Guia Mangá Motores elétricos Autor: Masayuki Morimoto Arte: Ren Shimazu • Produção: Trend-pro Co., Ltd
novatec
Original Japanese edition Manga de Wakaru Motors by Masayuki Morimoto and TREND-PRO Co., Ltd. Copyright © 2014 by Masayuki Morimoto, and TREND-PRO Co., Ltd. Published by Ohmsha, Ltd. 3-1 Kanda Nishikicho, Chiyodaku, Tokyo, Japan Portuguese language edition copyright © 2016 by Masayuki Morimoto and TREND-PRO Co., Ltd. Published by Novatec Editora Ltda. Translation rights arranged with Ohmsha, Ltd. Publicação original japonesa Manga de Wakaru Motors por Masayuki Morimoto e TREND-PRO Co., Ltd. Copyright © 2014 por Masayuki Morimoto e TREND-PRO Co., Ltd. Publicado pela Ohmsha, Ltd. Edição em português copyright © 2016 por Masayuki Morimoto e TREND-PRO Co., Ltd. Publicado pela Novatec Editora Ltda. Direitos de tradução negociados com a Ohmsha, Ltd. © Novatec Editora Ltda. 2016. Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei 9.610 de 19/02/1998. É proibida a reprodução desta obra, mesmo parcial, por qualquer processo, sem prévia autorização, por escrito, do autor e da Editora. Editor: Rubens Prates Tradução: Ivan Luis Lopes Assistente editorial: Priscila A. Yoshimatsu Editoração eletrônica: Carolina Kuwabata e Camila Kuwabata Revisão gramatical: Priscila A. Yoshimatsu ISBN: 978-85-7522-482-3 Histórico de impressões: Março/2016
Primeira edição
Novatec Editora Ltda. Rua Luís Antônio dos Santos 110 02460-000 – São Paulo, SP – Brasil Tel.: +55 11 2959-6529 Email: novatec@novatec.com.br Site: www.novatec.com.br Twitter: twitter.com/novateceditora Facebook: facebook.com/novatec LinkedIn: linkedin.com/in/novatec PY20160229
CapĂtulo
1
Motores diversos
1.1 Onde os motores são usados?
Atualmente os motores nos auxiliam em quase toda a nossa vida cotidiana.
é mesmo?!
Veja este gráfico! Ele representa os itens de consumo de energia elétrica no Japão!
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Uso de energia elétrica no Japão
Aquecimento
Mas eles são... aquelas máquinas que giram quando ligados à eletricidade, não é?
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Você está dizendo que a maioria das coisas no mundo funciona com um mecanismo tão simples...?
10
aç
in
um
Motores
Na verdade, mais da metade da energia elétrica gerada por ano, que chega a 1 trilhão de kWh,
é utilizada para mover motores
Mais da metade?!
Dizem que, se a eficiência dos motores aumentar em 1%...
Hein?! Então... Quer dizer que grandes cidades como Tóquio estão tão cheias de motores assim?
algumas usinas geradoras se tornarão desnecessárias.
Tanto as cidades grandes quanto as do interior estão cheias de motores.
Por exemplo...
você sabia que tem um motor aqui dentro do ventilador?
Quando a corrente elétrica passa, esse motor gira...
Tem um motor aqui
e as hélices conectadas ao motor também giram.
Motor que gira o disco
Nas lavadoras automáticas também são utilizados motores para mexer e drenar a água.
Motor que move a bandeja Hélices para mexer a água
Motor
Alguns motores são usados nos Blue-Ray players. Ao colocarmos um disco, a bandeja se move por meio de um motor que a carrega para o interior do aparelho. Depois disso, outro motor faz o disco girar.
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O movimento da lâmina dos barbeadores elétricos
A função de vibração dos telefones celulares também
é o giro do motor interno convertido em movimento lateral. vrrr
O ar quente soprado pelo secador de cabelos também vem de um motor que gira uma ventoinha no interior do aparelho.
existe graças a um pequeno motor que faz um peso vibrar no seu interior.
