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Que motor elétrico escolher?

Um motor elétrico é um dispositivo eletromecânico que converte energia elétrica em energia mecânica. Na maioria das vezes, o movimento é rotativo, baseando-se a energia mecânica na velocidade de rotação e no binário (torque) do motor.

Este guia de compras abordará apenas os motores elétricos rotativos. Os motores lineares serão objeto de um outro guia.

Estima-se que os sistemas de motores elétricos representem 46% do consumo de eletricidade a nível mundial. Na indústria, os motores elétricos estão em toda a parte. Eles acionam bombas, compressores e transportadores e fazem funcionar ventiladores, sopradores, máquinas de furar e misturadores, por exemplo. Pode dizer-se que os motores elétricos estão na base de qualquer atividade industrial.

Motores elétricos: ver produtos

  • Quais os critérios de escolha de um motor elétrico?

    O motor elétrico permite realizar diferentes tipos de movimentos: rápidos, precisos, contínuos, com ou sem variação de velocidade, etc., que respondem às exigências das diversas aplicações.

     

    1. O primeiro passo é escolher um dos três principais tipos de motores elétricos:

     

    1. Para tal, há que levar em consideração a aplicação prevista, pois é esta que vai ditar qual destes tipos de motor será o mais adequado:
      • Se precisa de um motor que funcione continuamente e com pouca variação de velocidade, opte por um motor assíncrono.
      • Para aplicações em que sejam necessárias fortes acelerações e desacelerações, o motor síncrono é o ideal.
      • Por último, para aplicações que requeiram um posicionamento preciso, prefira um motor de passo.

     

    1. Dependendo do movimento pretendido, irá depois definir as especificações técnicas e o dimensionamento do motor:
      • No que respeita às especificações técnicas, há que determinar a potência, o binário e a velocidade do motor de que precisa.
      • Quanto ao dimensionamento, deve ter em atenção o tamanho do motor (o seu volume) e o tipo de montagem, ou seja, como o motor será fixado no sistema.

     

    1. A escolha das dimensões e da robustez do motor depende também das condições ambientais que aquele terá de suportar:
      • Há motores com características construtivas próprias para todos os tipos de ambiente (atmosfera explosiva, húmida, corrosiva, altas temperaturas, etc.).
      • Para condições ambientais severas, existem motores com carcaças reforçadas, seladas, resistentes a impactos ou à acumulação de sujidade.

     

    1. Por fim, a eficiência energética tem vindo a adquirir importância crescente na escolha de um motor:
      • Um motor elétrico que consuma menos energia terá menor impacto no ambiente e na fatura de eletricidade.
  • Como escolher entre um motor AC e um motor DC?

    Estes dois tipos de motores apresentam características construtivas distintas:

    • A mais importante é a fonte de alimentação: corrente alternada (monofásica ou trifásica) ou corrente contínua, no caso de baterias, por exemplo.
    • A velocidade constitui uma outra diferença. A velocidade de um motor AC é controlada pela alteração da corrente no motor, enquanto a de um motor DC é controlada pela alteração da frequência da alimentação elétrica, normalmente por meio de um variador de velocidade (também conhecido por variador de frequência e conversor de frequência). Consequentemente, a velocidade de rotação dos motores AC é superior à dos motores DC.
    Motor assíncrono trifásico da marca LEROY-SOMER
    Motor assíncrono trifásico da marca LEROY-SOMER

    1. Os motores AC:

    Os motores de corrente alternada (igualmente chamados motores AC ou CA) são os mais comuns na indústria, pois apresentam diversas vantagens:

    • Têm características construtivas simples.
    • São mais económicos, dado que consomem menos energia durante o arranque.
    • São mais robustos, logo têm mais tempo de vida útil.
    • Necessitam de pouca manutenção.

    Como o seu funcionamento envolve a sincronização entre a rotação do rotor e a frequência da corrente, a velocidade dos motores AC permanece constante. São, portanto, ideais para aplicações que requeiram movimento contínuo e pouca variação da velocidade, como as bombas, os transportadores e os ventiladores.

    Também podem ser integrados em sistemas que não exijam um alto nível de precisão, se forem utilizados com velocidade variável.

    Porém, as funções de controlo de velocidade tornam-nos mais caros do que os outros motores.

    Os motores AC dividem-se em dois grupos: os motores monofásicos e os motores trifásicos.

