Projeto de motor à pilha

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

EEL7831 – PROJETO NÍVEL I EM ÁREA BÁSICA II

TURMA 8202

Relatório de Projeto

Motor elétrico 00 – Motor Mínimo

Carlos Alexandre C. Wengerkievicz

Matrícula 09141011

Florianópolis, 15 de junho de 2011

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Introdução

        O motor mínimo é um pequeno motor elétrico de corrente contínua constituído por um estator de ímã permanente, um rotor de bobina de cobre e uma bateria como fonte de energia. Este dispositivo é uma simplificação didática dos motores de corrente contínua usuais, para que se possa se possa compreender o funcionamento em uma escala menor e mais palpável.

        O objetivo de qualquer motor (na função de gerador de movimento) é fazer com que o rotor gire em torno de seu eixo, e para que isto aconteça, é necessário que um torque (ou conjugado) aja sobre o rotor. No caso estudado, há duas abordagens para explicar a geração de torque no rotor: o alinhamento de pólos magnéticos e a força de Laplace. Os fenômenos não são independentes, ou seja, não são aditivos, e sim apenas dois modos de se explicar um fenômeno.

O Alinhamento de Pólos Magnéticos

        Como já estudado na disciplina de Eletromagnetismo, uma corrente passando por uma espira – bem como por uma bobina - dá origem a um par de pólos magnéticos, cuja orientação pode ser obtida pela regra da mão direita, como mostra a Figura 1^[1].

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Figura 1 - Pólos induzidos em uma espira.

        A magnitude do campo gerado pela corrente na bobina pode ser obtida pela lei de Biot-Savart:

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        em que I é a corrente que a corrente que passa por um condutor de comprimento elementar dl posicionado segundo o vetor r do ponto estudado. Para a bobina usada no rotor, o campo no centro pode ser dado por:

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        em que n é o número de voltas e R é o raio da bobina.

        Quando a bobina em questão  - percorrida por corrente - está imersa em um campo magnético, a mesma tende a se posicionar de forma que seus pólos fiquem alinhados com o campo, exatamente como se a bobina fosse outro ímã permanente sujeito à atração de pólos diferentes e repulsão de pólos iguais. No instante em que o alinhamento se conclui, a corrente é interrompida (ou invertida pelo comutador, nos motores CC), os pólos induzidos desaparecem (ou invertem-se, nos motores), e com eles a interação entre os campos. Isto é interessante para que a atração de pólos não “puxe” novamente o rotor para o alinhamento, permitindo que a rotação continue em meio ciclo apenas por inércia. A figura 2^[2] ilustra esta interação.

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Figura 2 - Interação entre campos do estator e do rotor

        

A Força de Laplace

        

        Na presença de um campo de indução B, um condutor percorrido por corrente sofre a ação da força de Laplace, definida localmente pelo produto vetorial

f = J x B

        em que f é a densidade volumétrica de força e J é a densidade de corrente no condutor. Macroscopicamente, a força dF sofrida por um condutor de comprimento dl percorrido pela corrente I é definida por

dF = dl x B.I

        A figura 3^[3] ilustra o fenômeno. O condutor é ligado a uma bateria, resultando em uma corrente I, que ao atravessar o campo de indução B produzido pelo ímã permanente, sofre a força F, cuja direção e sentido podem ser obtidos pela regra da mão direita.

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Figura 3 - Força de Laplace

O Motor Mínimo

        Material usado

• 1 bateria tipo D
• 1 ímã permanente de ferrite retangular
• 1 placa de fibra de madeira
• 40 cm de fio de cobre esmaltado #15
• 4 m de fio de cobre esmaltado #24
• Fita isolante

        Construção do Estator

        Sobre a placa de fibra de madeira, um suporte de plástico foi preso com fita adesiva dupla face para definir a posição para o caso de uma substituição ser necessária. Sobre o suporte, a pilha foi presa com o mesmo adesivo, e sobre a pilha o ímã, com um dos pólos voltado para cima. O pólo escolhido determina apenas o sentido da rotação, então qualquer um dos pólos funciona.

        Os mancais foram feitos com o fio 15, raspando-se o verniz de todos os pontos em que deve haver contato. As extremidades foram enroladas com um alicate de bico para alojar o eixo do rotor, e a altura dos mancais foi ajustada após a confecção do rotor, de forma que este ficasse o mais próximo possível do ímã. Dessa forma, o rotor trabalha numa região onde as linhas de campo estão mais concentradas.  As hastes então foram encaixadas na placa de madeira exatamente abaixo dos pólos da bateria, e depois soldadas à bateria, conforme a instrução da experiência^[4].