Hoje em dia não existem muitas pessoas sem celular, não é? Nós andamos por aí carregando pelo menos um motor conosco.
Além dos eletrodomésticos, A... Aqui tembém tem um motor...
os motores são úteis de várias outras formas no nosso dia a dia.
Nas escadas rolantes também há um motor embaixo do piso.
Corrímão móvel Escada
Motor
Motor
Os elevadores também são erguidos e baixados por um motor.
Cabine
Contrapeso
Os teleféricos se movimentam por meio de um motor localizado no cume da montanha.
Gôndola Mecanismo de desaceleração Motor
Peso para manter a corda esticada
Torneira
As bombas que distribuem água nos edifícios também são movidas por motores!
Os motores movem até a água... Caixa-d'água
Cano de distribuição
Bomba ativada por motor
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Há muitos deles Nos meios de transporte também!
Quando os motores localizados no interior dessa plataforma giram, eles movimentam as rodas...
Motores
Existe uma plataforma na qual estão presas as rodas, abaixo do assoalho dos trens.
Então é assim que os trens correm?
Os veículos elétricos utilizam motores para: Bateria
Gerador
Os veículos híbridos utilizam tanto motores elétricos quanto de explosão para andar.
Motor de explosão Motor elétrico
Bateria
Carro elétrico
Motor híbrido
Nos barcos, o motor localizado dentro do propulsor instalado no casco movimenta as hélices e faz o barco avançar e mudar de direção.
Propulsor
Motor
Carro híbrido
É mesmo...? os carros mais novos andam até com eletricidade, né?
Mas mesmo nos carros movidos a motor de explosão, são usados diversos motores elétricos!
Quê?! Onde?
São No mínimo 50 motores... Um carro de luxo deve ter em torno de 150 motores.
Motor do teto solar
Motor do purificador de ar Motor da porta automática do porta-malas Motor da antena Motor da cortina traseira
Motor do limpador de para-brisa (frontal e traseiro) Bomba do esguicho (frontal e traseiro) Motor do retrovisor por controle remoto Motor do invólucro do retrovisor
Motor da bomba de combustível
Motor Motor Motor Motor Motor Motor
da ventoinha de arrefecimento do radiador da ventoinha de arrefecimento do condensador do controlador de velocidade de marcha lenta da bomba de ar da bomba-d'água da bomba a vácuo
Essa quantidade de motores é utilizada em diversas partes dos carros.
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T-Tudo isso...?!
Motor do ar-condicionado Motor do banco automático Motor da janela automática Motor da trava da porta Motor do encosto automático do banco Motor do cinto de segurança automático Motor do piloto automático
Bem, há outras coisas que giram nos carros além dos pneus, não é mesmo?
As ventoinhas e a bomba de combustível dos automóveis funcionam graças aos motores acoplados a elas.
Bomba de combustível
Motor à explosão
Os motores instalados nos veículos também produzem outros tipos de movimento, além do giro. Por exemplo, esta janela elétrica...
utiliza um motor para movimentar o cabo que está preso à janela
Vidro
e fazer com que ela suba ou desça acompanhando o trilho.
Subir
Motor Trilho Descer
Capítulo 1 Motores diversos
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O limpador de para-brisa converte o movimento giratório do motor em movimento horizontal e se move para a esquerda e para a direita.
Movimento horizontal das paletas do limpador
Movimento horizontal
Movimento giratório
Motor do limpador de para-brisa
Então os motores não "giram" apenas...
Gulp!
Sinto que cada vez menos sei onde eles são usados...
Ei, vocês!! Como ousam se aproximar do meu carro sem permissão? Se vocês fizerem um risco vão pagar caro por isso!!
Ah, não.
um típico malandro...!
grrr
Não me lembro de precisar pedir permissão a alguém que estaciona sem autorização!!
