A armadura é um componente de uma máquina elétrica, responsável por converter energia eletromagnética em energia mecânica (movimento rotativo) por meio da indução eletromagnética.
Este elemento é acoplado magneticamente ao indutor, que é a parte da máquina onde a força eletromotriz (fem) é gerada por indução.
Em motores de corrente contínua (CC), a armadura geralmente está localizada no rotor, enquanto em motores assíncronos de corrente alternada (CA), a armadura pode estar localizada no estator, também conhecido como motor de indução. Este projeto é baseado na interação entre os campos magnéticos gerados pelo estator (em CA) e pelo rotor (em CC).
A armadura em motores de corrente contínua
Em motores CC, a armadura é a parte rotativa da máquina.
É constituído por um tambor feito de chapas de ferro silício, com espessura aproximada de 0,5 mm. Essas folhas são empilhadas umas sobre as outras e possuem ranhuras na parte externa, onde são colocados os enrolamentos do motor. Ao girar dentro do campo magnético gerado pelo indutor (localizado no estator), uma força eletromotriz (fem) é induzida nas bobinas da armadura, gerando corrente.
As extremidades das bobinas são conectadas a finas folhas de cobre distribuídas ao redor da periferia de um cilindro isolante chamado coletor. O coletor tem a função de conectar as bobinas da armadura com o circuito elétrico externo por meio de escovas de carvão que esfregam nos dentes. Esse sistema é responsável pela corrente nas bobinas ser unidirecional, permitindo que o motor gire continuamente em uma única direção.
O comutador, composto pelas barras, desempenha um papel crucial, pois permite a reversão periódica do sentido da corrente nas bobinas, garantindo que o motor continue girando. Embora tradicionalmente os motores CC utilizassem esse sistema com escovas e comutador, hoje em dia também existem motores CC sem escovas (BLDC, Brushless DC), que utilizam comutação eletrônica para controlar o fluxo de corrente sem a necessidade de contato físico.
A armadura em motores de corrente alternada (motores de indução)
Em motores de corrente alternada, especialmente em motores de indução assíncronos, a armadura também é conhecida como rotor.
Este rotor, que está localizado na parte móvel do motor, interage com o campo magnético gerado pelo estator. Nesses motores, a corrente não é fornecida diretamente ao rotor, mas é induzida nele devido ao campo magnético variável criado pelas correntes no estator. Essa indução gera um campo magnético no rotor que interage com o campo magnético do estator, produzindo o movimento rotativo.
O rotor desses motores geralmente é do tipo gaiola de esquilo, no qual os condutores são dispostos de forma fechada dentro do rotor, sem conexão direta com o circuito externo. A corrente induzida nesses condutores é o que faz o rotor girar dentro do campo magnético do estator.
A armadura em alternadores
Em alternadores, que são máquinas que convertem energia mecânica em energia elétrica na forma de corrente alternada, a armadura está localizada no rotor, enquanto o estator atua como indutor.
Nesses geradores, o rotor é composto por um cilindro oco de chapas de aço silício, dispostas uma sobre a outra. Este cilindro possui ranhuras em seu interior, onde as bobinas são inseridas.
Quando o rotor gira dentro do campo magnético criado pelo estator, uma força eletromotriz é induzida nas bobinas do rotor, gerando corrente alternada.
Na parte externa da carcaça do alternador estão os terminais, que permitem que as bobinas da armadura sejam conectadas ao circuito elétrico externo, onde a corrente gerada é fornecida. Esses terminais permitem que a corrente alternada induzida flua para o sistema elétrico ao qual se destina.
Eficiência de materiais e armadura
A armadura é feita de materiais condutores altamente eficientes, como cobre ou alumínio, devido às suas excelentes propriedades elétricas.
Além disso, folhas de ferro silício são usadas para formar o núcleo da armadura, pois ajudam a reduzir perdas por correntes parasitas (correntes de Foucault) e perdas por histerese, minimizando a resistência à passagem do fluxo magnético.
Essas perdas são uma das fontes de ineficiência em motores elétricos, portanto, otimizar o projeto da armadura, reduzir a distância do entreferro e melhorar os materiais é essencial para aumentar o desempenho da máquina.
