design de eletrodomésticos

A comutação sem eletrônicos adquire um conjunto específico de vantagens, e elas ainda são importantes em produtos sensíveis ao custo:

• Menor custo unitário por watt de potência do eixo, especialmente entre 5 W e 150 W.
• Torque de partida confiável; o motor puxa com força a partir da velocidade zero sem um controlador.
• Controle de velocidade com um estágio PWM, um resistor em série ou uma fonte variável.
• Mudança de direção trocando dois cabos.
• Comportamento elegante quando a tensão da bateria cai.

Essa combinação mantém motores escovados em ventiladores de mesa, resfriadores de ar evaporativos, pequenos aquecedores com ventilador, extratores de cozinha de baixo custo, bombas de água e uma longa lista de acessórios automotivos.

Os fabricantes de eletrodomésticos que comparam unidades para movimentação de ar geralmente avaliam os dois tipos antes de bloquear um projeto. Refrigeradores de convecção forçada e ventiladores de mesa, por exemplo, agora têm alternativas DC que funcionam em velocidade variável.

Desgaste da escova, calor e ruído elétrico: as compensações honestas

A vida útil da escova é a primeira coisa a quantificar, porque define a promessa de manutenção que você pode fazer. Pequenas escovas de carvão em motores para eletrodomésticos geralmente duram entre 500 e 2.000 horas de funcionamento, e a faixa é ampla por um bom motivo: um motor que dá partida e para o dia todo se desgasta mais rápido do que um que funciona continuamente, porque grande parte da perda da escova ocorre no arco de partida.

O calor é o segundo problema. As perdas aparecem no cobre, no ferro e na face da escova, e o rotor tem o pior caminho para o ar externo. A classe de isolamento do enrolamento, e não a temperatura do invólucro, define o limite real do serviço contínuo. O ruído elétrico é o terceiro: cada arco na face da escova é um pequeno transmissor de banda larga, e é por isso que os motores com escova geralmente são fornecidos com capacitores de supressão ou bobinas já instaladas.

Especificando um motor escovado: uma lista de verificação prática do comprador

Dois fornecedores podem citar “12 V, 3.000 rpm” e ainda assim fornecer motores que se comportam de maneira diferente no mesmo aparelho, pois um valor é cotado sem carga e o outro com torque específico. Solicite o ponto de carga por escrito.

• Tensão nominal, mais a faixa que a aplicação realmente verá.
• Velocidade sem carga e corrente sem carga.
• Velocidade, torque e corrente no ponto operacional pretendido.
• Torque de perda, com um limite de tempo para mantê-lo.
• Escove a meta de vida útil em horas em seu ciclo de trabalho real.
• Serviço contínuo ou intermitente e partidas esperadas por hora.
• Classe de isolamento e temperatura máxima do enrolamento.
• Componentes de supressão instalados e o padrão de emissão que eles atendem.
• Diâmetro, comprimento e tolerância do eixo, além de padrão de flange e parafuso.
• Ruído acústico em dB(A) no ponto de carga, a uma distância determinada.
• Certificações exigidas no mercado de destino.

Também ajuda trabalhar com um fornecedor de motor elétrico pequeno que é construído com base em um desenho ou amostra, em vez de apenas enviar itens de catálogo, porque dois milímetros de comprimento de eixo ou um grau de escova diferente geralmente é a diferença entre um motor que cabe e outro que não cabe. Como o conjunto comutador e escova se comporta sob carga real, vale a pena revisar antes que um desenho seja assinado.

Escovado ou sem escova: escolhendo sem arrependimento

A decisão geralmente se resume ao ciclo de trabalho e aos requisitos de controle, e não ao desempenho bruto.

A ventilação da cozinha mostra claramente a mudança: os exaustores funcionam durante períodos longos e irregulares e são avaliados pelo ruído a baixa velocidade, pelo que os acionamentos CC de velocidade variável têm conquistado uma quota crescente desse mercado.