Fig. 13 Como um movimento de um passo se desenvolve quando a excitação é chaveada de Ph1 para Ph2.

Transcrição

1 Como visto na Fig. 12, quando os dentes do rotor e do estator estão fora do alinhamento na fase excitada, a relutância magnética é grande. O motor RV trabalha para minimizar a relutância magnética. Vamos ver o que acontece quando Ph1 é desligada e Ph2 é ligada. A relutância do motor, vista da fonte de alimentação DC, aumenta repentinamente imediatamente após o chaveamento. Como é óbvio, na Fig. 13, o rotor, então, move-se com um ângulo de passo de 30 o no sentido anti-horário para minimizar a relutância. Esse movimento, com amplitude de um ângulo de passo para cada chaveamento da excitação, é chamado um passo. Após a rotação de três passos, o rotor retornará aparentemente a sua posição original. Isto é ilustrado na Fig. 14. Fig. 13 Como um movimento de um passo se desenvolve quando a excitação é chaveada de Ph1 para Ph2. Fig. 14 Movimento de passos à medida que o chaveamento se desenvolve num motor RV trifásico (errata: o pontinho sobre o dente do rotor, na terceira seção da esquerda para a direita, deve estar localizado sobre o dente imediatamente à esquerda àquele onde mostra a figura). Agora indicaremos diversas características estruturais básicas dos motores RV. (a) espaço aéreo deve ser tão pequeno quanto possível. O air-gap entre os dentes do estator e do rotor em um motor de passo deve ser tão pequeno quanto possível para produzir uma alta relação torque/volume de rotor, atingindo alta precisão de posicionamento. A comparação entre air-gaps curtos e longos é dada na Fig. 15. Com o mesmo nível de força magnetomotriz uma abertura pequena fornecerá mais fluxo magnético que produz um torque mais elevado. É claro que o deslocamento de uma posição do equilíbrio, quando um torque externo é aplicado ao rotor, é menor com uma abertura menor. O tamanho de abertura nos motores modernos está entre 30 a 100 µ m. (b) dentes em um pólo para ângulos de passo menores. Uma das características únicas do motor de passo é a possibilidade de obtenção de um pequeno ângulo de passo. O ângulo de passo 30 o obtido pela estrutura da Fig. 10 não é um ângulo pequeno. A Fig. 16(a) mostra 11

2 um motor trifásico com 12 dentes no estator e 8 no rotor; isto é o dobro do número de dentes da estrutura da Fig. 10. A Fig. 16(b) mostra um motor quadrifásico que tem 8 dentes no estator e 6 no rotor. O ângulo de passo em ambas as estruturas é 15 o. A Fig. 17 ilustra um motor de 7,5 o quadrifásico que tem 16 dentes no estator e 12 dentes no rotor. Como visto nesta figura, o rotor de um motor de passo é muito fino com o intuito de minimizar seu momento da inércia. Fig. 15 Comparação entre linhas de fluxo numa abertura aérea curta e longa. Fig Seções transversais de motores RV com ângulo de passo de 15 o. (a) motor trifásico: 12 dentes no estator e 8 no rotor. (b) motor quadrifásico: 8 dentes no estator e 6 no rotor. Fig Estator e rotor de um motor RV quadrifásico com ângulo de fase de 7,5 o (fabricado pela Sanyo Denki co. Ltd.). Como já foi visto anteriormente, para reduzir o ângulo de passo θ s o número dos dentes do rotor N r deve aumentar. Podemos considerar, do que foi exposto acima, que o número de dentes do estator deve aumentar assim como o número de dentes do rotor. Mas, o número dos dentes do estator não é especificado nas equações. (2a) ou (2b). Na realidade, o 12

