Como funciona um motor DC escovado? Guia de engenharia para motores micro escovados

Princípio de funcionamento do motor DC escovado: a resposta curta

Pressione o gatilho de uma chave de fenda sem fio e um pequeno motor elétrico CC escovado desenvolve torque quase instantaneamente. Essa resposta rápida, combinada com baixo custo e controle simples de velocidade, é a razão pela qual os motores escovados ainda aparecem em tantos produtos de uso diário.

O princípio de funcionamento cabe em um parágrafo. A corrente elétrica entra através de duas escovas de carvão que deslizam sobre um comutador de cobre segmentado montado no eixo. O comutador alimenta a corrente em bobinas enroladas no rotor. Essas bobinas geram um campo magnético que interage com o campo magnético permanente do estator, criando rotação. Pouco antes de o rotor se alinhar com o campo do estator, os segmentos do comutador mudam de contato com as escovas e invertem a direção da corrente nas bobinas. Essa reversão, chamada comutação, empurra o rotor além do ponto morto e o mantém girando na mesma direção.

Cada motor DC de micro escova, desde a série compacta 300 até a série 900 maior fabricada na Yuyao Hongyang Micromotor, funciona com o mesmo princípio eletromecânico.

Principais componentes de um motor DC micro escovado

Um motor elétrico DC escovado possui quatro partes funcionais. A tabela abaixo resume cada parte e sua função; as duas subseções a seguir explicam os detalhes importantes quando você compara motores de fornecedores diferentes.

Estator e rotor: de onde vem o torque

Em um motor escovado de ímã permanente, o estator usa ímãs curvos para criar um campo fixo através do entreferro. O rotor fica dentro desse campo. Quando a corrente flui através dos enrolamentos do rotor, cada bobina se comporta como um eletroímã. A atração e repulsão entre o campo do rotor e o campo do estator produzem torque no eixo.

Comutador e escovas: a chave mecânica

O comutador é o que distingue um motor com escovas de qualquer outro tipo de motor DC. À medida que o rotor gira, diferentes segmentos do comutador entram em contato com as escovas estacionárias. A comutação acontece na posição angular onde a bobina é coplanar com o campo do estator, que é o ponto onde o torque cairia para zero. O par escova-comutador atua, portanto, como uma chave rotativa sincronizada com a posição do rotor, sem qualquer sensor externo ou circuito de acionamento.

Passo a passo: como um motor DC escovado gira

Para ver a sequência claramente, imagine um motor simples de dois pólos. A sequência se repete duas vezes por revolução, porque cada par de bobinas é trocado a cada meia volta.

1. A tensão CC é aplicada aos dois terminais, que estão conectados às escovas.
2. A escova positiva entra em contato com um segmento do comutador e a corrente flui para o enrolamento do rotor; a escova negativa completa o circuito.
3. A corrente no enrolamento cria um eixo magnético no rotor. Como os ímãs do estator são fixos, as forças magnéticas giram o rotor em direção ao alinhamento com o campo do estator.
4. No ponto de alinhamento, os segmentos do comutador passam sob as escovas e a direção da corrente no enrolamento se inverte. A polaridade magnética do rotor muda, então, em vez de parar, o rotor é empurrado para além do ponto morto e continua a girar.
5. A sequência se repete, produzindo rotação contínua enquanto a energia CC for fornecida.

Duas consequências decorrem deste design. Primeiro, nenhum controlador eletrônico é necessário para comutar o motor; as escovas fazem isso mecanicamente. Em segundo lugar, os enrolamentos rotativos geram uma força eletromotriz reversa que se opõe à tensão de alimentação. A EMF traseira aumenta com a velocidade, e é por isso que um motor de rotação livre consome pouca corrente, enquanto um motor parado consome corrente máxima.

Torque, velocidade e condição de estol

A maioria dos engenheiros que contatam um fabricante de micro motores deseja a mesma coisa: um motor que caiba no espaço disponível e forneça o torque certo na velocidade certa, sem superaquecimento.

Duas relações definem o comportamento do motor DC escovado. O torque é proporcional à corrente da armadura e ao fluxo magnético do estator. A velocidade é proporcional à tensão aplicada à armadura menos a queda de tensão na resistência do enrolamento. Em linguagem simples, carregue o eixo e o motor desacelera e consome mais corrente; aumente a tensão e o motor acelera, enquanto o torque permanece aproximadamente linear com a corrente.