!!
Esse carro no meio da rua comercial tá atrapalhando...
Se você não tirar ele logo, eu vou chamar a polícia!
Tu... Tudo bem! Eu vou tirá-lo daqui.
que... E é proibido parar aqui!
corajosa...
1.2 Os motores mais usados
E não volte mais aquii!
vruuum
Ultimamente tem aparecido várias pessoas daquele tipo por aqui.
Só podia ser a Koiruzinha.
mas graças à você, Koiru, eu posso ficar tranquila! hehe...
hum? Quem é esse?
Ah, é um freguês. Eu estava explicando para ele como os motores são incríveis e acabei metendo ele naquela confusão.
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Entendi...
Eu quero deixar bem claro que ela só foi gentil e te ensinou porque ela gosta muito de motores.
Isso não quer dizer que ela tem algum interesse em você... Então Não se engane.
hunf
Do... do que você está falando...?
!?
Aprenda logo e vá embora.
Existem muitos tipos de motor, e eles podem ser escolhidos de acordo com a sua utilidade e a potência de saída... Ah!
Argh!!
quem fala de motores aqui sou eu!
Capítulo 1 Motores diversos
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Um iniciante no ASSUNTO de motores deve conhecer estes quatro tipos!
Primeiro, o "motor de corrente contínua", muito utilizado em aparelhos de pequeno porte.
A maioria dos motores de modelos que funcionam com baterias é desse tipo.
Depois, temos outro motor de pequeno porte usado com frequência em computadores e eletrodomésticos: o "motor sem escovas"!
Tem também o "motor síncrono", que passou a ser utilizado atualmente não apenas em aparelhos de ar-condicionado e automóveis híbridos, mas na maioria das máquinas!
Além desses, existem muitos outros tipos, como o "motor de relutância variável" e o "motor linear", mas...
Motor de giro
Por fim, o "motor de indução" amplamente utilizado, que pode ser encontrado até mesmo em aparelhos de pequeno porte, como ventiladores e circuladores de ar!
Motor linear
Estator
Rotor
se você conhecer antes pelo menos esses quatro tipos... você já poderá sentir o encanto dos motores!
Classificação do motor
Campo em que é mais utilizado
Escala em que é mais utilizado
Motor de corrente contínua
automóveis, aparelhos de áudio, modelos
Porte muito pequeno
Motor sem escovas
eletrodomésticos, computadores, eletrodomésticos de pequeno porte
Pequeno porte
Motor síncrono
ar-condicionado, robôs, veículos elétricos
Pequeno a médio porte
Motor de indução
bomba, trem, elevador, ventilador
Pequeno a grande porte
Capítulo 1 Motores diversos
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1.3 Os motores estão evoluindo
Nossa... Os motores são realmente incríveis, né?!
Se interessou?!
Eu sou de humanas... Fui reprovado no vestibular uma vez, mas finalmente passei.
Eu gosto de desenhos animados, mas não muito de máquinas...
Se você conhecer, vai começar a gostar! Nunca tinha pensado muito a respeito dos motores...
Hoje em dia, motores fantásticos estão sendo construídos um atrás do outro...
A primeira foi a "descoberta do ímã de neodímio" em 1984!
E isso tudo graças às "três revoluções" que aconteceram no século 20!
Tcham!
Três revoluções?!
O seu magnetismo é muito forte. Graças ao ímã permanente, foi possível
Tudo isso graças a este ímã...
alterar o formato dos motores, podendo achatá-los e afiná-los além de diminuir o seu tamanho.
A propósito, o descobridor do ímã de neodímio foi um japonês,
e foi a tecnologia japonesa que ampliou a utilidade dos motores utilizando esse ímã.
A habilidade do Japão de "construir coisas" é mesmo impressionante...
Bem, a segunda "revolução" foi a criação do...
"transistor bipolar de porta isolada (IGBT)".
graças a este novo semicondutor, nós passamos a poder controlar completamente a corrente do motor.
