Na indústria de controle de fluidos em miniatura, os motores sem escova são a principal fonte de energia para equipamentos convencionais, incluindo bombas de água em miniatura e bombas de vácuo em miniatura. Pequenas válvulas solenóides cooperam com motores para obter regulação automática de fluxo. Recentemente, muitos compradores de equipamentos concentraram-se no desempenho do BLDC; portanto, estamos lançando um artigo científico popular serializado para desvendar o conhecimento básico deste motor de alta eficiência.
Compreender os princípios e aplicações de motores de alta eficiência: Os motores elétricos convertem a energia elétrica fornecida em energia mecânica. Vários tipos de motores elétricos são amplamente utilizados. Entre eles, os motores DC sem escova (BLDC) são altamente eficientes e possuem excelente controlabilidade, sendo amplamente utilizados em diversas aplicações. Comparados com outros tipos de motores, os motores BLDC apresentam vantagens de economia de energia.
Os motores elétricos são máquinas de transmissão elétrica.
Quando os engenheiros enfrentam o desafio de projetar equipamentos elétricos para realizar tarefas mecânicas, eles podem considerar como os sinais elétricos são convertidos em energia. Portanto, atuadores e motores estão entre os dispositivos que convertem sinais elétricos em movimento. Os motores convertem energia elétrica em energia mecânica.
O motor elétrico mais simples é o motor DC sem escovas. Neste tipo de motor, a corrente flui através de bobinas colocadas dentro de um campo magnético fixo. A corrente gera um campo magnético nas bobinas; isso faz com que o conjunto da bobina gire à medida que cada bobina é empurrada para longe de seu próprio pólo e puxada em direção a um pólo do campo magnético fixo. Para manter a rotação, a corrente precisa ser constantemente invertida, fazendo com que a polaridade da bobina inverta continuamente, fazendo com que as bobinas continuem a "perseguir" o pólo do campo magnético oposto. A energia para as bobinas é fornecida por escovas condutoras fixas que entram em contato com o comutador rotativo; a rotação do comutador faz com que a corrente flua através das bobinas na direção oposta. O comutador e as escovas são os principais componentes que distinguem os motores CC com escovas de outros motores.
A Figura 1 ilustra o princípio geral de um motor DC com escovas.
Figura 1: Operação de um motor DC escovado.
As escovas fixas fornecem energia elétrica ao comutador rotativo. À medida que o comutador gira, ele inverte continuamente a direção da corrente que flui para as bobinas, invertendo assim a polaridade das bobinas e mantendo-as girando para a direita. O comutador gira porque está conectado a um rotor no qual as bobinas estão montadas.
Tipos comuns de motores
Os motores diferem no tipo de potência (CA ou CC) e no método de geração de rotação (Figura 2). A seguir apresentamos brevemente as características e aplicações de cada tipo.
Figura 2: Diferentes tipos de motores
Os motores CC escovados têm design simples, são fáceis de controlar e amplamente utilizados para abrir e fechar bandejas de disco. Nos automóveis, eles são comumente usados para retrair, estender e posicionar vidros laterais elétricos. O baixo custo desses motores os torna adequados para muitas aplicações. Entretanto, uma desvantagem é que as escovas e o comutador tendem a se desgastar de forma relativamente rápida devido ao contato contínuo, exigindo substituição frequente e manutenção regular.
Os motores de passo são acionados por pulsos; para cada pulso recebido, ele gira em um ângulo específico (passos). Como o processo de rotação é inteiramente controlado pelo número de pulsos recebidos, esses motores são amplamente utilizados para ajuste de posição. Eles são frequentemente usados para controlar o processo de alimentação de papel em aparelhos de fax e impressoras – porque esses dispositivos alimentam o papel em etapas fixas e essas etapas são facilmente correlacionadas com a contagem de pulsos. O controle de pausa também é fácil de implementar, pois a rotação do motor para imediatamente quando o sinal de pulso é interrompido.
Ao utilizar motores síncronos, a rotação é sincronizada com a frequência da corrente da fonte de alimentação. Esses motores são comumente usados para acionar as bandejas rotativas em fornos de micro-ondas; as engrenagens de redução na unidade do motor fornecem a velocidade de rotação adequada para aquecer os alimentos. Nos motores de indução, a velocidade de rotação varia com a frequência, mas os movimentos são assíncronos. No passado, esses motores eram comumente usados em ventiladores elétricos e máquinas de lavar.
Existem vários tipos de motores comumente usados; nesta seção, veremos as vantagens e aplicações dos motores CC sem escovas.
Por que os motores BLDC giram?