Estas relações também mostram onde estão os riscos. Um motor funcionando abaixo de sua classificação de carga é seguro. Um motor funcionando acima de sua classificação ou parado pode superaquecer o isolamento do enrolamento, danificar o comutador e desmagnetizar os ímãs do estator. O torque nominal e a corrente nominal correspondente são mais importantes do que a velocidade sem carga quando você seleciona um motor.

Os produtos que movimentam o ar ilustram a compensação. Um impulsor de ventilador apresenta uma carga que aumenta com a velocidade; se o motor não tiver margem de torque no ponto de operação, o impulsor desacelera e a corrente aumenta. O Motor DC escovado de alto torque RS360 para ventiladores é um exemplo de motor deliberadamente enrolado e magnetizado para esse padrão de carga, dando ao impulsor margem suficiente sem empurrar a corrente do enrolamento para a zona de perigo.

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Escovado versus sem escova: o que a comparação significa

Qualquer pessoa que comprar motores micro DC verá alternativas sem escovas, e a escolha nem sempre é óbvia. A tabela abaixo compara os fatores que influenciam o custo do produto, a confiabilidade e a experiência do usuário.

A conclusão é prática e não teórica. Se o seu produto tem um ciclo de trabalho intermitente, funciona em baixa tensão e compete em custo, um motor escovado geralmente é a melhor escolha de engenharia. Se o motor funciona durante horas todos os dias e a eficiência é um argumento de vendas, o brushless torna-se atraente. É por isso que os fabricantes mantêm ambas as tecnologias ao seu alcance e a resposta depende do perfil de carga e não da moda.

Em eletrodomésticos, onde os usuários sentam próximos ao produto, o ruído das escovas gera reclamações rapidamente. O Motor DC com escova silenciosa RS380SL para aplicação doméstica é uma variante silenciosa construída para esse tipo de ambiente, onde alguns decibéis de ruído do pincel decidem se um produto parece premium ou barato.

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Selecionando um motor DC escovado para o seu produto

Como um motor micro escovado sempre faz parte de um sistema maior, a seleção começa com a carga e não com o catálogo do motor. Vale a pena reconhecer três padrões de aplicação.

Combinando o motor com a carga

Ferramentas elétricas como chaves de fenda elétricas necessitam de alto torque em baixa velocidade e toleram sobrecargas breves; o alto torque de partida do motor escovado é exatamente a característica certa. Produtos domésticos como aspiradores robôs precisam de tamanho compacto, vida útil moderada e baixo ruído, portanto, o grau da escova e o acabamento do comutador são tão importantes quanto o design magnético básico. Equipamentos automatizados como máquinas de venda automática executa longos ciclos de trabalho e o consumo de corrente mais a dissipação de calor decidem se o motor sobrevive dentro de um invólucro selado.

Verificando um micro motor antes de pedidos de volume

Depois de ter uma lista que se ajuste ao seu envelope mecânico, verifique esses parâmetros nas amostras antes de fazer um pedido por volume:

• Tensão nominal e consumo de corrente na carga nominal. Uma diferença de 20% na corrente entre as amostras indica inconsistência no enrolamento ou no ímã.
• Velocidade sem carga, velocidade nominal e torque de parada. Compare-os com a sua curva de carga, não apenas com a folha de dados.
• Ruído acústico, reportado em dB(A). Para eletrodomésticos esta é uma especificação de primeira linha; um motor que seja mecanicamente perfeito, mas audível, será reprovado na análise do produto.
• Vida útil em horas, testada no mesmo ciclo de trabalho que você pretende usar. Um motor classificado para operação contínua pode falhar rapidamente sob uma sequência agressiva de partida-parada.
• Conformidade material para o seu mercado-alvo. A fabricação ISO 9001, a conformidade com RoHS e REACH são rotineiramente solicitadas por compradores de micromotores.
• Personalização de eixo e terminal. Eixo plano, pinhão, comprimento do fio condutor e tipo de conector geralmente fazem a diferença entre um motor drop-in e uma variante personalizada.

As máquinas de café são um bom exemplo da importância do design específico do produto. A máquina liga e desliga várias vezes por dia e os usuários percebem vibrações e cliques do motor. O Motor DC escovado liso RS550SL para máquinas de café visa exatamente esse perfil com funcionamento de baixa vibração e comportamento de partida consistente.

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Na Yuyao Hongyang Micromotor, fabricamos motores DC com micro escovas desde 1988 nas séries 300, 500, 700, 800 e 900, com uma capacidade anual de mais de 10 milhões de unidades. Seja qual for o fornecedor que você avaliar, solicite dados de testes sobre curvas de torque-velocidade, ruído acústico e resistência. As respostas dirão mais sobre o processo de fabricação do que qualquer descrição promocional.