Outros tipos de motores elétricos
Existem outros tipos de motores nos quais a armadura desempenha um papel crucial, como motores síncronos e motores de passo.
Em motores síncronos, o rotor gira na mesma velocidade que o campo magnético do estator, tornando-os ideais para aplicações que exigem velocidade constante. Em motores de passo, a armadura (rotor) se move em etapas discretas, permitindo controle preciso do movimento.
Enrolamentos de armadura
Os enrolamentos da armadura são um componente crucial no projeto de motores elétricos, pois são responsáveis por gerar a corrente elétrica por meio da interação com o campo magnético.
Esses enrolamentos são condutores enrolados que, quando submetidos a um campo magnético variável, induzem uma corrente que gera a força eletromotriz (fem) necessária para produzir movimento em motores elétricos.
Tipos de enrolamentos na armadura
Os enrolamentos da armadura podem ser projetados de várias maneiras, dependendo do tipo de motor e de seus requisitos operacionais. Os principais tipos de enrolamentos utilizados em armaduras de motores elétricos são descritos abaixo:
Enrolamento de ranhura
Este é o projeto mais comum em motores elétricos. Neste tipo de enrolamento, os condutores (geralmente cobre ou alumínio) são colocados nas ranhuras presentes no núcleo da armadura (ou rotor em alguns casos).
Os slots são projetados para abrigar as bobinas de forma compacta, permitindo uma distribuição eficiente do campo magnético.
Este tipo de enrolamento pode ser de camada única ou multicamadas. Enrolamentos multicamadas são usados em motores de maior potência, pois permitem um maior número de voltas de fio em cada ranhura, aumentando a capacidade de corrente do motor.
Enrolamento em espiral
Neste tipo de enrolamento, o condutor é enrolado continuamente em espiral ao longo da armadura. Esse projeto é mais comum em motores de pequena potência ou motores sem escovas (como motores BLDC). O arranjo em espiral permite melhor gerenciamento de indução e distribuição de corrente.
Enrolamento de anel
Em motores CC, especialmente nas primeiras versões, os enrolamentos geralmente eram colocados em anéis ao redor do núcleo da armadura.
Esse projeto era menos eficiente, pois a corrente induzida tinha que passar por um espaço maior devido ao entreferro, resultando em um campo magnético mais fraco. No entanto, esse design foi substituído por ranhuras para melhorar a eficiência e reduzir perdas por atrito.
Características dos enrolamentos da armadura
Os enrolamentos da armadura têm uma série de características importantes que afetam o desempenho de um motor elétrico:
Número de voltas do cabo
O número de voltas no enrolamento tem um impacto direto na força eletromotriz gerada. Quanto mais voltas, maior a fem induzida, o que aumenta a eficiência e a potência do motor. No entanto, mais voltas também significam maior resistência e, portanto, maior dissipação de calor. É essencial encontrar um equilíbrio adequado entre o número de voltas e a resistência do enrolamento.
Distribuição de enrolamento
A maneira como os condutores são distribuídos nas ranhuras da armadura afeta a qualidade do campo magnético gerado e a eficiência do motor. Os enrolamentos são projetados para distribuir uniformemente a corrente por toda a armadura, minimizando perdas por correntes parasitas (perdas de energia devido a campos magnéticos indesejados).
Tipo de material condutor
Os materiais usados nos enrolamentos, geralmente cobre ou alumínio, devem ter alta condutividade para maximizar a eficiência da corrente induzida. O cobre é o material preferido devido à sua excelente condutividade elétrica, embora o alumínio seja usado em motores de menor custo devido à sua menor densidade e custo.
Isolamento
Os enrolamentos da armadura devem ser isolados para evitar curtos-circuitos entre as bobinas e o núcleo da armadura. O isolamento também deve ser resistente a altas temperaturas geradas por correntes elétricas. Materiais comuns para isolamento incluem resinas epóxi, tintas isolantes e papel impregnado. Além disso, o isolamento ajuda a reduzir perdas por correntes parasitas.
Orientação do slot
A orientação das ranhuras na armadura afeta diretamente a qualidade do campo magnético induzido. Os slots podem ser simétricos ou assimétricos. Em motores de alta eficiência, o arranjo de ranhuras é otimizado para reduzir perdas harmônicas e melhorar a distribuição do fluxo magnético.