    • O que distingue os motores monofásicos:
      • A potência elétrica (em kW), que determinará o binário
      • O número de polos, do qual dependerá a velocidade de rotação
      • O tipo de fixação: flange (B14, B5) ou pés (B3)
      • A eficiência
      • A menor adequação à indústria, pois menos potentes
      • A possibilidade de serem alimentados diretamente pela rede elétrica doméstica
    • O que distingue os motores trifásicos:
      • A arquitetura que permite encaminhar uma potência elétrica muito mais significativa, comparativamente aos motores monofásicos
      • O uso no setor industrial (aproximadamente 80%)
      • O uso em infraestruturas e equipamentos que necessitem de potência elétrica elevada
    Motores DC da marca Ametek
    Motores DC da marca Ametek

    2. Os motores DC :

    Os motores de corrente contínua (também conhecidos por motores DC ou CC) são igualmente muito comuns no setor industrial, pois apresentam vantagens consideráveis, dependendo das suas características construtivas (ver mais abaixo a questão sobre os motores sem escovas):

    • São precisos e rápidos.
    • É possível controlar a sua velocidade alterando a tensão de alimentação.
    • São fáceis de instalar, inclusive em sistemas móveis (em baterias).
    • O binário de arranque é elevado.
    • O arranque, a paragem, as acelerações e a marcha-atrás realizam-se rapidamente.

    São perfeitamente adequados para aplicações em que sejam necessárias fortes acelerações e desacelerações, bem como uma grande precisão, seja a nível da velocidade, como no caso dos elevadores, seja a nível da posição, como os robôs e as máquinas-ferramenta.
    São igualmente adequados a aplicações que exijam potências elevadas (de 10 000 kW, por exemplo).

    No entanto, apresentam algumas desvantagens, dependendo das suas características construtivas, comparativamente aos motores AC:

    • São menos apropriados para aplicações com necessidade de potências elevadas, razão pela qual são menos utilizados.
    • Contêm muitas peças sujeitas a desgaste e que é caro substituir.

    3. Como está a evoluir o mercado?

    • Os motores DC com escovas são cada vez menos utilizados em aplicações industriais. Para usos idênticos a baixas potências, recorre-se sobretudo a motores AC, que exigem pouca manutenção.
    • Como as peças de reposição dos motores DC são muito caras, alguns industriais optam por motores AC nos quais integram um controlador elétrico.
      • Utilizar um motor AC com um conversor de frequência tornou-se uma solução económica para a maioria das aplicações que exigem variações de velocidade.
  • Quando optar por um motor com escovas ou sem escovas?

    Motor DC com escovas da marca BODINE
    Motor DC com escovas da marca BODINE

    Os dois tipos mais correntes de motores DC são os motores com escovas e os motores sem escovas (ou brushless).

    1. Motores com escovas

    Os motores com escovas são os mais simples e os mais utilizados, especialmente em equipamentos industriais básicos e em aplicações para as quais se disponha de um orçamento limitado.

    Os motores com escovas têm certas vantagens:

    • São motores de controlo simples.
    • Obtém-se um binário muito bom a baixas rotações.
    • São pouco dispendiosos.

    Poderá escolher um dos quatro tipos de motores com escovas existentes, em função da aplicação prevista.

    • Motores de excitação em série:
      • Neste tipo de motor, o estator é ligado em série com o rotor e a velocidade é controlada fazendo-se variar a tensão de alimentação.
      • No entanto, é difícil controlar a velocidade desta forma, pois, quando o binário do motor aumenta, dá-se uma descida acentuada da velocidade.
      • Este tipo de motor é recomendado para aplicações que requeiram um binário de arranque elevado, como os automóveis e as gruas.
    • Motores de excitação em derivação (ou shunt):
      • Neste caso, o estator e o rotor são ligados em paralelo, o que permite obter um maior binário sem que a velocidade diminua quando a corrente do motor aumenta.
      • Este tipo de motor é adequado para aplicações com velocidades fixas, tais como aspiradores e transportadores.
    • Motores de excitação composta:
      • Este tipo de motor combina a estrutura dos motores de excitação em série e a dos motores de excitação em derivação.
      • Assim, é capaz de fornecer, simultaneamente, um binário de arranque elevado e uma variação de velocidade significativa.
      • É perfeito para prensas rotativas, elevadores, tapetes de recolha de bagagens, bombas centrífugas e compressores.
    • Motores de ímanes permanentes:
      • Este tipo de motor possui um íman permanente que lhe permite produzir um binário baixo.
      • É apropriado para aplicações em que seja necessário um controlo preciso, como a robótica e os servo-sistemas.