Só uma pessoa com um verdadeiro fetiche por motores teria algo assim...
E a terceira foi o "desenvolvimento dos computadores" que controlam os motores. Os sistemas operacionais também se desenvolveram continuamente...
Foi por meio dessas três "revoluções", ou seja, do avanço dessas tecnologias, que os motores... "evoluíram" na virada do século 21!
Vou dar um exemplo da "evolução dos motores" que você deve conhecer...
Os "elevadores sem casa de máquinas"!
A quantidade de elevadores que vão da área das catracas até a plataforma nas estações de metrô e trem aumentou recentemente, não foi?
Isso também se deu graças à "evolução dos motores".
Casa de máquinas
Originalmente, os elevadores necessitavam de uma "casa de máquinas" no telhado, que abrigava o motor e o dispositivo de trasmissão.
Por isso, se instalássemos um elevador no subsolo, seria necessário uma casa de máquinas na superfície.
seria complicado construí-la na superfície acima do metrô.
Capítulo 1 Motores diversos
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Mas graças ao ímã de neodímio, o motor com o formato achatado
pode ser colocado dentro do poço do elevador,
e, por meio do controle computadorizado, o motor pode funcionar em baixa velocidade, Motor achatado
dispensando o dispositivo de transmissão.
O método de acionamento direto do motor, sem o uso de um dispositivo de transmissão, é chamado "direct drive".
Podem ser construídos elevadores "sem casa de máquinas" e "totalmente subterrâneos" .
graças a esses avanços tecnológicos...
A tecnologia... tem avançado bem perto de nós, né?
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As máquinas de lavar com abertura horizontal antigamente eram encontradas apenas em lavanderias.
a razão para isso é que,
bam! bam!
embora fossem feitas com motores convencionais, não cabiam nas casas japonesas.
Mas graças ao ímã de neodímio, um motor de menor espessura foi criado
e o direct drive se tornou possível...
E hoje podemos construir máquinas de lavar de abertura horizontal que cabem também nas casas japonesas.
ouvindo você falar assim, acabei ficando com vontade de trocar a minha lavadora por uma horizontal...
é mesmo?
Capítulo 1 Motores diversos
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Até então a caixa-d'água era instalada no topo e a água era bombeada até a caixa.
O fato de não haver caixa-d'água no topo dos prédios altos de apartamentos mais recentes também se deve à "evolução dos motores".
A pressão para a sua distribuição pelo encanamento era criada pela diferença de altura.
As bombas modernas funcionam continuamente e aumentam diretamete a pressão da água ao mesmo tempo que exercem um controle, de acordo com a utilização, para manter essa pressão.
O aumento recente da quantidade de páginas coloridas nos jornais também ocorreu por meio da "evolução dos motores".
Bomba acionada por motor
Então foi por isso que a caixad'água no topo dos prédios deixou de ser necessária?
Superfície
os jornais são impressos a uma velocidade de dezenas de milhares de cópias por minuto por uma impressora chamada "prensa rotativa",
O quê?! até isso? que movimenta o papel usando mais de 50 motores.
Mas se a impressão é colorida, além da tinta preta, é necessário colocar também as cores ciano, magenta e amarelo, sem mudar a posição do papel.
A impressão colorida dos jornais de antigamente era feita lentamente a fim de evitar que a tinta fosse colocada no lugar errado... e era usada apenas nas edições de domingo.
Mas com a evolução dos motores, tornouse possível controlar a prensa rotativa com precisão...
e hoje a impressão colorida é possível todos os dias!
Motores são mesmo legais! São usados em eletrodoméstcos, na água e até nos jornais...
hehe! é verdade!
ohhhhh!
querem saber mais sobre os motores?
gulp
não acham que estão atrapalhando os negócios?
Ei, vocês!
se não vão comprar, vão embora logo! Grrr...
pa... pai...
