O motor eléctrico é uma das peças fundamentais da tecnologia de mobilidade eléctrica. Apesar de ainda serem alguns os tipos de motor que existem, não é sobre isso que vou falar neste artigo; aquilo que tenciono fazer é tentar explicar alguns aspectos fundamentais sobre o funcionamento de um motor eléctrico, sem entrar em demasiados pormenores técnicos. O que se segue é basicamente válido para qualquer motor eléctrico, mas vamos pensar no nosso simples e velhinho motor DC com escovas.
Motor DC com escovas 350W
A velocidade de rotação de um motor é directamente proporcional à tensão que lhe aplicarmos. Ou seja, numa dada situação, quanto mais tensão lhe aplicarmos, mais depressa ele roda. Uma das funções do controlador é regular a tensão aplicada ao motor, de forma a controlar a sua velocidade. Mas imaginemos que aplicamos uma tensão constante e que temos o eixo livre, sem carga; este roda a uma determinada velocidade. Nestas condições, a corrente que o motor consome é também ela constante, pois a força necessária para manter o eixo a rodar também é constante – e é apenas a necessária para vencer o atrito dos rolamentos do eixo. Como a força que o motor “debita” é proporcional à corrente que consome, podemos deduzir que nestas condições o motor consume pouca corrente, pois está num estado de “esforço mínimo”. Está no estado de menor consumo de corrente. Mais força, implica mais corrente, e vice-versa!
Se agora começarmos a travar ligeiramente o eixo, digamos, com um alicate, a corrente começa a subir. Faz sentido, porque podemos perfeitamente sentir que o motor “faz mais força”, tenta resistir, até porque se não o fizesse, conseguiriamos pará-lo imediatamente; já não está a debitar apenas a força necessária para vencer o atrito dos rolamentos. Se apertarmos mais o eixo na tentativa de o travar mais, ele faz ainda mais força para se opôr à nossa tentativa de o parar, e a corrente sobe mais. À medida que travamos o motor, obviamente que a sua rotação também desce. Se conseguirmos apertar o eixo de tal forma que ele pare, a corrente sobe ainda mais e o motor faz ainda mais força; atingimos o ponto de força máxima que o motor é capaz de fazer, e consequentemente, atingimos também o seu consumo máximo de corrente. Reparem que o eixo está parado. O nome técnico para esta força é “binário“, também chamado “torque“, e tem um nome especial porque é uma força efectuada “em rotação” em vez de ser um “puxa ou empurra”.
Com o eixo parado, a única coisa que limita a corrente no motor é a sua resistência interna, a resistência dos enrolamentos. Esta resistência define a corrente máxima, e logo, a força máxima, de um determinado motor, a uma determinada tensão. Esta situação de eixo travado é na realidade prejudicial ao motor, e a capacidade de a tolerar, ou não, por um curto período de tempo depende da construção do mesmo. O que acontece é que é gerado imenso calor nos seus enrolamentos, pois está a circular uma corrente muito grande. Em geral os motores não são feitos para tolerar esta situação por períodos de tempo que possamos considerar “úteis” (podemos fazê-lo por exemplo durante 1 mili-segundo, mas isso teria uma utilidade muito reduzida ou nula!), pois não conseguem dissipar o calor gerado a um ritmo que impeça a temperatura de subir constantemente até valores susceptíveis de literalmente derreter qualquer coisa lá dentro (muitas vezes derrete o verniz de isolamento dos enrolamentos). Uma das funções do controlador é limitar a corrente máxima aplicada ao motor, protegendo-o e protegendo também as baterias. Ao limitarmos a corrente máxima, estaremos também a limitar o torque máximo do motor!
É interessante observar que o motor eléctrico tem como que um mecanismo de auto-regulação que tenta manter alta a sua velocidade. Quando tentamos abrandá-lo, ele esforça-se e resiste ao abrandamento tão bem quanto lhe é possível. Esse esforço, sendo energia que é dispendida, vem do aumento do consumo de corrente eléctrica.
Agora vou mostrar-vos em gráfico um motor concreto. Estes gráficos capturam o comportamento de um motor e servem como uma folha de características (datasheet). Neste tipo de gráfico os motores mostram a sua alma, mas atenção que o seu comportamento térmico não é capturado – há zonas do gráfico em que o motor não pode funcionar durante muito tempo por causa do aquecimento. Este gráfico foi visualmente modificado face ao original para melhor legibilidade.
Características do motor eTek da Briggs&Stratton (fora de fabrico)
Os “bons” fabricantes, especialmente em motores que “não são brinquedo”, testam o motor à saída da linha de produção para fazer este gráfico, e entregam-no com o respectivo motor. Há sempre pequenas diferenças entre motores “iguais”.
Reparem como a corrente aumenta à medida que a rotação (RPM – rotations per minute) desce; neste teste o motor não foi forçado a parar, até porque se fosse, a corrente seria incrivelmente grande (bem mais de 1500A!) e ele seria destruído ou por aquecimento ou porque o torque gerado seria tal que o rotor certamente se desfazia. Reparem também como o torque (eixo horizontal) aumenta à medida que a corrente aumenta. Noutro artigo irei descascar melhor este gráfico; por agora, fiquem a apreciá-lo 🙂