Motores DC sem escovas

Em vez de ter os ímanes numa caixa estática e as bobinas no rotor, podemos colocar os ímanes no rotor e as bobinas no estator. Dessa forma não precisamos de escovas porque a bobina está estática. Contudo, agora precisamos de encontrar uma maneira de mudar a corrente através das bobinas no momento certo, para assegurar que o torque no rotor seja sempre exercido na mesma direcção. Num motor convencional, isso acontece automaticamente pois o comutador actua como um interruptor mecânico. Com um motor sem escovas, precisamos de uma forma para sensorear a posição do rotor, e depois comutar electronicamente a corrente de forma a que esta vá no sentido adequado através da bobina.
Os motores sem escovas podem ser encontrados nos discos rígidos dos leitores de CD e DVD, e em qualquer coisa na qual a eficiência e fiabilidade são mais importantes que o preço. Como o custo dos aparelhos electrónicos está sempre a descer, talvez um dia todos os motores DC sejam construídos desta forma.

Vantagens:

– Não têm escovas
– São simples
– São eficientes
– As bobinas são fixadas à caixa do motor e assim mais fáceis de refrigerar

Desvantagens:

– Requer circuitos electrónicos complementares complexos

Na realidade, escovas são sempre más notícias. Verdade! Elas são uma maneira inteligente de assegurar que, à medida que o rotor roda, a corrente é automaticamente comutada de sentido nas bobinas, para assegurar que o motor continua a rodar. Contudo, tudo o mais acerca delas é mau: são barulhentas, criam fricção, geram interferências eléctricas (devido às faíscas) e reduzem a eficiência (porque haverá sempre uma queda de tensão nos seus terminais). Não apenas isso, elas desgastam-se. Com a moderna electrónica, podemos em vez disso sensorear a posição do rotor (por exemplo, com um dispositivo de efeito de Hall), e então mudar o sentido da corrente com, por exemplo, um transístor MOS-FET.

Isto é uma ventoinha que passa a maior parte da sua vida dentro de um computador, mantendo o microprocessador fresco. Funciona com 12 V DC e tem um motor sem escovas, como é explicado nas letras da etiqueta.

Como prometido, os ímanes estão no rotor (com as lâminas da ventoinha fixadas) num anel à volta da parte exterior da caixa. Por “apalpar” usando um pequeno compasso como ponta de prova, chegámos à conclusão que há quatro pólos (N-S-N-S) à volta do anel.

O “estator”, no centro, tem quatro pequenas bobinas com peças polares de forma a criar um campo magnético forte perto do rotor. Dependendo da direcção da corrente através de cada bobina, ele atrairá ou repelirá o pólo norte. Então, tudo o que temos de fazer é ir mudando o sentido da corrente através das bobinas, de forma sincronizada com a rotação dos ímanes, e continuaremos sempre a exercer um torque que mantém a ventoinha a rodar.

Aqui retirámos a etiqueta e assim podemos ver o circuito electrónico que executa a comutação. Ele consiste num único circuito integrado e uns quantos pequenos condensadores. Afinal não é assim tão complexo! Se googlarmos a referência do CI (LB1962M), ficaremos a saber que é um “driver de onda-completa para motor de ventoinha monofásico”, o que penso que seja tranquilizador.

Mas como sabe o motor o momento exacto em que o íman passa por um pólo, e assim saber que é a altura certa para inverter o sentido da corrente? Há três técnicas usadas mais comummente:

– Sensores de efeito de Hall. Esta é uma forma elegante, sem contacto, de saber onde os ímanes estão
– Força contra electromotriz. Esta é ainda mais elegante. Não usa sensores, mas utilize o facto de que o íman ao passar perto da bobina induzirá uma tensão nele, e utiliza esta tensão para nos dizer onde está o íman
– Não se rale. Para uma abordagem minimalista, bastará irmos comutando as bobinas em sequência e assumir que o rotor se manterá a rodar. Para motores com uma pequena carga isso é bastante definidor (por exemplo uma ventoinha), isto funciona bastante bem.

Motores Passo-A-Passo

Os motores passo-a-passo são úteis para posicionar coisas. Ao contrário dos motores convencionais DC que apenas rodam e rodam quando lhes aplicamos tensão de alimentação, um motor passo-a-passo requer que a corrente através de duas ou mais das suas bobinas mude numa sequência específica. Cada vez que esta sequência é respeitada, o motor passo-a-passo dá um passo, no sentido dos ponteiros do relógio ou no sentido contrário. Com um adequado circuito digital (ou um computador) a fornecer um número adequado de repetições da sequência, o motor mover-se-á o ângulo pretendido. Os motores passo-a-passo são utilizados para movimentar o papel nas impressoras, para posicionar as cabeças de leitura dos discos rígidos dos computadores, e em servomecanismos simples.