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não se parecem
nem um pouco...!
Para aprofundar Os motores do século 21 Pode-se dizer que o desenvolvimento da nossa civilização está no acúmulo de dispositivos para uso da energia. Começando pelo uso da energia do calor de uma fogueira, passamos a ser capazes de carregar coisas grandes e pesadas com a invenção da roda. Na modernidade, a máquina a vapor foi inventada e ocorreu a revolução industrial. Depois disso, com a descoberta do gerador, tornou-se possível converter todos os tipos de recurso energético natural (petróleo, carvão, água etc.) em energia elétrica. Assim, atualmente a maior parte do nosso dia a dia consiste no uso da energia elétrica. Além disso, conforme mostrado na página 10, mais da metade da energia elétrica (potência) gerada é eventualmente utilizada em motores. Cerca de meio século atrás, na década de 60, estes eletrodomésticos eram chamados de três tesouros sagrados do lar: a máquina de lavar, o refrigerador e a televisão, desejados em todos os lares. Entre esses, dois utilizam motores. Em outras palavras, se houvesse dois motores na casa, podíamos considerar a vida como avançada e conveniente. Depois disso, o número de motores nas casas foi aumentando com a introdução dos ventiladores, gravadores etc. Atualmente não se sabe mais onde há motores em uma casa nem como estão sendo utilizados – vivemos sem essa percepção particular da presença dos motores. Isso acontece porque tanto nas casas quanto nas empresas, e até mesmo nas ruas, há muitos motores. Além disso, não percebemos onde eles estão porque a maioria está incorporada às máquinas. Entre os eletrodomésticos, só de olhar percebemos claramente que há motores incorporados nos que giram, como o ventilador e a máquina de lavar. Porém, há motor também no telefone celular, que carregamos conosco. A vibração é o movimento do telefone realizado por meio de um motor minúsculo de aproximadamente 2 mm de diâmetro que manipula um peso no interior do aparelho. Ou seja, hoje em dia andamos sempre carregando um motor. Os veículos estão passando da era em que eram movidos por motor a explosão para a era em que são movidos por motores elétricos. Obviamente temos os trens e os carros elétricos, mas hoje os barcos também estão utilizando esse tipo de motor. Ainda, mesmo nos veículos comuns movidos a motor de explosão, existem mais de 100 motores incorporados. Ao sair para a rua temos muitos motores em funcionamento. As escadas rolantes e os elevadores são acionados por motores. Além desses, as bombas que distribuem água pelos edifícios também são acionadas por motores. O motivo de não
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podermos utilizar água nos edifícios quando há queda de energia elétrica se deve ao fato de os motores ficarem parados. Na verdade essa difusão dos motores ao nosso redor é recente. Pouco antes da virada para o século 21, houve grandes mudanças nos motores. Foram elas: 1) a descoberta do ímã de neodímio de alta performance, 2) o progresso dos computadores e 3) a invenção do semicondutor (IGBT) para controle da corrente. O ímã de neodímio é um ímã feito de neodímio, ferro e boro (Nd-Fe-B). Ele tem uma energia dez vezes maior que a do ímã de ferrete, o mais usado até então. Por meio do ímã de neodímio, o tamanho dos motores pôde ser reduzido, e graças a isso sua incorporação nas máquinas ficou mais fácil. Todos sabem que os computadores têm feito progressos rápidos graças ao avanço dos computadores pessoais. Ao mesmo tempo, os computadores que controlam motores também têm evoluído. A eletrônica de potência avançou dada a combinação do IGBT1 com os computadores, o que nos possibilitou controlar completamente o giro dos motores. Para acionar um motor, é necessário injetar uma corrente elétrica nele. No século 18, quando os motores foram inventados, não havia outra fonte de energia para injetar corrente elétrica além das baterias que fornecem corrente contínua. Todos os motores eram de corrente contínua. Depois disso o gerador de corrente alternada foi descoberto e os motores de corrente alternada também passaram a ser usados. Por isso, qual fonte de energia utilizar tornou-se uma questão inicial, e foi feita a sua classificação em motor de corrente contínua ou motor de corrente alternada.