3 diagrama de seção transversal de um motor de passo RV com um pequeno ângulo de passo é como àquele mostrado na Fig. 18. As grandes porções salientes, em torno das quais os enrolamentos estão localizados, são chamadas convencionalmente de pólos. Nota-se, entretanto, que ele é diferente do pólo magnético de um motor de corrente alternada. Em um motor de passo, um pólo tem dois ou mais dentes de estator e todos os dentes em um pólo têm a mesma polaridade magnética em qualquer instante. Uma vez que o número de dentes do rotor, N r, é 20 e o índice, m, é o número de fases (= 3 neste caso), o motor completa uma volta em 3 x 20 = 60 passos. O ângulo de passo é (360/60) = 6 o neste modelo. Um passo nesta estrutura é realizado no modelo desenrolado da Fig. 19. Este exemplo mostra que o número dos dentes do estator não é um fator direto na determinação do ângulo de passo. Fig Vista da seção transversal de um motor RV trifásico que tem três dentes em cada pólo. O número dos dentes do rotor é 20 e o ângulo de passo é 6 o. Fig Modelo desenrolado do motor RV trifásico da Fig. 18. Fig Vista da seção transversal de um motor RV trifásico; número dos dentes do rotor é 44 e o número de passos é 132 [2]. 13

4 Um exemplo no qual o número dos dentes do rotor é aumentado para 44 em um motor trifásico é dado na Fig. 20. O número de passos por volta é 132. Um exemplo de um motor quadrifásico com 50 dentes no rotor é dado em Fig. 21. O ângulo de passo é 1,8 o e o número de passos por volta é 200 neste modelo. Fig. 21 Vista do corte seccional de um motor RV quadrifásico: 50 dentes no rotor, 200 passos por revolução e ângulo de passo de 1,8 o. (c) tipo multi-pilha e tipo pilha única. Os motores de passo RV descritos acima são todos do tipo pilha única. Uma característica proeminente deste tipo de motor é que três ou quatro fases estão arranjadas em uma única pilha, isto é no mesmo plano. Um outro tipo de motores de passo RV é o tipo milti-pilha. Este tipo também é conhecido como o tipo cascata. Uma vista em corte de um motor de três pilhas é mostrada na Fig. 22. Neste modelo, cada pilha corresponde a uma fase, e o estator e o rotor têm o mesmo passo do dente. Agora, consideremos que a terceira fase (pilha) é excitada e os dentes do estator e do rotor são alinhados nesta fase. Nas outras fases ou pilhas neste momento, os dentes de ambos os membros estão desalinhados em 1/3 do passo do dente, o que é ilustrado na figura. Os sentidos do desalinhamento são opostos, um em relação ao outro, nas primeira e segunda pilhas. Se a excitação for comutada da terceira para a primeira fase, o rotor moverse-á de um passo no sentido horário, visto da esquerda, mas se a excitação for comutada para a segunda fase o rotor mover-se-á no sentido anti-horário de um ângulo de passo. A Fig. 23 mostra o estator e o rotor de um motor de cinco pilhas. Fig. 22 Construção de um motor RV multi-pilha. A Fig. 24(a) é um diagrama axial de um motor RV, único, de cinco fases do tipo multi-pilha, fabricado pela firma Fanuc Ltda, a ser utilizado em máquinas de controle numérico. A Figura 24(b) mostra o princípio desta máquina; os dentes do rotor são 14

5 ensanduichados pelos dentes do estator de mesmo passo do dente. Esta estrutura é conhecida por produzir uma elevada relação torque/volume de unidade do rotor e por melhorar enormemente a eficiência da máquina. Fig Estator e rotor de um motor RV de cinco pilhas (cortesia de MINEBEA Co. Ltd.). Fig Diagrama axial de um motor RV de cinco pilhas do tipo sanduíche. Uma vez que aqui são usadas bobinas de solenóide, a distribuição do campo magnético é diferente dos exemplos que vem sendo apresentados no texto. A comparação é realizada na Fig. 25. Num motor de pilha única, pólos magnéticos em números pares (N, S, N, S,...) aparecem num plano perpendicular ao eixo do motor. Este tipo de campo magnético é chamado de campo heteropolar. Por outro lado, somente um pólo magnético (N ou S) aparece num plano perpendicular ao eixo de um motor multi-pilha. Este tipo de distribuição é unipolar. Em alguns tipos de motores RV multi-pilha a distribuição do campo é heteropolar. Um exemplo é ilustrado na Fig. 26. Fig. 25 Campos magnéticos heteropolar e unipolar. 15