Vantagens:

– Move-se em passos discretos e bem definidos
– Mantêm a posição quando desligamos a alimentação

Desvantagens:

– Requer circuitos electrónicos complexos
– Não é muito eficiente

Este motor em particular move-se em passos de 1.8 graus de cada vez. É um exemplo de um motor passo-a-passo híbrido, que tem um rotor magnetizado que também possui dentes de ferro.

O estator tem um conjunto de bobinas (neste caso, oito) cada uma das quais alimenta um pólo simples. Esses pólos, por sua vez, têm quatro dentes cada. As bobinas nos pólos 1, 3, 5 e 7 estão ligadas umas às outras: chamemos-lhe Fase A. Os pólos 2, 4, 6 e 8 estão também ligados uns aos outros e formam a Fase B. Há depois uma ligação exterior a cada extremidade das duas fases e à parte central das bobinas, perfazendo seis fios no total.

O rotor também tem uma série de dentes que correspondem exactamente aos dentes dos pólos da caixa. Contudo, nem todos os dentes do rotor estão alinhados com todos os dentes do estator em qualquer momento! Na realidade, os dentes do rotor estão em dois conjuntos, um frontal e outro traseiro. Estes dois conjuntos rodam metade de um dente um em relação ao outro. Entre estes dois conjuntos existe um íman permanente, e assim o conjunto frontal corresponde a um pólo norte e o conjunto traseiro a um pólo sul. (Tudo isto parece desnecessariamente complexo, e é. As únicas razões é que esta é a única forma de conseguir pequenos passos de rotação e extremamente precisos – neste caso 1.8º de cada vez.)

Se alimentarmos as bobinas da Fase A, o rotor rodará de forma a que os seus dentes se alinhem com os dentes dessa fase. Se alimentarmos a Fase B, o rotor rodará ligeiramente porque os dentes da Fase B não estão alinhados com os da fase A. Se depois retirarmos a alimentação, e o rotor vai-se alinhar com os dentes da Fase B. A seguir alimentamos a Fase A com polaridade inversa, retiramos a alimentação da fase B, alimentamos a Fase B com polaridade inversa, retiramos a alimentação à Fase A, realimentamos a Fase A com polaridade original, e assim completamos um passo! Se escrevermos todas estas etapas como uma forma de passos de dança, será qualquer coisa do estilo: A+A+B+B+A-B+A-A-B-B-A+B-A+
Existem muitas outras variedades de motores passo-a-passo. Alguns não têm ímanes no rotor (são chamados de motores passo-a-passo de relutância comutada), e alguns têm ímanes mas não têm ferro.

Motores DC “Convencionais”

Numa casa comum haverá, por certo, muitos destes motores, espreitando de dentro de brinquedos alimentados a pilhas, o leitor de cassetes, o berbequim sem fios, a escova de dentes eléctrica. Dentro do carro, tudo, desde a ventoinha até aos limpa pára-brisas, funcionam a partir de um motor DC. De facto, um carro de luxo com limpa faróis eléctricos, assentos ajustáveis electricamente e retrovisores com comando à distância, terão mais motores eléctricos do que será capaz de imaginar – uma competição engraçada é contá-los e ver quem consegue encontrar mais.

Vantagens:

– Razoavelmente baratos
– Fáceis de controlar
– Adaptáveis

Desvantagens:

– Escovas que se desgastam
– Escovas criam interferência eléctrica
– Escovas são más

A maioria dos motores DC parecem-se com aquele que mostramos a seguir. Este exemplar é maravilhosamente belo e provavelmente custou uma pipa de massa.

Porém, isso não impedirá de o desmontarmos todo.

Começando pela esquerda, temos a tampa e as duas escovas de carvão que fazem contacto com o comutador, depois o rotor, a caixa do estator e os dois ímanes permanentes em forma de C, a caixa da caixa de velocidades, uma pequena roda dentada que saiu de um sítio qualquer, e a cabeça girante e o eixo exterior.

As duas escovas são blocos sólidos de grafite, e são pressionadas contra o comutador pelas duas pequenas molas (situadas ligeiramente afastadas no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio, das escovas). O disco cor de laranja é um condensador que está directamente ligado À fonte de alimentação e ao motor e ajuda a reduzir as rádio-interferências causadas pelas faíscas que saltam no sítio em que as escovas estão em contacto com o comutador.

O rotor é muito simples…

… e vem montado numa igualmente simples caixa com dois ímanes em C. A caixa é feita de ferro macio e cria os pólos magnéticos do estator.

A melhor coisa acerca deste motor a caixa de velocidades planetária multiestado que apresenta no fim!