A classificação dos motores Neste livro foram selecionados quatro tipos de motores: de corrente contínua, sem escovas, síncronos e de indução. A tabela 1.1 mostra a classificação dos motores. Os quatro tipos selecionados neste livro estão classificados detalhadamente. Entre os motores de corrente contínua, há motores que utilizam bobina (enrolamento) no lugar dos ímãs. As bobinas são usadas como eletroímãs. Da mesma forma, entre os motores síncronos há motores com enrolamento, que não utilizam ímãs. Além desses, existe também o motor de relutância síncrono que não utiliza ímã nem bobina no rotor. Entre os motores de indução, existem os motores de indução com rotor enrolado. Ainda, existem os motores de passo e os motores lineares, cujo princípio de giro e estrutura são completamente diferentes. Os tipos de motores são muitos. 1 IGBT refere-se ao transistor bipolar porta isolada (Insulated Gate Bipolar Transistor). É um semicondutor frequentemente utilizado para controlar a corrente do motor.
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Tabela 1.1 – Classificação dos motores
Motores escolhidos neste livro
Classificação detalhada
Nome Motor CC com ímã permanente
Motor de corrente contínua
Tipo de estator
Motor CC com enrolamento em série Tipo de enrolamento
Motor CC com enrolamento em paralelo Motor CC com enrolamento composto
Motor síncrono de ímã superficial (SPM) Motor síncrono de ímã embutido (IPM)
Motor síncrono Tipo de rotor
Motor síncrono com rotor bobinado Motor de relutância síncrono Motor de indução tipo gaiola de esquilo
Motor de indução
Motor de indução com rotor bobinado
Motor sem escovas
Motor sem escovas Motor de passo Motores com outros princípios e outra estrutura
Motor a relutância variável Motor linear
* As áreas cinzas indicam os motores apresentados neste livro.
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A classificação dos motores que tem sido feita com mais frequência até agora é de acordo com a fonte de energia. Entretanto, os motores atuais são muitas vezes utilizados em conjunto com circuitos de acionamento em vez de serem conectados diretamente às fontes de energia. Além disso, cada vez mais estão surgindo motores que não funcionam sem um circuito de acionamento. Caso haja um circuito de acionamento, o tipo da corrente elétrica entregue ao motor por esse circuito pode ser alterado, seja a fonte do tipo corrente contínua ou do tipo corrente alternada. O funcionamento do circuito de acionamento é apresentado na figura 1.1 usando um trem como exemplo. Nos trens flui a corrente contínua proveniente do cabeamento aéreo. Outra linha de alimentação são os trilhos. A corrente contínua flui para o trem através do pantógrafo. Existem trens que funcionam com motores de corrente contínua usando a corrente dessa forma. Entretanto, recentemente o número de trens que funcionam com motores de corrente alternada e que utilizam circuitos de acionamento para converter a corrente contínua em alternada tem aumentado. Podemos pensar que o tipo de fonte de energia na classificação dos motores não indica o tipo de fonte utilizada, mas sim o tipo de energia entregue ao motor. Neste livro selecionei os formatos de motor frequentemente usados em aplicações familiares ao leitor, com potência de saída relativamente baixa. Além disso, tentarei explicar os princípios e o funcionamento dos motores de maneira simples.
O cabeamento aéreo tem alta tensão em corrente contínua Pantógrafo Corrente contínua Circuito de acionamento
Comutação por resistência
Circuito de acionamento
Corrente contínua
Corrente contínua
Corrente alternada
Motor de corrente contínua
Motor de corrente contínua
Motor de corrente alternada
Controle chopper
Controle por resistência
Controle VVVF
Figura 1.1 – Função do circuito de controle nos trens.
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