Como o nome sugere, os motores DC sem escovas não usam escovas. Nos motores com escovas, as escovas transferem corrente para as bobinas do rotor por meio de um comutador. Então, como um motor sem escova transfere corrente para as bobinas do rotor? Nenhum – porque as bobinas não estão localizadas no rotor. O rotor é um ímã permanente; as bobinas não giram, mas são fixadas ao estator. Como as bobinas não se movem, não são necessárias escovas e comutador. (Ver Figura 3) Nos motores escovados, a rotação é obtida controlando o campo magnético gerado pelas bobinas do rotor, enquanto o campo magnético gerado pelo ímã estacionário permanece constante. Para alterar a velocidade de rotação, a tensão nas bobinas precisa ser alterada. Em um motor BLDC, o ímã permanente gira; a rotação é obtida alterando a direção do campo eletromagnético gerado pelas bobinas estacionárias circundantes. Para controlar a rotação, a magnitude e a direção da corrente que flui para essas bobinas precisam ser ajustadas.
Figura 3: Motor BLDC.
Como o rotor é um ímã permanente, não necessita de corrente, eliminando assim a necessidade de escovas e comutadores. A corrente para as bobinas estacionárias é controlada externamente.
Vantagens dos motores BLDC
Um motor BLDC com três bobinas no estator terá seis fios (dois para cada bobina) saindo dessas bobinas. Na maioria das implementações, três destes fios serão conectados internamente, com os três restantes estendendo-se a partir do corpo do motor (em contraste com os dois fios do motor escovado descritos anteriormente). A fiação dentro da carcaça de um motor BLDC é mais complexa do que simplesmente conectar os terminais positivo e negativo de uma fonte de alimentação; examinaremos o funcionamento desses motores com mais detalhes na Parte II desta série. A seguir, concluímos entendendo as vantagens dos motores BLDC.
Uma vantagem significativa é a eficiência, pois esses motores podem operar continuamente com torque máximo. Em contraste, os motores escovados só podem atingir o torque máximo em determinados pontos de rotação. Para fornecer o mesmo torque de um motor sem escovas, os motores com escovas requerem ímãs maiores. É por isso que mesmo pequenos motores BLDC podem fornecer uma potência considerável.
A segunda grande vantagem relacionada à primeira é a controlabilidade. Os motores BLDC podem ser controlados através de mecanismos de feedback, fornecendo com precisão o torque e a velocidade necessários. O controle preciso, por sua vez, reduz o consumo de energia e a geração de calor e – nos casos em que o motor é alimentado por bateria – prolonga a vida útil da bateria.
Por não possuírem escovas, os motores BLDC também oferecem alta durabilidade e baixa geração de ruído elétrico. Nos motores escovados, as escovas e o comutador se desgastam devido ao contato em movimento contínuo, gerando faíscas nos pontos de contato. O ruído eléctrico, em particular, resulta das fortes faíscas facilmente geradas à medida que as escovas passam através da abertura do comutador. É por isso que os motores BLDC são geralmente considerados a melhor escolha em aplicações onde o ruído elétrico deve ser evitado.
Aplicações ideais de motores BLDC
Vimos que os motores BLDC oferecem alta eficiência e controlabilidade e têm uma longa vida operacional. Então, quais são seus usos? Devido à sua eficiência e vida útil, são amplamente utilizados em equipamentos de operação contínua. Eles são usados há muito tempo em máquinas de lavar, aparelhos de ar condicionado e outros produtos eletrônicos de consumo; mais recentemente, surgiram também em ventiladores, onde sua alta eficiência reduz significativamente o consumo de energia.
Eles também são usados para acionar máquinas de vácuo. Num caso, uma alteração no programa de controlo resultou num salto dramático na velocidade – um exemplo do elevado nível de controlabilidade que estes motores oferecem.
Os motores BLDC também são usados para acionar unidades de disco rígido; a sua durabilidade permite que os drives operem de forma confiável por longos períodos, enquanto a sua eficiência energética ajuda a reduzir o consumo de energia em um setor cada vez mais importante.
Rumo a aplicações futuras mais amplas
Podemos esperar que, no futuro, os motores BLDC sejam amplamente utilizados em uma ampla gama de aplicações. Por exemplo, podem ser amplamente utilizados para conduzir robôs de serviço – pequenos robôs que prestam serviços em setores fora da indústria transformadora. Pode-se pensar que os motores de passo são mais adequados para este tipo de aplicação, pois os pulsos podem ser usados para controle preciso do posicionamento. No entanto, os motores BLDC são mais adequados para controlar a força. Usando motores de passo, manter a posição de estruturas como braços de robôs requer uma corrente relativamente grande e contínua. Com motores BLDC, a corrente necessária é proporcional à força externa, resultando em um controle com maior eficiência energética. Os motores BLDC também podem substituir motores CC simples com escovas em carrinhos de golfe e veículos móveis. Além de maior eficiência, os motores BLDC oferecem um controle mais preciso – o que, por sua vez, pode prolongar ainda mais a vida útil da bateria.
Os motores BLDC também são ideais para drones. A sua capacidade de fornecer um controlo preciso torna-os particularmente adequados para drones multi-rotor, permitindo um controlo preciso da atitude do drone, controlando a velocidade de rotação de cada rotor.