    Contudo, todos os motores com escovas apresentam desvantagens importantes:

    • São menos eficientes do que os motores sem escovas (75%-80% de eficiência, em comparação com 85%-90% no caso dos motores sem escovas).
    • Têm uma vida útil curta porque as escovas, devido à fricção regular, desgastam-se mais rapidamente (são concebidos para funcionar entre 1 000 e 10 000 horas, dependendo da frequência de utilização, da potência, da velocidade, das vibrações, etc.).
    • O arco das escovas e do coletor pode gerar ruído eletromagnético capaz de dar origem a incêndios.
    • O risco de faíscas produzidas pela fricção também o torna desaconselhável para uso em atmosferas potencialmente explosivas.
    • Geralmente, estes motores apresentam limitações em termos de velocidade devido ao aquecimento das escovas.
    • As escovas de carvão libertam poeiras que poderão danificar outros aparelhos, sobretudo os aparelhos óticos.
    • Por esse motivo, precisam de lubrificação, o que inviabiliza a utilização de motores com escovas em aspiradores.

    2. Os motores sem escovas (brushless)

    Os motores sem escovas suplantam os problemas associados às escovas, anteriormente referidos, e têm ainda outras vantagens:

    • Podem funcionar a velocidades mais elevadas (até 100 000 rpm, bastante superior às 20 000 rpm dos motores com escovas).
    • Têm maior durabilidade (superior a 10 000 horas de trabalho).
    • São mais fiáveis e têm maior rendimento.
    • Não possuem componentes sujeitos a desgaste, exceto os rolamentos, o que reduz a necessidade de manutenção.

    Como estes motores podem funcionar a velocidades muito elevadas, são particularmente adequados para esmeriladoras, ventiladores e serras.

    Os motores brushless possuem sempre um codificador, que é um sensor que permite a comutação eletrónica e a deteção da posição do rotor. Portanto, são ideais para servomotores no âmbito de aplicações que exijam precisão.

    Apresentam, contudo, certas desvantagens:

    • O custo inicial é elevado, porque é necessário um dispositivo de comutação (controlador) para cada motor.
    • Geralmente também precisam de um redutor quando utilizados para o acionamento de dispositivos.

    Será o fim dos motores com escovas?
    Exemplo de utilização com o Opportunity

    Poderia pensar-se que, com o motor brushless a ganhar terreno, o motor com escovas tem os seus dias contados. Mas não. Este continua bem presente na indústria e até mesmo no espaço. Maxon, um fabricante suíço de motores elétricos, aposta no desenvolvimento permanente de novas tecnologias para os motores com escovas e foi precisamente com os seus motores de escovas que o rover da NASA, o Opportunity, partiu para Marte em 2003.

    O Opportunity levou a bordo 34 motores DC com escovas, que desempenharam a sua função com êxito em condições extremas com amplas variações de temperatura. A escolha da NASA foi simples: aproveitar a simplicidade de controlo do motor com escovas para instalar 34 destes motores comandados a partir de um único controlador. Se tivessem optado por motores brushless, teria sido necessário um controlador por motor, o que acarretaria riscos de complicações e custos adicionais.

  • Quando optar por um motor de passo?

    Motor de passo de 2 fases da marca SANYO DENKI
    Motor de passo de 2 fases da marca SANYO DENKI

    O motor de passo converte impulsos elétricos em movimentos angulares. É útil em aplicações que requeiram controlo de posição em malha aberta.

    Existem três categorias de motores de passo:

    • O motor de relutância variável: é menos potente mas mais rápido do que um motor de ímanes permanentes com características elétricas idênticas.
    • O motor de ímanes permanentes: é um motor de baixo custo de aquisição e com resolução média (até 100 passos/volta).
    • O motor híbrido: reúne as duas tecnologias anteriores, mas é mais caro. Tem como vantagens um melhor binário e uma velocidade mais elevada. A sua resolução é de 100 a 400 passos/volta.

    Os motores de ímanes permanentes e os motores híbridos são os mais utilizados, pois oferecem certas vantagens:

    • São precisos.
    • Não são caros.
    • São robustos.
    • Têm características construtivas simples.
    • O binário é elevado no arranque e a baixas velocidades.