6 Fig. 26 Um motor multi-pilha RV de campo do tipo heteropolar. Motor de passo elementar a ímã permanente Um motor de passo que usa um ímã permanente no rotor é chamado um motor a ímã permanente (PM, do inglês, permanente magnet). A Fig. 27 mostra um motor PM elementar que emprega um ímã permanente cilíndrico como rotor, e possui quatro dentes ou pólos em seu estator, como mostra a Fig. 27(a) e 27(b), respectivamente. Um arranjo de bobina simbólico é mostrado na Fig. 27(b), mas na Fig. 27(c) é indicado o arranjo real conhecido como esquema bifilar. Nesse arranjo, é realizado um determinado número de voltas nos pólos 1 e 3, conforme a linha cheia na Fig. 27(c). Com o mesmo fio enrola-se novamente o mesmo número de voltas nos mesmos pólos, conforme a linha tracejada. Assim, têm-se três terminais indicados, na Fig. 27(c), por PhA, C a e Ph A. Pode-se partir o fio no terminal intermediário obtendo-se duas bobinas independentes. O mesmo é verdadeiro para os pólos 2 e 4. Os terminais marcados por C a o C b denotam os terminais comuns que devem ser conectados ao terminal positivo da fonte de alimentação como mostra o circuito de chaveamento da Fig. 28. Quando a bobina A, mostrada pela linha cheia na Fig. 27(c) é excitada, o pólo 1 produz um pólo norte e o pólo 3 um pólo sul. Se a bobina A (mostrada pela linha tracejada na Fig. 27 (c)) é excitada a polaridade será revertida. Este arranjo é definido como bifásico, embora possa ser considerado como um esquema quadrifásico. Os pólos 1 e 3 consistem na fase A, e os pólos 2 e 4 formam a fase B. Fig. 27 Motor PM elementar. (a) rotor cilíndrico; (b) núcleo do estator e arranjo simbólico das bobinas; (c) arranjo real bifilar. 16

7 Fig Circuito básico de acionamento para um motor bifásico. Agora, se os enrolamentos forem excitados na seqüência A B A B o rotor será acionado no sentido horário como mostra a Fig. 29. O ângulo de passo é obviamente 90 o nesta máquina. Dobrando o número de dentes do estator e os pólos magnéticos do rotor, obtém-se um motor bifásico com um ângulo de passo de 45 o. Um motor PM possui torque mais elevado quando comparado com um motor RV de mesmo tamanho. Motor de passo híbrido Fig. 29 Passos de um motor PM bifásico. Um outro tipo de motor de passo que tem um ímã permanente em seu rotor é o motor híbrido. O termo híbrido vem do fato do motor combinar os princípios operacionais dos motores a ímã permanente e a relutância variável, com o objetivo de obter um pequeno ângulo de passo e alto torque a partir um tamanho reduzido. A estrutura do núcleo do estator é a mesma, ou muito parecida, do motor RV mostrado na Fig. 21. A característica importante do motor híbrido é a estrutura do rotor. Um ímã cilíndrico ou no formato de um disco encontra-se nos núcleos do rotor como mostra a Fig. 30, e é magnetizado longitudinalmente para produzir um campo unipolar como mostra a Fig. 31(a). Cada pólo do ímã é coberto com uma capa de aço doce possuindo dentes uniformemente espaçados. Os dentes nas duas capas são desalinhados, uma em relação à outra, de uma distância angular equivalente à metade do passo do dente. As capas dentadas são feitas normalmente de aço silício laminado. O campo magnético gerado pelas bobinas do estator é um campo heteropolar como mostra a Fig. 31(b). Fig Estrutura do rotor de um motor híbrido. 17