    Todavia, também apresentam algumas desvantagens:

    • A velocidade e o binário são relativamente baixos.
    • O binário diminui substancialmente quando a velocidade aumenta.
    • Produzem vibrações que podem criar problemas de ressonância.
    • Há risco de sobreaquecimento.

    Ao escolher um motor de passo, tenha em consideração:

    • O binário e a carga
    • O número de passos
    • As dimensões do motor (peso, flanges de fixação do motor, etc.)
    • O custo
  • Quais os padrões de eficiência energética dos motores elétricos?

    Os industriais estão cada vez mais atentos à questão da eficiência energética. Uma economia mais verde, que respeite o ambiente, é uma das metas da COP21, que muitos países se comprometeram a alcançar. Mas é sobretudo para poupar nas despesas com o consumo de energia que, nos últimos anos, a indústria tem vindo a adquirir equipamentos mais eficientes em termos energéticos. Segundo um estudo da Comissão Europeia, os motores são responsáveis por 65% do consumo total de energia elétrica da indústria na Europa. É, portanto, fundamental aperfeiçoar os motores a fim de reduzir as emissões de CO2. A Comissão prevê mesmo que seja possível aumentar de 20% a 30% a eficiência energética dos motores fabricados na Europa até 2020O resultado seria uma redução de 63 milhões de toneladas de CO2 na atmosfera e uma poupança equivalente a 135 mil milhões de kWh.

    Se pretende integrar no seu sistema motores que consumam menos energia para poupar e, ao mesmo tempo, contribuir para a preservação do planeta, deverá primeiro consultar as normas de eficiência energética para motores em vigor no seu país ou área geográfica. Note-se que estas normas dizem respeito apenas aos motores AC assíncronos.

    As normas internacionais

    • A IEC (Comissão Eletrotécnica Internacional) definiu classes de eficiência energética para os motores elétricos disponíveis no mercado, conhecidas pelo código IE, que estão resumidas na norma internacional IEC.
    • A IEC identificou quatro níveis de eficiência energética que definem os limites mínimos de rendimento dos motores, consoante as suas características:
      • A IE1 corresponde a um rendimento de nível STANDARD
      • A IE2 corresponde a um rendimento de nível ELEVADO
      • A IE3 corresponde a um rendimento de nível PREMIUM
      • A IE4, ainda em fase de estudo, corresponde a um rendimento de nível SUPER PREMIUM
    • A IEC publicou ainda a norma IEC 60034-2-1:2014, que define métodos de teste para motores elétricos. A par desta norma internacional, muitos países utilizam também normas de teste nacionais.

    Na Europa

    A UE já adotou várias diretivas que visam reduzir o consumo de energia dos motores e que estipulam, nomeadamente, a obrigação para os fabricantes de produzirem motores com níveis de rendimento mais elevados:

    • A classe IE2 é, pois, obrigatória para todos os motores desde 2011.
    • A classe IE3 é obrigatória desde janeiro de 2015 para os motores com uma potência entre 7,5 kW e 375 kW (ou a IE2, se estes motores tiverem um conversor de frequência).
    • A classe IE3 é obrigatória desde o dia 1 de janeiro de 2017 para os motores com uma potência entre 0,75 kW e 375 kW.

    Nos Estados Unidos

    Nos EUA, aplicam-se as normas da associação americana NEMA (National Electrical Manufacturers Association). Desde 2007, o nível mínimo de eficiência exigido corresponde à classe IE2.
    Esta é também a classificação aplicável à Austrália e à Nova Zelândia.

    Na Ásia

    Na China, são as normas coreanas MEPS (Minimum Energy Performance Standard) que se aplicam aos motores assíncronos trifásicos de pequenas e médias dimensões desde 2002 (GB 18693). Em 2012, as normas MEPS foram harmonizadas com as normas IEC, tendo passado de IE1 para IE2 e, mais recentemente, para IE3.

    O Japão harmonizou as suas regulamentações nacionais com as classes de eficiência IEC e, em 2014, incluiu os motores elétricos das classes IE2 e IE3 no programa Top-Runner. Implementado em 1998, o programa Top-Runner obriga os fabricantes japoneses a produzir modelos que consumam menos energia que os anteriores, estimulando assim a competição e a inovação tecnológica em matéria de eficiência energética.

    A Índia tem um rótulo de eficiência comparativa desde 2009 e uma norma nacional equivalente ao nível IE2 desde 2012.

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